1、光電信號檢測,第四章 光電導探測器,利用光電導效應制作的光探測器稱為光電導探測器，簡稱PC(Photoconductive)探測器，通常又稱為光敏電阻。 光電導效應：光子作用于光電導材料，形成本征吸收或雜質(zhì)吸收，產(chǎn)生附加的光生載流子，從而使半導體的電導率發(fā)生變化，這就是光電導效應。 光電導效應是半導體材料的一種體效應，不需形成pn結(jié)，故又常稱為無結(jié)光電探測器。 與一般電阻器不同，它是有源器件，工作時要加以適當?shù)钠骰蚱珘骸?光電導探測器可根據(jù)不同類型的光電導效應和材料差異分為本征型、雜質(zhì)型、薄膜型和掃積型光電導探測器。,概述,一、光電導效應 光電導效應只發(fā)生在某些半導體材料和絕緣體材料中，金屬

2、沒有光電導效應。 金屬之所以導電，是由于金屬原子形成晶體時產(chǎn)生了大量的自由電子。自由電子濃度是個常量，不受外界因素影響。 半導體在0K時，導電載流子濃度為0。在0K以上，由于熱激發(fā)而不斷產(chǎn)生熱生載流子(電子和空穴)，它在擴散過程中又受到復合作用而消失。在熱平衡下，單位時間內(nèi)熱生載流子的產(chǎn)生數(shù)目正好等于因復合而消失的數(shù)目。因此在導帶和價帶中維持著一個熱平衡的電子濃度n和空穴濃度p，它們的平均壽命分別用n和p表示。,4-1 光電導探測器的工作原理,入射光輻射與晶格原子或雜質(zhì)原子的束縛電子相互作用，光子將激發(fā)出新的載流子【自由電子空穴對（本征光電導）、自由電子或空穴（非本征光電導）】，這就使半導體中

3、的載流子濃度在原來平衡值上增加了一個量n和p，新增加的部分在半導體物理中叫非平衡載流子，又稱之為光生載流子。 顯然，p和n將使半導體的電導增加一個量G，稱之為光電導。 使半導體材料的電導增加的效應為光電導效應。,本征光電導： 長波閾： 短波閾：價帶底到導帶頂間的能量差。 非本征光電導： Ei：雜質(zhì)電離能,如果半導體的截面積是A，則其電導(亦稱為熱平衡暗電導)G為 所以半導體的電阻Rd(亦稱暗電阻)為,載流子濃度,載流子濃度,載流子遷移率：在外電場E作用下，載流子產(chǎn)生漂移運動，漂移速度v和電場E之比定義為載流子遷移率。,載流子的漂移運動效果用半導體的電導率來描述：,二、光電導探測器的光電轉(zhuǎn)換原理

4、,光電導材料的吸收系數(shù)為， 表面反射率為R， 入射光功率在材料內(nèi)部沿x方向的變化為P(x),于是平均光電流為：,x處的光生載流子密度,載流子在外電場作用下的漂移速度,電極面積（Ad=wd）,電極面積元dA=wdx,n:電子的遷移率,x處的光生面電流密度為：,漂移速度v又可以表示為：,現(xiàn)在來求光生載流子的濃度n(x)。 穩(wěn)態(tài)時單位時間單位體積內(nèi)的 產(chǎn)生率復合率，則 于是,載流子平均壽命,現(xiàn)在來處理積分式。 當P全部被吸收時（1），平均光生載流子濃度為： 則，入射光功率全部被吸收產(chǎn)生的光電流為： 定義量子效率,于是 其中， d L/v 渡越時間 ； G0/d 內(nèi)增益，表示一個光生載流子對探測器外回

