光电技术-第三章 光辐射探测器(1)

表示噪声功率随 频率的变化关系。
光探测器中固有噪声主要有： 热噪声、散粒噪声、
产生-复合噪声、1/f噪声、 温度噪声。
一、热噪声
热噪声存在于任何导体与半导体中，是由于 载流子的热运动而引起的随机起伏。
in2
4kTf R
un2 4kTfR
热噪声属于白噪声，降低温度和通带，
可减少噪声功率。
二、散粒噪声
p
c
n N e(
Ecn
E
n f
)
/
kT
n
c
Ecp
Ecn
kT ln( nn np
)
qU D
在室温下， nn ND np ni2 / NA
得出
UD
kT q
ln( nn np
)
kT q
ln
NAND ni2
在一定温度下，PN结两边的掺杂浓度愈高， 材料的禁带愈宽，UD愈大。
n p e qUD / kT nn
1.24 Eg EA
(m)
负电子亲和势材料的阈值波长
从而光谱响应可扩展到 可见、红外区。
max
hc Eg
1.24 (m)
Eg
3.1.3 光探测器的噪声
光探测器在光照下输出的电流或电压信号 是在平均值上下随机起伏，即含有噪声。
用均方噪声 in2
.u
2 n
表示噪声值的大小。
噪声的功率谱 N ( f )
三、等效噪声功率和探测率
等效噪声功率 NEP
探测器的最小可探测功率（噪声功率水平）
NEP
NEP
I / in2
U/
பைடு நூலகம்
u
2 n
等效噪声功率越小，说明探测器本身的
噪声水平低，探测器的性能越好。
用探测率D作为探测器 D 1 SI
探测能力的指标:
NEP in2
探测率D表明探测器探测单位入射辐 射功率时的信噪比，其值越大越好。
hc 1.24 (m)
Eg Eg (eV )
杂质吸收
掺有杂质的半导体在光照下，中性施主的束缚电
子可以吸收光子而跃迁到导带，同样，中性受主的束
缚空穴亦可以吸收光子而跃迁到价带，这种吸收称为
杂质吸收。
h 电离能 Eg
杂质吸收的长波限为：
max
hc Ed (或Ea )
Ed
1.24 (或Ea
)
(m)
I GU AU
L
Gp
G Gd
(
d )
A L
A L
Ip
I
Id
(G Gd )U
AU L
d q(nn p p )
n N n
AL
p N p
AL
Ip
qAU (nn
L
p p )
qNU L2
( nn
pp)
定义光电导增益
M
Ip qN
U L2
( nn
pp)
M
U L2
nn
U L2
J
J nD
J pD
q(np
Dn Ln
pn
Dp )(eqU / kT Lp
1)
J0 (eqU / kT 1)
PN结电流方程为 I I0 (eqU / kT 1)
PN结导电特性： U 0 正向偏置，电流随着电压
的增加急剧上升。
U 0 反向偏置，电流为
反向饱和电流。
U 0 热平衡状态 ，I=0
探测器遵从的热平衡方程：
Ct
d(T ) dt
Gt T
设入射光的表达式为： 0 (1 e jt )
代入热平衡方程，得到：
Ct
d (T0 ) dt
Gt T0
0
Ct
d
(T dt
)
Gt
T
0e jt
解得： 器件的平均温升
T0
0
Gt
器件随频率ω的交变温升
T
0
Gt
(1
2
2 t
)1
/
2
e j(t )
热能增大，导致吸收体的物理、机械 性能变化，通过测量这些变化可确定 光能量或光功率的大小，这类器件统 称为光热探测器。
光热探测器对光辐射的响应有两个过程： •器件吸收光能量使自身温度发生变化 共性
•把温度变化转换为相应的电信号
个性
光热探测器的最大特点是： 从紫外到40μm以上宽波段范围，其响应 灵敏度与光波波长无关，是对光波长无选 择性探测器。响应速度较慢 。
kT q
ln( I I0
1)
3.1.2.4 光电发射效应
光照到某些金属或半导体材料上，若
入射的光子能量足够大，致使电子从
材料中逸出，称为光电发射效应，又
称外光电效应。
爱因斯坦定律
1 2
me
2
h
W
当hν＝W，对应的光波长为阈值波长或长波限。
h hc W max
m a x
hc W
h 4.131015 eV s
J
υ
nqυ nE
｝
nqn
同理，对于空穴电流有
pq p
漂移电流密度矢量 J n nqnE
Jp pq pE
