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第二章 光电检测器件工作原理及特性,第二章 光电检测器件工作原理及特性,半导体物理基础 光电检测器件的物理基础 光电检测器件的特性参数,一、半导体的特性,半导体的导电能力在不同的条件下有显著的差异。,2-1 半导体物理基础,物质按导电能力可分为：导体，绝缘体，半导体。,4,1、温度升高，导电能力增强，电阻率下降； 如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8，电阻率相应地降低50%左右；2、微量杂质含量，可以显著改变导电能力； 以纯硅中每100万个硅原子掺进一个族杂质；电阻率在室温下却由大约0.214 Mcm降至0.2 cm以下 (降低6个数量级）；3、光照可以改变导电能力； 如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时的暗电阻为几十M，当受光照后电阻值可以下降为几十K；4、电场、磁场等影响半导体的导电能力。,半导体的特性,半导体物理基础,人们就是利用半导体的热敏、光敏特性制作成半导体热敏元件和光敏元件，利用半导体的掺杂特性制造了种类繁多，不同用途的半导体器件，如半导体二极管、晶体二极管、场效应管等。,5,常见的半导体材料元素半导体: 硅、锗、硒 化合物半导体:砷化镓(GaAs)、铝砷化镓(Ga1-xAlxAs)、锑化銦 (InSb)、硫化镉(CdS)和硫化铅(PbS)等，固熔体半导体:氧化亚铜有机半导体:砷化镓磷化镓玻璃半导体稀土半导体 ,半导体物理基础,6,1.原子中电子的能级原子是由一个带正电的原子核与一些带负电的电子所组成。电子环绕原子核在各自的轨道上不停的运动。,二、能带理论,根据量子论，电子运动有下面三个重要特点： (1) 电子绕核运动，具有完全确定的能量，这种稳定的运动状态陈为量子态。每一量子态所取的确定能量称为能级。(2) 由于微观粒子具有粒子与波动的两重性，因此，严格说原子中的电子没有完全确定的轨道。轨道代表电子出现几率最大的一部分区域。(3) 在一个原子或原子组成的系统中，不能有两个电子同属于一个量子态，即在每一个能级中，最多只能容纳两个自旋方向相反的电子，这就是泡利不相容原理。电子首先填满低能级，而后依次向上填，直到所有电子填完为止。,半导体物理基础,7,2.晶体中电子的能带 电子共有化 结合成晶体的原子之间的距离很近，这使不同原子间的电子轨道（量子态）将发生不同程度的交迭。轨道的交迭使电子可从一个原子转移到另一个原子上去，在整个晶体中运动，成为整个晶体所共有的现象。 能带 N个原子排列起来结合成晶体，原来分属于N个单个原子的相同能级对应分裂或属于整个晶体的N个能量稍有差别的能级。这些能级互相靠得很近，分布在一定的能量区域。能量区域中这些密集的能级被称为能带，能带内的能级可看成是连续的。,半导体物理基础,8,N个原子结合成晶体前后的能级状态变化,半导体物理基础,9,3.半导体的导电结构当一块半导体的两端加上电压之后，价电子在无规则热运动的基础上叠加了电场引起的定向运动，形成了电流，并且运动状态发生了变化。因而起运动能量必然与原来热运动时有所不同。在晶体中，根据泡利不相容原理，每个能级上最多能容纳两个电子，因此，要改变晶体中电子的运动状态，必需满足两个条件：1）具有能向电子提供能量的外部作用；2）电子要跃入的那个能级是空的,半导体物理基础,10,半导体导电条件：在有外加电压条件下，电子能否导电，必须考虑电子填充能带的情况。满带中的电子不导电，不满的能带中的电子才可以导电绝对温度为零时，纯净半导体的价带被价电子填满，导带是空的 不导电,半导体物理基础,11,满带：各个能级都被电子填满的能带,禁带：两个能带之间的区域（其宽度直接决定导电性）,空带：所有能级都没有电子填充的能带,价带：由最外层价电子能级分裂后形成的能带,未被电子占满的能带称为导带,禁带的宽度称为带隙,能带的分类,半导体物理基础,12,导体、绝缘体和半导体,导体：(导)价带电子,绝缘体：无价带电子禁带太宽,半导体：价带充满电子禁带较窄,外界能量激励,满带电子激励成为导带电子,满带留下空穴,半导体物理基础,13,硅的晶格结构 (平面图),1、本征半导体材料 Si,电子和空穴是成对出现的,Si电子受到激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现,此时外加电场，发生电子/空穴移动导电。,载流子：在电子技术中把参与导电的物质称为载流子。,本征半导体有两种载流子：自由电子，空穴。,半导体物理基础,14,导带 EC,价带 EV,电子跃迁,带隙 Eg = 1.1 eV,电子态数量,空穴态数量,电子浓度分布,空穴浓度分布,空穴,电子,本征半导体的能带图,电子向导带跃迁空穴向价带反向跃迁,半导体物理基础,15,As+4,As+5,2、非本征半导体材料：n型,掺入第V族元素(如磷P, 砷As, 锑Sb)后，某些电子受到很弱的束缚，只要很少的能量DED (0.040.05eV)就能让它成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。