光电探测器概述分析

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半导体类型
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半导体可分为本征半导体.P型半导体.N型半导体。
本征半导体：硅和锗都是半导体，而纯硅和锗晶体 称本征半导体。硅和锗为4价元素，其晶体结构稳定。
杂质半导体的形成：通过扩散工艺，在本征半导体 中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。
N型半导体
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N型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷）， 使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。
温差电动 （温差电效应）
气体体积和 压强变化
热电偶
电阻率变化 （测辐射热计 效应）
自发极化强度变化 （热释电效应）
高莱管
热敏电阻、电阻测辐射热计
热释电探测器
热探测器特点
♫ 非选择性探测器，光热效应与入射光子的性质无关， 即光电信号取决于入射辐射功率与入射辐射的光谱 成份无关。
♫不需制冷可在室温下工作比光子探测器有更 宽的光
光伏探测器（光生伏特效应或内光电效应）
光子能量 材料内束缚能级的 足够大 金属氧化物或 电子逸出表面
光辐射
半导体表面
电子—空穴对
光生电动势

光电池、光电二极管、雪崩光电二极管、PIN管及光电晶体管
光电磁探测器（光电磁效应或内光电效应）
本征吸收产生 光子能量 足够大 垂直磁场中的 电子空穴对
光辐射
半导体材料 光磁电动势
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N型半导体：由于杂质原子的最 外层有5个价电子，所以除了与周 围硅原子形成共价键外，还多出一 个电子。在常温下，由于热激发， 就可使它们成为自由电子，显负电 性。这N是从“Negative（负）” 中取的第一个字母。
多子：N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓 度，称为多数载流子，简称多子。 少子：空穴为少数载流子，简称少子。 施主原子：杂质原子可以提供电子，称施子原子。
♠ 显然，了解各种性能参数的物理意义十分重要。
1. 响应率（度）RV 、RI
单位入射光功率作用下探测器的输出电压（流）， 即灵敏度。 ——器件对全色入射辐射的响应能力， 定义为器件的输出信号与输入辐射功率之比，用 R来表示。
输出信号用电压表示：
Vs 1 RV V W P
光电探测器（1）
♠ 光电子发射探测器（光电子发射效应或外光电效应）
光子能量大于 逸出功
材料内束缚能级的 电子逸出表面
光辐射
金属氧化物或 半导体表面
自由电子
♠ 光电导探测器（光电导效应或内光电效应）
光子能量大于 禁带宽度 材料内不导电束缚 状态的电子空穴
光辐射
半导体材料
自由电子空穴
电导率变化
光电探测器（2）
载流子 浓度梯度
光电探测器特点
♥ 选择性探测器，即光子波长有长波限。波长长
于长波限的入射辐射不能产生所需的光子 效应，因此无法被探测。
♥ 波长短于长波限的入射辐射，功率一定时，波
长越短，光子数越少，因此光子探测器的理论 响应率应正比于波长。
热探测器（光热效应）
光辐射
材料产生温升
热探测器
物理性质变化
阵列光电探测器、
光电探测器集成化 电荷耦合器件（CCD, charged coupled device）
热电偶温度计
热释电探测器
光电二极管、三极管
光电池
光电二极管阵列
Si /PIN光电二极管
热电阻、热电偶
热敏电阻
热释电探测器
耦合式GaAs/AlGaAs 多量子阱红外探测器结构
♫ 外加反偏电压于结内电场方向一致，没有光照时，反向电流很小（一般小 于0.1微安），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能 量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴 对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，电子被拉向n区， 空穴被拉向p区而形成光电流，使反向电流明显变大。同时势垒区一侧一个扩 散长度内的光生载流子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场的作用下也参与导 电。光的强度越大，反向电流也越大。光电二极管在一般照度的光线照射下， 所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号， 而且这个电信号随着光的变化而相应变化。
导带
EF 能隙 价带
N区
结区
P区
PN结的形成
当Ｐ型半导体和Ｎ型半导体结合在一起时，由于交界 面处存在载流子浓度的差异，电子和空穴都要从浓度高的 地方向浓度低的地方扩散。