3.1.2.2 光电导效应
半导体材料受光照,吸收光子引起载流 子浓度增大，从而材料的电导率增大。
一、稳态光电导与光电流
暗态下
Gd
d
A L
Id
GdU
d
AU L
亮态下
G A
L
光电导 光电流
本征吸 收
本征半导体吸收光子能量使价带中的电子激
发到导带，这一过程称为本征吸收。此时载流子 浓度比热平衡下浓度要大，增加的载流子称为光 生载流子。
产生本征吸收的条件是，入射光子的能量至少要等于材
料的禁带宽度：
h Eg
或
hc
Eg
最小光子能量为： h min hc / max Eg
式中波长为长波限。由下列公式计算：
c 31014 m / s
m
ax
1.24 W
(m)
金属材料的电子逸出功 W —从费米能级至真空能级的能量差。
半导体材料的电子逸出功 W Eg EA
良好的光电发射体，应该具备的基本条件：
光吸收系数大； 光电子逸出深度大 ； 表面势垒低 。
金属光电发射的量子效率都很低,且大多数金属 的光谱响应都在紫外或远紫外区。
ΔEd为施主电离能；ΔEa为受主电离能。
2.光生载流子
半导体受光照射而产生的非平衡载流子。
n p 约为1010cm-3 ;
而热平衡时，多子浓度约为 1015 cm3 少子浓度约为 104 cm3
可见，一切半导体光电器件对光的响应 都是少子的行为。
载流子的复合：电子-空穴对消失。只要有 自由的电子和空穴，复合过程就存在。
1.半导体材料受阶跃光照：
受光时
d (n) G n
dt
t=0时， n 0 n G(1 et / )
停光时
d (n) n
dt
t=0时, n G（光照下的稳态值）
n Get /
光电导张驰过程的时间常数就是载流子的寿命τ
2.半导体材料受正弦型光照
（即正弦调制光）: d (n) Geit n
pp
Mn
Mp
电子在两极间 的渡越时间
Mn
n
tn
tn
L
n
L2
nU
Mp
p
tp
n p
M
Mn
Mp
tn
tp
(1
tn
1) tp
如果定义 1 1 1 tr tn tp
则有 M
tr
以上分析，对光敏电阻的设计和选用
很有指导意义。
二、响应时间
光电导张驰过程
非平衡载流子的 产生与复合都不 是立即完成的， 需要一定的时间。
五、温度噪声
在光热探测器中，由于器件本身吸收和传导
等热交换引起的温度起伏。
t
2 n
4kT 2f
Gt [1 (2f t )2 ]
低频时
tn2
4k T 2 f Gt
也具有白噪声性质。
光电探测器 噪声功率谱 综合示意图
3.1.4 光探测器的性能参数 一、光电特性和光照特性
光电流I,大小为微安级或毫安级。 光电特性 I F () 光照特性 I F(L) 线性度很重要。
光照射到半导体PN结 上，光子在结区激发
出电子-空穴对。
P区、N区两端产生电位 差
—光电动势
一、热平衡状态下的PN结
由第一章已知，在热平衡状态下，由于 自建场的作用，PN结能带发生弯曲。
qU D
E
n f
E
p f
Ecp Ecn
由式（3.7）、（3.8） 可得出
n N e
(
Ecp
E
p f
)
/
kT
二、光谱特性
I FI ()
U FU ()
光谱特性决定于光电器件的材料。
光谱特性对选择光电器件和光源有重要 意义，应尽量使二者的光谱特性匹配。
光电器件的灵敏度（响应率）
光谱灵敏度 积分灵敏度
SU
()
U () ()
SU
U
SI
()
I () ()
SI
I
积分灵敏度不但与探测器有关，而且 与采用的光源有关。
dt
可得出
n G eit
1 i
n G n0 1 ( )2 1 ( )2
当 1
2f c
1
n
1 2
n0
fc
1
2
fc
:
上限截止频率
3dB 带宽
光电导增益与带宽之积为一常数：
Mfc
tr
1 1
2 2 tr
这一结论有一定的普遍性： 它表示材料的光电灵敏度
与频率带宽是相互制约的。
3.1.2.3 光伏效应
3.1.2.1 半导体中的载流子
载流子:能参与导电的自由电子和自由空穴。
载流子浓度:单位体积内的载流子数。
I: ni pi
N: nn > pn P: np < pp
室温下 nn N（D 施主浓度）
全电离时 p p N（A 受主浓度）
一、热平衡状态下的载流子浓度