,施主杂质,半导体物理基础,16,施主能级,被施主杂质束缚住的多余电子所处的能级称为施主能级施主能级位于离导带很近的禁带施主能级上的电子吸收少量的能量DED后可以跃迁到导带,施主能级,电子能量,电子浓度分布,空穴浓度分布,施主杂质电离使导带 电子浓度增加,半导体物理基础,17,3、非本征半导体材料：p型,掺入第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al)，晶体只需要很少的能量DEA Eg 就可以产生自由空穴,B,受主杂质,18,受主能级,被受主杂质束缚的空穴所处的能级称为受主能级受主能级位于靠近价带EV的禁带中空穴获得较小的能量DEA后就能反向跃迁到价带成为导电空穴,电子浓度分布,空穴浓度分布,受主能级电离使导带 空穴浓度增加,电子能量,19,平衡和非平衡载流子,处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载流子浓度，比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。,载流子：在电子技术中把参与导电的物质称为载流子。因为本征半导体内部参与导电的物质有自由电子和空穴，所以本征半导体中有两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴。,半导体对光的吸收,20,非平衡载流子的产生,光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就能把价带电子激发到导带上去，产生电子空穴对，使导带比平衡时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部分空穴。产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。其它方法：电注入、高能粒子辐照等。,半导体对光的吸收,21,四、载流子的运动,扩散运动：把载流子由热运动造成的从高浓度处向低浓度处的前一运动成为扩散。,漂移运动：载流子在电场的加速作用下，除热运动之外获得的附加运动称为漂移运动。,载流子的运动形式,平衡载流子:处于热平衡状态下的载流子。 非平衡载流子:半导体处于非平衡状态时，比平衡状态多出来的载流子。,考虑扩散运动：1）、对于杂质分布不均匀的半导体； 2）、处于非平衡状态的半导体，需要考虑扩散运动。不考虑扩散运动：对于处于平衡状态的杂质均匀分布的半导体；,22,非平衡载流子,例：n型半导体硅，掺杂浓度,注：（1）在光照等小注入的情况下，非平衡少数载流子浓度可以比平衡少数载流子浓度大得多（2）非平衡少数载流子起重要作用，非平衡载流子都指非平衡少数载流子,假定,24,物体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收，其余的光透过物体。,半导体对光的吸收,本征吸收,非本征吸收,半导体对光的吸收,四、半导体对光的吸收,25,本征吸收：光子能量足够大，价带中的电子能激发到导带。,特点：产生电子空穴对,条件：,本征半导体和杂质半导体内部，都有可能发生本征吸收！,半导体对光的吸收,26,非本征吸收：光子能量不足以使价带中的电子激发到导带 ，包括杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶格.,杂质吸收：,自由载流子吸收：由同一能带内不同能级之间的跃迁引起的。载流子浓度很大时，导带中的电子和价带中的空穴产生带内能级间跃迁而出现的非选择性吸收.,本征吸收和杂质吸收能够产生非平衡载流子。,半导体对光的吸收,27,五、PN结,将P型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体。半导体内有一物理界面，界面附近形成一个极薄的特殊区域，称为PN结。,半导体物理基础,1、PN结的形成,28,2)、内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动,1)、浓度的差别导致载流子的扩散运动,2、动态平衡下的PN结,N区电子扩散进入P区， P区电子漂移进入N区，最终达到平衡；P区空穴扩散进入N区， N 区空穴漂移进入P区，最终达到平衡；,29,如果外加电压使PN结中：P区的电位高于 N 区的电位，称为加正向电压，简称正偏；,PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从 P 区流到 N 区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。