5、路電流的有效貢獻。表明光電導探測器是一個具有內(nèi)增益的器件。,關(guān)于G的討論： 當G1時，表示光生載流子平均壽命0剛好等于它在電極間的渡越時間d ，每產(chǎn)生一個光電子對外回路電流正好提供一個電子的電荷e。 當G1時，表示0小于d ，顯然每個光電子對外回路電流的貢獻將小于一個電子的電荷e。,對G1的情況，似乎光電子已渡越完畢，但其平均壽命卻還未中止。 這種現(xiàn)象可以解釋為：光生電子向正極運動，空穴向負極移動，空穴在移動過程中很容易被半導體內(nèi)晶體缺陷和雜質(zhì)形成的陷阱所俘獲。 因此，當光電子在陽極消失時，空穴仍留在體內(nèi)，它將負極的電子感應到半導體中來，感應到體內(nèi)的電子又在電場中運動到正極，如此循環(huán)，直到正電

6、中心（被俘獲的空穴）消失。 顯然，這種效應相當于一個光子激發(fā)，可以有多個電子相繼通過電極，因而在外回路對總的光電流的貢獻將多于一個電子，相當于光電流被放大。 由于載流子平均壽命0是一個統(tǒng)計平均值，故光電導探測器的內(nèi)增益G也是一個統(tǒng)計平均量。,結(jié)論： 光電導探測器是一個具有內(nèi)增益的器件。內(nèi)增益G與器件的材料、結(jié)構(gòu)尺寸及外加偏壓（偏流）有關(guān)。 對于光生載流子平均壽命長、遷移率大的光電導材料，極間距離小的光電導探測器，G值可達到幾百。,三、光電導探測器的工作模式及等效電路 結(jié)構(gòu)形式： 偏置電路形式：,等效電路：,將光電導探測器等效為一個有源二端網(wǎng)絡。 (a)為交流等效電路，其中Ip為光電流；Rd、C

7、d分別為光電導探測器等效內(nèi)阻和電容，R1、C1分別為放大器等效輸入電阻和電容。 由于光電導探測器受光照射時的亮電阻比無光照射時的暗電阻(一般約為10M以上)小得多，故圖中Rd實際上就代表亮電阻。通常亮電阻與暗電阻之比約在10-210-6數(shù)量級。亮電阻與暗電阻相差越大，探測器的靈敏度就越高。,(b)為光電導探測器的直流等效電路，RL表示光電導探測器輸出回路的等效負載電阻，它可以是探測器后續(xù)信號處理電阻或前置放大器的等效輸入電阻。,輸出電流與電壓 1)短路電流(RLRd) （恒壓源） 3)負載匹配(RLRd)時 這種情況稱為匹配工作狀態(tài)，這時探測器輸出的電功率最大，光探測系統(tǒng)總的光電變換效率最高。

8、 但當入射光功率在較大范圍內(nèi)變化，即光電導變化范圍很大時，要始終保持匹配狀態(tài)是困難的。,輸出電流與電壓討論： 1）高頻工作時要考慮電容影響； 2）光電流Ip與入射光功率的關(guān)系： 由于半導體對光的吸收具有非線性特性。所以光電導探測器的光電流與入射光功率也將呈現(xiàn)非線性關(guān)系。 弱入射輻射時，成簡單線性 強入射輻射時，成非線性（拋物線型）,一、光電導探測器的光譜特性 1. 本征光電導的光譜分布： 特點： 單峰；兩端下降；長波限不明顯,4-2 光電導探測器的特性與性能參數(shù),一、光電導探測器的光譜特性 2. 雜質(zhì)光電導的光譜分布：,特點： EiEg，長波限長； 雜質(zhì)含量少，響應率低； 制冷：長波限在紅外波

9、段，使未被激發(fā)的電子和空穴處于束縛狀態(tài)； 長波限不明顯。,二、光電導增益 光電導增益：當長度為L的光電導探測器兩端加上電壓V后，由光照產(chǎn)生的光生載流子在電場作用下所形成的外部光電流與光電子形成的內(nèi)部電流（eN）之間的比值，G=Ip/eN。 經(jīng)推導，光電導增益可寫為： 而,有效渡越時間,討論： 靈敏的光電導探測器，必然具有很大的增益系數(shù)，由于增益系數(shù)可看成是一個自由載流子的壽命與該載流子在光電導探測器兩極間的有效渡越時間tdr之比，因此只要載流子的平均壽命大于有效渡越時間，增益就可大于1。 減小電極間的間距L，適當提高工作電壓，對提高G值有利。 但如果L減得太小，使受光面太小，致使光電導探測器集

