光电检测器件工作原理及特性分解

形成过程：
无光照
空穴 电子
P
N
eVD Ec EF Ev
光照
VD
Ip P
V+
_ _ _ _
有光照
P
N
eVD-eV
N Ec EF Ev
I+
光生（正向）电压产生正向注入 电流（由P指N）： I+=Is[exp(qV/kT)-1]
当PN结外接回路时，总电流与光生电流和结电流之间关系：
I=Ip-I+=Ip-Is[exp(qV/kT)-1] 负载接入外回路，电流为I，则PN结两端电压为： V=(kT/q)ln[(Ip-I)/Is+1] PN结开路时，I=0，求得开路电压：Voc =(kT/q)ln (Ip/Is+1)
T2 导体b
x
y
吸（放）热速率：dθp/dt=πI，π称为帖耳帖系数
2.2 光电检测器件的特性参数
一、分类
光电检测器件利用特质的光电效应把光信号转换成电信 号的器件，它的性能对光电检测系统影响很大。根据工作机 理的不同，可分为光子检测器件和热电检测器件。
热 电 检 测 器 件 热释电检测器（热释电效应）
原子的束缚态电子吸收光子能量并被激发为传导态自由电 子，引起材料载流子浓度增加，因而导致材料电导率增大。 属于内光电效应。
包括：
本征和非本征两种，对应本征和杂质半导体材料。
1、本征光电导效应
本征光电导效应：是指本征半导体材料发生光电导效应。
即：光子能量hv大于材料禁带宽度Eg的入射光，才能激光出 电子空穴对，使材料产生光电导效应。针对本征半导体材料。即： hv>Eg 即存在截止波长：λ0=hc/Eg=1.24/Eg。 基本概念： 1、稳态光电流：稳定均匀光照 3、亮电导率和亮电流 2、暗电导率和暗电流 4、光电导和光电流
S/N的大小与入射信号辐射功率及接收面积有关，入射辐射强，接收
面积大，则S/N就大。但性能不一定就好，对两种光电器件只有在相同 信号辐射功率相同情况下才能比较。
9、线性度（非线性误差δ ）：
线性度是描述光电检测器输出信号与输入信号保持线性 关系的，即在规定范围内，光电检测器的输出电量正比于输 入光量的性能。光电检测器件的响应度是常数的范围称为线 性区。
极到阳极的电子数都在一个平均值上下起伏。这种起伏引起 的均方噪声电流为： ？=2qIDCΔ f 其中IDC为流过器件电流的直流分量（平均值）,q为 电子电荷，
散粒噪声也属于白噪声。
8、信噪比（S/N）：
信噪比是判断噪声大小通常使用的参数。它是在负载电 阻RL上产生的信号功率与噪声功率比。 S/N=PS/PN=IS2RL/IN2RL=IS2/IN2 用分贝（dB）表示： （S/N)dB=10lg(IS2/IN2)=20lg(IS/IN)
2.1.3 光生伏特效应 达到内部动态平衡的半导体PN结，在光照的作用下，
在PN结的两端产生电动势，称为光生电动势。这就 是光生伏特效应。也称光伏效应。
物理本质：PN结内建电场使得载流子（电子和空穴）的扩
散和漂移运动达到了动态的平衡，在光子能量大于禁带宽度的 光照的作用下，激光出的电子空穴对打破原有平衡，靠近结区 电子和空穴分别向N区和P区移动，形成光电流，同时形成载 流子的积累，内建电场减小，相当于在PN加了一个正向电压。 即光生电动势。
入射光照射材料由于受热而造成电阻率变化的现
象称为辐射热计效应。由温度引起电阻率变化。
阻值与温度变化关系：
ΔR=αTRΔT
αT为电阻温度系数 R为元件电阻
当温度变化足够小时， αT=1/R*dR/dT
对金属材料，R=BT，则α T=1/T，呈反比关系。 对半导体材料，R与T具有指数关系，则α T=-B/T2。说明温 度越高，电阻温度系数越小。B为常数，典型值3000K。
矩形光 脉冲
O
I光 1 0.9
t
0.1
O
τr
τf
t
5、频率响应S(f)：
由于光电检测器信号的产生和消失存在着一个滞后过程， 所以入射光辐射的频率对光电检测器的响应将有很大的影响， 把光电检测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称 为频率响应。 利用时间常数可得到频率响应关系： S(f)=S0/[1+(2πfτ)2]1/2 S0为频率是零时的响应度；τ为时间常数。 可求得放大器的上限截止频率：f上=1/2π τ =1/2π RC 可见： 光电检测器电路时间常数决定了频率响应带宽
2.1.4 光热效应
与光电效应的区别：光电效应中，光子能量直接变为光电子
的能量，光热效应中，光能量与晶格相互作用使其运动加剧， 造成温度的升高，从而引起物质相关电学特性变化。
可分为:热释电效应、辐射热计效应及温差电效应
1、 热释电效应
介质温度在光照作用下温度发生变化，介质的极化强