,P 区的电位低于 N 区的电位，称为加反向电压，简称反偏。,3、PN结的单向导电,半导体物理基础,30,(1) PN结加正向电压时的导电情况,外加的正向电压有一部分降落在 PN 结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响, PN 结呈现低阻性。,PN结加正向电压时的导电情况,半导体物理基础,31,外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，由于漂移电流本身就很小，PN结呈现高阻性。,在一定温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。,(2) 、PN结加反向电压时的导电情况,PN 结加反向电压时的导电情况,半导体物理基础,32,PN结外加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,半导体物理基础,正偏,反偏,33,3、PN结的伏安特性曲线,对应表:,第二章 光电检测器件工作原理及特性,半导体物理基础 光电检测器件的物理基础 光电检测器件的特性参数,2-2 光电检测器件的物理基础,光电检测系统组成框图,光电转换：通过光电检测器件来完成的，通过光电转换，把光信号转换成电信号，继而利用十分成熟的电子技术对电信号进行测量和处理，从而完成对光辐射的检测。,对光辐射探测方法比较多，根据在探测器上所产生的物理效应，分成:光电效应、光热效应和光压效应。,36,因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应。,在理解上述定义时，必须掌握以下三个要点： 原因：是辐射，而不是升温； 现象：电子运动状态发生变化； 结果：电导率变化、光生伏特、光电子发射。,2.2 光电检测器件的物理基础,一、光电效应,特点： 1）、光电效应对光波频率表现出选择性： 2）、光子直接与电子作用，响应速度比较快； 3）、根据是否发射电子，分为外光电效应和内光电效应。,37,1、外光电效应,金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量h足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出的现象，称为外光电效应。它是真空光电器件光电阴极的物理基础。,外光电效应的两个基本定律：,1)光电发射第一定律-斯托列托夫定律：当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时， 饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与入射光强度成正比,2). 光电发射第二定律-爱因斯坦定律光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光强 度无关： Emax=(1/2)m2max=h- h0=h- W,2.2 光电检测器件的物理基础,38,2、内光电效应,内光电效应：物质受到光照后所产生的光电子只在物质内部运动，而不会逸出物质外部的现象，这种效应多发生于半导体内。,2.2 光电检测器件的物理基础,39,1）、光电导效应,光电导效应:指物体受光照射后，其内部产生光生载流子，使物体中载流子数显著增加而电阻减小的现象。,光电导效应可分为本征型和杂质别两类,利用光电导效应制成的光电器件主要是光敏电阻。,光电导效应是半导体材料的体效应,2.2 光电检测器件的物理基础,40,2）、光生伏特效应,在无光照时，PN结内存在内部自建电场E，当光照射在PN结及其附近时，这些载流子在能量足够大的光子作用下，在结区及其附近就产生少数载流子(电子空穴对）。载流子在结区外时，靠扩散进入结区；在结区中时，则因电场E的作用，电子漂移到N区，空穴漂移到P区，结果使N区带负电荷，P区带正电荷，产生附加电动势。此电动势称为光生电动势，此现象称为光生伏特效应。,利用光生伏特效应制成的光电接收器件主要有光敏二极管、光敏晶体管和光电池。,光生伏特效应是半导体材料的“结”效应,41,半导体置于磁场中用激光辐射线垂直照射其表面，当光子能量足够大时，在表面层内激发出光生载流子，在表面层和体内形成载流子的浓度梯度。于是光生载流子就向体内扩散，在扩散的过程中，由于磁场产生的洛伦兹力的作用，电子空穴对（载流子）偏向两端，产生电荷积累，形成电位差，这就是光磁电效应。,3）、光磁效应,光磁电效应示意图,2.2 光电检测器件的物理基础,42,4）、光子牵引效应,当光子与半导体中的自由载流子作用时，光子把动量传递给自由载流子，自由载流子将顺着光线的传播方向做相对于晶格的运动。结果，在开路的情况下，半导体样品将产生电场，它阻止载流子的运动。这个现象被称为光子牵引效应。,利用光子牵引效应已经成功检测了低频大功率CO2激光器的输出功率。