第六章. 光电导探测器分析

没有光照：
主要是价电子→在价带中
少量热激发电子→导带
Eg
Eg→不导电，R
有光照：电子+h→突破Eg
→长入价波射阈波带：长→超hR过长E,Eg 波gh阈c，会产 生Ehcg
热电效应。
短波阈： Eg ＋价带宽＋导带宽= h 入射波长比短波阈短时，电子逸出
h
c
短
Ⅱ.对于杂质半导体：
n型：施主能带接近导带 只需少量能量即可产生光电子
探测器等效为一个内阻很大的恒流源。
G
e h
P
(b)开路电压
当负载电阻 压
对于光照停止的下降段：t 时，光电导减小到定值的一半
和光照强弱有关 In , 短
讨论：光生载流子的定态值是 的乘积
产：生率
弛：豫时间：
G
U l2
小 小，G小；惯性小 灵敏度小
大 大，G大；惯性大 灵敏度高
此矛盾要折衷选取。
3.光电导的光谱分布：
A 本征：光电导大小和波长密切
相关，见图4-4
B：杂质：
总体：
①由于杂质的电离能比禁带宽度小，所以其光谱响应的波长 比本征光电导的长。
②杂质的原子数目比起半导体材料本身的原子数目来小得多
∴其光电导效应相对于本征半导体来说要微弱得多。
③杂质电离能小，长波限长→适合探测红外。
但为了减少暗电流，使常温下的电子空穴处于束缚状态， 要在低温下工作。
④曲线：右的陡进：本征光电导开始
特点： ①光敏电阻 ②有源器件： 偏压
偏流（此两个参数会影响光电导的工作参数） 分类：本征型、杂质型、薄膜型、扫积型
§4-1光电导探测器的工作原理
一、光电导效应： 1.定义：光作用于光电导材料，形成本征吸收或杂质吸收， 产生附加的光生载流子，从而使半导体的电导率发生变化。 具体分析：
Ⅰ. 对于本征半导体：见图4-1
左的下降：杂质半导体的长波限
见图4-5
此位置不是垂直的
二、光电导探测器的工作原理 1.光电导探测器的光电流 图4-6：光电导探测器的简单模型
已知光电导的几何参数 , l, d
入射光功率P,外电压V 则入射光功率在材料内部沿x方向 的变化为：
P(x) P(1 R)ex
： 吸收系数 R表: 面反射率
由于P随x的变化而变化
所以光生载流子的统计平均值也应是x的函数。
设n(x)是x处光生载流子浓度，则在外加电场的作用下该处
的漂移电流密度J(x)为： J (x) en(x)v
其中：v n E nVA / L
为光生载流子在外加电场E的作用下的漂移速度。
:n电子迁移率 L :电极间的距离
光电探测器的平均光电流: I p
一RC般放ii ：大R器暗 等 1效0M输入电R阻亮和 电(10容2 ~ 106） R暗 一般认为： R d R亮
亮电阻与暗电阻相差越大，探测器 的灵敏度越高。
(b)为直流通路 放大器等效为RL和 VA串联
R暗 10M
B:不同情况下(RL),探测器的输出电流和 电压
(a)短路电流ISC
RL 时Rd,外电流短路，输出电流： ISC
将上式对时间微分，并计算得：
n In et/
见图4-2
当 t 时，光电流上升到饱和值的
(1
1 e
)
或下降到饱和值的 1e，上升和下降时对称的， t 为直线
性光电导的弛豫时间，和光强无关。
B：抛物线型光电导： b(n)2 In （其中b为比例系数） 上升段，对光电导进行微分：
n(In / b)1/2 tanh[(In b)1/2 t]
系。 Si，Ge，PbO等材料至少在较低的光强下成立。
抛物线性光电导：光电导(光生载流子的密度）与光强的平方 根成正比
一般的，在较低光强下，光电导为直线型光电导； 在较高光强下，为抛物线型光电导。
具体地：A：对直线型光电导：
光生载流子密度与In成正比：
n / In
:
光: 电导体对光的吸收系数。
是本征半导体：，指是对在不相同同的的波光长子，流以之光下量测子量计的算结的果光。强是相等 等能量：指不同的波长下，所用的光能量流是相等的，短
波 小，相同能量下，光子数少。
曲线的共同特点：①长波限处曲线直线下降 原因？ 能量<Eg 确定长波限的方法： Moss认为：光电导下降到一半的波长为长波限。 ②短波方向： 原理上：h 大 大 短波平缓 实际上：短逐渐下降，光生载流子集中于表面。由于表面能 级，表面复合与电极相等的作用，光电导↓
光照取消后：决定光电导下降的微分方程：
d (n) / dt b(n)2
n
(
In
b
)1/
2
( 1
(
I
1
n
b)1/
2
t
)
上升、下降曲线如图4-3所示：
下降段为双曲线性衰减
非线性光电导的弛豫时间很复
杂，上升下降不对称。
近似为：
( 1 )1/2 In b
对于光照开始的上升段：t 时，光电导增加到定值的0.76
J (x)dA
Ad
A :探d测器的电极面积
d
在均匀照射的情况下： I p ev 0 n(x)dx
由公式4.1-21～23得： n(x) P(1 R)ex0 hvL
当 1 时，探测器体内的平均光生载流子浓度：
n0
P 0 Lhv
Ip0
=
eP 0nVAd
hvL2
4.1-27得到 的计算公式
则：
p型：受主能带接近价带
2.表征光电导效应的主要参数
⑴光电导体的灵敏度：在一定的光强下光电导的强弱，用G
表示： 量: 子产量
G / tL
光: 生载流子寿命
tL载: 流子在光电导两极间的渡越时间
tL l 2 / U
l 光电导体两极间距
迁: 移率
U外: 加电压（电源电压）
∴
G
l 设: 计时有重要意义
U l2
,
如果在杂质半导体中有空穴和电子，则：
G
(
n n
pp
U ) l2
l ,G
⑵光电导的弛豫： 由于是非平衡载流子效应，具有弛豫效应。 定义：弛豫时间：光照开始和光照停止时，光电导上升或下 降的时间。 响应时间：反映了光电导对周期性变化信号的反映能力。 分类： 直线性光电导：光电导(光生载流子的密度）与光强成线性关
Ip
G
e
hv
P
G= 0 结论公式 d
光电导探测器是一个具有内增益的器件
材料 G 结构尺寸
外加偏压
0 ｌ Ｇ
2.光电导探测器的工作模式及等效电路
A：结构和偏置电路 图4-7，4-8
可达到几百
光电导探测器可以等效为一个有源 两端网络：图4-9
(aRC)光中dd 电导探测器等效内阻和电容