1 由（1.26）式， f (E) 1 e(EE f ) / kT
式中，
t
Ct Gt
Ct Rt
arctg( t )
是器件的热时间常数。
表明器件温升滞后 于辐射功率的变化。
因此，光热探测器常用于低频调制辐照场合。 设计时应尽力降低器件的热时间常数， 主要是减少器件的热容量。
3.1.2 光电效应
光电效应是物质在光的作用下释放出 电子的物理现象。
分为: 光电导效应 光伏效应 光电发射效应
•直接复合
•间接复合
光生载流子的寿命
—光生载流子的平均生存时间
复合率：单位时间内载流子浓度减少量： n
三、载流子的扩散与漂移
1.扩散
载流子因浓度不均匀而发生的定向运动。
J nD
qDn
dn dx
J pD
qDp
dp dx
2.漂移
载流子受电场作用所发生的运动。
欧姆定律的微分形式 J E
对于电子电流
半导体光电发射的量子效率远高于金属：光电发 射的过程是体积效应，表面能带弯曲降低了电子 逸出功，特别是负电子亲和势材料(NEA)。
P型Si的光电子需克服的有效亲和势为
EAe EA2 Ed
由于能级弯曲，使 Ed E A2
这样就形成了负电子亲和势。
正电子亲和势材料的阈值波长
max
hc Eg EA
pn eqUD / kT pp
以上两式表明：PN结两边少数载流子
与多数载流子之间的关系。
热平衡状态下，PN结中漂移运动等 于扩散运动，净电流为零。
当在PN结两端外加电压U，使势垒高度由 qUD变为q(UD–U)，引起多数载流子扩散时， 少数载流子产生增量Δnp、Δpn，有关系式：
n p n p eq(UD U ) / kT nn
在光子发射、电子发射、电子流中存在的随机起伏 。
in2 2qIf
散粒噪声也属于白噪声。
三、产生-复合噪声
在半导体器件中，载流子不断地产生-复合， 使得载流子浓度存在随机起伏。
in2
4I 2f N0[1 (2f )2}
四、1/f噪声
是一种低频噪声，几乎所有探测器中都存在。
in2
cI f
f
多数器件的1/f噪声在200～300Hz以 上已衰减为很低水平。
二、光照下的PN结 h > Eg 产生电子-空穴对。
在自建电场作用下， 光电流Iφ的方向与I0相同。
光照下PN结的电流方程为
I I0eqU /kT (I0 I )
I S
光照下PN结的两个重要参量:
短路(RL→0)情况,U=0 短路电流为
开路(RL→∞)情况,I=0开 路电压为
Isc I
Uoc
第三章 光辐射探测器
3.1 光辐射探测器的理论基础
﹡光热效应 ﹡光电效应
3.2 光热探测器
3.3 光电探测器
光电导器件 结型光电器件 光电发射器件
3.1 光辐射探测器的 理论基础
光辐射探测器的物理效应主要是 光热效应和光电效应。
3.1.1 光热效应
当光照射到理想的黑色吸收体上时， 黑体将对所有波长的光能量全部吸收， 并转换为热能，称为光热效应 。
则有 np ni2 平衡态判据
可得出，少子浓度：
np
ni2 NA
pn
ni2 ND
二、非平衡状态下的载流子
半导体受光照、外电场作用，载流子浓度 就要发生变化，这时半导体处于非平衡态。
载流子浓度对于热平衡时浓度的增量， 称为非平衡载流子。
半导体材料吸收光子能量而转换成电能是 光电器件工作的基础。
1.半导体对光的吸收
归一化等效噪声功率为
NEP
NEP ( Ad f )1/ 2
in2 ( Ad f )1/ 2 SI
归一化探测率为
可得出：
n N e p N e [(Ec Ef ) / kT] c
[(E f Ev ) / kT] v
np
Nc
N e(Ec Ev ) / kT v
Nc NveEg / kT
上式表明：禁带愈小，温度升高，
np就愈大，导电性愈好。
在本征半导体中， ni pi (Nc Nv )1/ 2 eEg / 2kT
pn pn eq(UD U ) / kT pp
np np (eqU / kT 1)
pn pn (e qU / kT 1)
扩散电流 密度
J nD
qDn
n Ln
J pD
qDp
p Lp
J nD
q
Dn Ln
n p (e qU / kT
1)
J pD
q Dp Lp
pn (eqU / kT
1)
则流过PN结的电流密度为