度随温度变化而变化，引起表面电荷变化的现象。
4、响应时间τ： 响应时间是描述光电检测器对入射辐射响应快慢的参数。
即入射光辐射到检测器后或入射光被遮断后，光电检测器件 输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需要的时间。
入 射 光
当一个辐射脉冲照射光电检测
器时，如果这个脉冲上升和下 降时间很短，则光电检测器由 于惰性而有延迟。 上升时间τr和下降时间τf
基本公式：
光
暗电导率Gd=σdS/L
暗电流Id= σdSU/L 亮电导率Gl= σlS/L 亮电流Il= σlSU/L 光电导Gp= ΔσS/L 光电流Ip= ΔσSU/L
本征半导体样品 L
S
U
光电导效应示意图
E
2、光电导弛豫过程
光电导效应是非平衡 载流子效应，因此存在一 定的弛豫现象，即光电导 材料从光照开始到获得稳 定的光电流需要一定的时 间。同样光电流的消失也 是逐渐的。弛豫现象说明 了光电导体对光强变化的 反应快慢程度，称为惰性。
？=4kT(Δ f/R)
其中R为导体电阻，k为玻耳兹曼常数，T为导体的热力学温度， Δ f为测量系统的噪声带宽。
热噪声存在于任何电阻中，与温度成正比，与频率无关，说
明热噪声是由各种频率分量组成，可称为白噪声。
7、散粒噪声：
或称散弹噪声，即穿越势垒的载流子的随机涨落（统计 起伏）所造成的噪声。
理论表明，在每个时间段内，穿越势垒区的载流子数或从阴
6、热噪声：
当入射辐射功率很低时，输出只是些杂乱无章的变化信号，无法肯 定是否为入射辐射信号，这是检测器固有的噪声引起的。其时间平均值 为零，但均方根不等于零，即存在瞬时电流扰动。这个均方根电压（或 电流）即为噪声电压（流）。热噪声是由载流子无规则运动造成的。
热噪声电压和电流均方值为：？=4kTRΔ f
j
+
+
+
+ +
+
+ -
+ -
+ -
+ + - -
+ -
热释电现象中：温度对自发极化强度的影响。
随着温度的升高，自发极化强度越来越弱，当达到一定
温度时，自发极化强度为零，极化晶体发生相变为非极 化晶体。
P P
O
Tc
T
O
Tc
T
极化晶体的极化强度与温度T的关系：一级相变（左）和二极相变（右）
2、 辐射热计效应
Φ (λ )为入射的单色辐射通量或光通量。
3、积分响应度S：
表示检测器对各种波长的辐射光连续辐射通量的反应程度， 光电检测器件输出的电流或电压与入射光通量之比。
各种辐射波长的总光通量为：Φ=? 不同波长光辐射引导的总输出光电流Io=? 则积分响应度S=？
式中λ 0和λ 1分别为光电检测器的长波限和短波限。
I
δ =Δ
max/I2-I1
I2
实线为实际响应曲线 虚线为拟合直线
光电检测器线性区的大小与检测
器后电子线路有很大关系：线性 区的下限一般由光电器件的暗电 流和噪声因素决定，上限由饱和 效应或过载决定。还随偏置、辐 射调制及调制频率等条件的变化 而变化。
I1 O Φ
10、工作温度：
光电检测器的工作温度是最佳工作状态时的温度，是光
物理本质：极化晶体 极化晶体：在外电场和应力为零情况下自身具有自发极化
的晶体，原因是内部电偶极矩不为零，表面感应束缚电荷。
_ _ _ _ _ _ _ _ _
P(T1)
P(
-
工作温度T1（左）和工作温度T2>T1（右）
极化晶体表面束缚电荷，被周围自由电荷不断中和，表面无电荷。光照时， 晶体温度升高，电偶极子热运动加剧，极化强度减弱，表面感应电荷数减小， 但中和过程（达数秒）要远大于极化强度的响应过程（10-12s），相当于释 放了一些电荷，对外表面为电流。可以在这些电荷被中和之间测量到。
光子检测器件的特点：
1、响应波长有选择性。存在截止波长。 2、响应快。一般为纳秒到几百微秒
二、特性参数
1、响应度（或称灵敏度）S
电压响应度：SV=Vo/Pi 电流响应度：SI=Io/Pi
其中：Vo和Io分别为光电检测器输出电压和输出电流。P 为入射光功率（或用通量Φ表示）。
2、光谱响应度S(λ) 光谱响应度：S(λ )=Vo/Φ (λ ) (V/W) S(λ )=Io/Φ (λ ) (A/W)
第二章 光电检测器件工作原理及特性
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2.1 光电检测器件的物理基础 1、光电导效应 2、杂质光电导效应 3、光生伏特效应 4、光热效应 2.2 光电检测器件的特性参数
2.1光电检测器件的物理基础 ----光电效应和光热效应
光电导效应、光生伏特效应和光热效应
► 光电效应：物质受光照射后，材料电学性
电检测器重要的性能参数之一。