电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使Ｐ区和 Ｎ区中原来的电中性条件破坏了。Ｐ区一侧因失去空穴而 留下不能移动的负离子，Ｎ区一侧因失去电子而留下不能 移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常称为空间电 荷，它们集中在Ｐ区和Ｎ区交界面附近形成了一个很薄的 空间电荷区，即PN的结。
有些物质受到光照射时，其内部原子释放电子，但 光电探测器件的工作原理是基于光电效应， 电子仍留在物体内部，使物体的导电性增加，这种现 而热探测器需要经过加热物体的中间过程， 象称为内光电效应。 因此，前者反应速度快。
半导体的能带结构
半导体的特点：由于原子间的相互作用而使能级分 ♣ 纯净（本征）半导体在绝对零度的理想状态下有 裂，离散的能级形成能带。分为价带、导带和禁带。 一个被电子完全充满的价带和一个完全没有电子的 价带： 晶体中原子的内 导带，二者之间是禁带。这是半导体是一个不导电 层电子能级相对应的能带被 的绝缘体。 导带 电子所填满，这种能带称为
♣ 按工作转换光电效应，即当物
质在一定频率的光的照射下，释放出光电子的现象。 当光照射金属、金属氧化物或半导体材料的表面时， 会被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够 大，吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而逸出材料 表面，这种电子称为光电子，这种现象称为光电子发 射，又称为外光电效应。
2.2.2
响应性能参数
♠ 光电探测器和其它器件一样，有一套根据实际需要
而制定的特性参数。
♠ 它是在不断总结各种光电探测器的共同基础上而给
以科学定义的，所以这一套性能参数科学地反映了 各种探测器的共同因素。
♠ 依据这套参数，可以评价探测器性能的优劣，比较
不同探测器之间的差异，从而达到根据需要合理选 择和正确使用光电探测器的目的。
最外层有3个价电子，当它们与周 围的硅原子形成共价键时，就产生 了一个“空位”（空位电中性）， 当硅原子外层电子由于热运动填补 此空位时，杂质原子成为不可移动 的负离子，同时，在硅原子的共价 键中产生一个空穴 ，由于少一电 子，所以带正电。P型取“Positve （正）”一词的第一个字母。
多子：P型半导体中，多子为空穴。 少子：为电子。 受主原子：杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子。
谱响应范围，可在X射线和毫米波段使用。但响应时 间比光子探测器长。且取决于热探测器热容量的大
小和散热的快慢。
§2-2 光电探测器的响应性能参数
光电探测器的定义
定义：光子探测器是指入射在光探测器上的光辐射 能，它以光子的形式与光子探测器材料内受束缚的 电子相互作用（光电子效应），从而逸出表面或释 放出自由电子和自由空穴来参与导电的器件。

内电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立将带 来两种影响：一是内电场将阻碍多子的扩散，二是P区和N区的 少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）一旦靠近PN结，便 在内电场的作用下漂移到对方，这种少数载流子在内电场作用 下有规则的运动称为漂移运动，结果使空间电荷区变窄。

因此，扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少 子的漂移而不利于多子的扩散；而漂移运动使空间电荷区变窄， 内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。

在一定条件下（例如温度一定），多数载流子的扩散运动逐 渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强，最后扩散运动 和漂移运动达到动态平衡，交界面形成稳定的空间电荷区，即 PN结处于动态平衡。

ＰＮ结的单向导电性
（1） 外加正向电压 （正偏）
PN结上加正向电压，外电场与 内电场方向相反，扩散与漂移运动 平衡被破坏。外电场驱使P区空穴 进入空间电荷区抵消一部分负电荷， 同时N区自由电子进入空间电荷区 抵消一部分正电荷，则空间电荷区 变窄，内电场被削弱，多子的扩散 运动增强，形成较大的扩散电流 （由P区流向N区的正向电流）。在 一定范围内，外电场愈强，正向电 流愈大，这时PN结呈现的电阻很低， 即PN结处于导通状态。
光电子 发射效应
光电导 效应
光生伏特 效应
光电磁 效应
外光电效应
内光电效应
2.2.1 光电探测器的工作条件
1. 辐射源的光谱分布 （如单色、黑体、调制） 2. 电路的通频带和带宽 （噪声的影响） 3. 工作温度： 295K、195K、77K、20.4K 、 4.2K 4. 光敏面尺寸：1cm2 5. 偏置情况
输出信号用电流表示：
Is RI A W P
1

2. 单色灵敏度（光谱响应度）
♣ 因此，光探测器是实现光电转换的关键部件，它
的性能好坏对整个光辐射探测的质量起着至关重要 的作用。
§2-1 发展简况与分类
2.1.1 发展简况
1826----热电偶探测器 1880----金属薄膜测辐射计 1946----热敏电阻 五十年代----热释电探测器 六十年代----三元合金光探测器（HgCdTe） 七十年代----光子牵引探测器 八十年代----量子阱探测器 近年来的发展方向：
发光二极管
（2） 外加反向电压 （反偏） 光电二极管
在PN结上加反向电压，外电场 与内电场的方向一致，扩散与漂 移运动的平衡同样被破坏。外电 场驱使空间电荷区两侧的空穴和 自由电子移走，于是空间电荷区 变宽，内电场增强，使多数载流 子的扩散运动难于进行，同时加 强了少数载流子的漂移运动，形 成由N区流向P区的反向电流。由 于少数载流子数量很少，因此反 向电流不大，PN结的反向电阻很 高，即PN结处于截止状态。