CO2激光器输出的波长（10.6 m）远远超过了激光器锗窗材料的本征吸收波长限，不可能产生光电子发射，但是，激光器锗窗的两端会产生伏特电压，迎光面带正电，出光面带负电。,2.2 光电检测器件的物理基础,43,光热效应：材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生变化,2.2 光电检测器件的物理基础,二、光热效应,热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化，引起电荷表面电荷变化的现象辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象差电效应：由两种材料制成的结点出现稳差而在两结点间产生电动势，回路中产生电流,44,45,2.2 光电检测器件的物理基础,46,2.2 光电检测器件的物理基础,47,48,2.2 光电检测器件的物理基础,49,光电检测器件的分类,根据光辐射对光电检测器件的作用形式不同，可以分为：1、热电检测器件：热释电检测器，热敏电阻，热电偶和热电堆等。特点为：响应波长无选择性响应慢毫秒以上2、光子检测器件：光电管，光敏电阻，光电池等。特点为响应波长有选择性响应快，一般为几纳秒到几百微秒,2.2 光电检测器件的物理基础,第二章 光电检测器件工作原理及特性,半导体物理基础 光电检测器件的物理基础 光电检测器件的特性参数,2-3 光电检测器件的特性参数,响应特性 噪声特性 量子效率 线性度 工作温度,52,一、响应特性,响应度（或称灵敏度） 是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。描述的是光电探测器件的光电转换效率。 响应度随入射光波长变化而变化； 响应度分为： 电压响应度和电流响应度,2.3 光电检测器件的特性参数,53,电压响应度 光电探测器件输出电压与入射光功率之比 电流响应度 光电探测器件输出电流与入射光功率之比,2.3 光电检测器件的特性参数,54,光谱响应度：探测器在波长为的单色光照射下，输出电压或电流与入射的单色光功率之比,对于包含各种波长的辐射光源，总光通量,光电检测器输出的电流由不同波长的光辐射引起的，输出光电流为：,积分响应度：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度,因此可以得到积分响应度：,2.3 光电检测器件的特性参数,55,响应时间：响应时间是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数。,上升时间：入射光照射到光电探测器后，光电探测器输出上升到稳定值所需要的时间。 下降时间：入射光遮断后，光电探测器输出下降到稳定值所需要的时间。,2.3 光电检测器件的特性参数,56,为调制频率为 f 时的响应率； 为调制频率为零时的响应率为时间常数（等于RC）,频率响应：光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为频率响应。 由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较大的影响。,2.3 光电检测器件的特性参数,光电探测器响应率与入射调制频率的关系,57,：上限截止频率时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽,2.3 光电检测器件的特性参数,58,二、噪声特性,光电器件作为微弱辐射信号的探测器使用时，响应度并不能表达光电器件探测微弱辐射的能力。因为，当探测器与电子线路组合时，只要放大倍率足够高，即使没有辐射信号输入，也可观察到一些毫无规律和无法预测的电输出（电压或电流），称为噪声电压（或电流）。,光电探测器中的主要噪声有以下几种：热噪声散粒噪声产生复合噪声1/f噪声,2.3 光电检测器件的特性参数,59,AB两极间的电阻为R，在绝对温度T的平衡态下，内部的电子处于不断的热运动中，无序的电子运动。如果从一个想象的截面S去看，任何一瞬间有些电子从左向右穿越S面，有些电子从右向左穿越S面。从时间平均来看，这两种方向的电子数一定相等，因为AB之间没有外电压，不会有电流通过AB。但是考虑流过S面的电子数的均方偏差，则不为零。这样在AB两端就应出现一电压涨落。,1、热噪声,60,用热噪声电流表示为：,热噪声与温度成正比，并与频率无关，说明噪声是由各种频率分量组成，就象白光是由各种波长的光组成一样，所以热噪声又称之为白噪声。,2.3 光电检测器件的特性参数,但是考虑流过S面的电子数的均方偏差，则不为零。这样在AB两端就应出现一电压涨落。瞬时电流扰动在导体两端产生噪声电压，称为热噪声电压。其均方值为：,61,所有的探测器都有热噪声，如何减小热噪声的影响是光电探测系统的一个重要问题。降低探测器的工作温度T在低温工作的探测器其热噪声将大大减小，特别是一些响应于远红外波段的探测器，为了降低热噪声，将探测器置于液氦(4K)、液氮(77K)的深冷状态。在信号不失真的条件下，压缩工作频带。,62,2、散粒噪声,光子随机到达光电探测器所引起的光电流的随机起伏称为散粒噪声。散粒噪声电流的表达式为,散粒噪声也是白噪声，与频率无关，,2.3 光电检测器件的特性参数,与热噪声的区别： 热噪声起源于热平衡条件下电子的粒子性，即电荷的随机运动，依赖于kT，而散粒噪声直接起源于光的粒子性。热噪声属电路中电阻的一项特性，设计者可对其进行某些控制，而散粒噪声是光电探测器的固有特性，因此散粒噪声不可能被消除。对大多数光电探测器来说，散粒噪声具有支配地位。,63,3、产生-复合噪声,光电器件因光激或热激载流子和寿命的随机性所引起的电流起伏叫产生复合噪声。这种噪声与载流子产生的随机性有关，还与载流子的复合时间即载流子寿命的随机性有关。产生复合噪声电流的均方值为,I为流过光电接收器件的平均电流； 为载流子平均寿命； 为载流子在光电探测器件两电极间的平均漂移时间；f为频率；f为带宽。上式表明，产生-复合噪声与频率有关，不是白噪声。如果频率低，满足条件时，上式可简化为：,此时，产生-复合噪声是白噪声。,2.3 光电检测器件的特性参数,64,4、 1/f 噪声,因光敏层的微粒不均匀性或不必要的微量杂质存在，当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电脉冲就是1/f噪声的起源。其经验公式为,式中，K为比例系数，与元件制造工艺、电极接触情况、表面状态及尺寸有关；I为流过光电探测器的电流直流分量；与流过元件的电流有关，通常 2；与元件材料的性质有关，其值在之间，大部分材料的值为1。由于这种噪声与频率f有近似倒数的关系，故称为1/f噪声，它在低频区较大，故有时称低频噪声。,2.3 光电检测器件的特性参数,65,信噪比,光电探测器件的输出既有信号辐射产生的光电流IS，又有背景辐射噪声和器件固有噪声等产生的噪声电流IN 。它们在负载电阻RL上产生的功率分别为Ps,PR 。将其功率比定义为器件的信噪比SNR:,利用上式来评价两种光电器件的性能时，必须在信号辐射功率相同的环境下才能比较。但是，对于单个光电器件，其噪声比的大小与入射信号辐射功率及接收面积有关。如果入射辐射强，接收面积大，信噪比就大，但性能不一定就好。因此，用信噪比评价器件性能有一定的局限性。,2.3 光电检测器件的特性参数,66,噪声等效功率,2.3 光电检测器件的特性参数,定义：信号功率与噪声功率之比为1，即SN1时，入射到探测器上的辐射通量(单位为瓦)。一个良好的探测器件的NEP约为1011W。NEP越小，噪声越小，器件的性能越好。,67,探测率（探测度）,用表示NEP器件性能时，数值越小，性能越好，即器件越灵敏，这与人们的“越大越好”心理习惯不一致，因而又将NEP的倒数作为一个参数引入，这就是探测率或探测度，用符号D表示，即,2.3 光电检测器件的特性参数,显然，D愈大，光电探测器的性能就愈好。它描述的特性是：光电探测器在它的噪声电平之上产生一个可观测的电信号的本领，即光电探测器能响应的入射光功率越小，则其探测率越高。,68,但是仅根据探测率D还不能比较不同的光探测器的优劣，这是因为如果两只由相同材料制成的光电探测器，尽管内部结构完全相同，但光敏面积Ad不同，测量带宽不同，则D值也不相同。为了能方便地对不同来源的光电探测器进行比较，需要把探测率D标准化(归一化)到测量带宽为1Hz、光电探测器光敏面积为1cm2。这样就能方便地比较不同测量带宽、对不同光敏面积的光电探测器测量得到的探测率。这种归一化的探测率一般称为比探测率，通常用D*记之,69,三、量子效率（）,70,对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子， =1实际上， 1;量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。,71,四、线性度,线性度是描述光电探测器输出信号与输入信号保持线性关系的程度。在某一范围内探测器的响应度是常数，称这个范围为线性区。非线性误差：max / ( I2 I1)max：实际响应曲线与拟合曲线之间的最大偏差； I2 和 I1：分别为线性区中最小和最大响应值。,2.3 光电检测器件的特性参数,72,五、温度特性,光电接收器件的工作温度不同时，性能有变化，例如像HgCdTe探测器一类的器件在低温（77K）工作时，有较高的信噪比，而锗掺铜光电导器件在4K左右时，能有较大的信噪比，如果工作时的温度升高，它们的性能逐渐变差，以致无法使用。例如InSb器件，工作在300K时，长波极限7.5m，峰值波长为6m。而工作在为77K时，长波长极限为5.5m，峰值波长为5m，其变化很明显。对于热接收器件，由于环境测试变化会使响应度和探测率随噪声变化。所以工作温度就是指光电接收器件最佳工作状态时的温度，它是光电接收器件的性能参数之一。,2.3 光电检测器件的特性参数,