10、光面積太小而不實用。 若延長載流子壽命也可提高增益系數(shù)，但這樣會減慢響應速度，因此，在光電導探測器中，增益與響應速度是相矛盾的。 一般G值不超過103數(shù)量級。,光電導探測器的內(nèi)增益與VA 、n、 p 有關(guān)，所以光電導探測器的響應率與所加偏壓VA及載流子壽命n、 p有關(guān)。 偏壓越高，在光電導變化相同的情況下，輸出的電流(或電壓)越大，響應率就越高，但隨著外加偏壓的升高，通過器件的電流產(chǎn)生的焦耳熱也隨之增加，所以外加偏壓的增加受到器件所能承受的最大功耗的限制。,三、響應率,電流響應率：,電壓響應率：,此外，載流子壽命的增加，意味著光電導器件所產(chǎn)生的光生載流子對回路有效電荷的貢獻增大，使器件的響應率

11、提高。為此，在實際制作器件時，往往有意在半導體中加入一些陷阱，以增大載流子壽命來提高響應率。 光電導探測器的響應率還與光敏面積有關(guān)；因為在入射光功率一定時，光敏面積越大，單位體積內(nèi)光吸收就越小，亦即單位體積內(nèi)光生載流子產(chǎn)生率要減小，所以響應率下降。,增大增益系數(shù)G可以提高光譜響應率，實際上常用的光電導探測器的光譜響應率小于1AW，原因是： 產(chǎn)生高增益系數(shù)的光電導探測器電極間距需很小，致使光電導探測器集光面積太小而不實用。 若延長載流子壽命也可提高增益系數(shù)，但這樣會減慢響應速度，因此，在光電導探測器中，增益與響應速度是相矛盾的。,光譜響應率：,光電流,圖中所示的是典型的光譜響應率。p，c分別表示

12、探測器的峰值響應波長和長波限(或截止波長)。 在p的范圍內(nèi)，光譜響應隨著波長的增大迅速減小，因為波長接近長波限，光子產(chǎn)生光電導的能力接近極限。,在p的范圍內(nèi)，繼續(xù)減小入射光波長，可能使光在器件表面很薄的一層內(nèi)完全被吸收，使表面層載流子密集，從而導致載流子復合率增大，壽命降低，會使在短波部分響應率明顯降低。,不同類型的光電導探測器有不同的光譜響應波段，圖示出了本征型、雜質(zhì)型光電導探測器的光譜特性。 雜質(zhì)型的響應率低于本征型，因為雜質(zhì)含量低，光電導能力差。 由于雜質(zhì)的電離能小于本征的禁帶寬度，所以雜質(zhì)的長波限本征型的長波限。,本征型,雜質(zhì)型,相對響應,四、光電導的弛豫 光電導是非平衡載流子效應，因

13、此有一定的弛豫現(xiàn)象。 從光電導的機構(gòu)來看，弛豫現(xiàn)象表現(xiàn)為在光強變化時，光生載流子的積累和消失的過程。 弛豫現(xiàn)象表現(xiàn)了光電導對光強變化反應的快慢。 光電導的弛豫決定了在迅速變化的光強下，光電導探測器能否有效工作的問題。 兩種典型情況： 直線性光電導光電導與光強成線性關(guān)系，很多光電導體在較低的光強下都具有這種性質(zhì)； 拋物線性光電導光電導與光強的平方根成正比，很多光電導體在低光強下屬于直線性光電導，但在較高的光強下則為拋物線性光電導。,直線型光電導： 上升： 下降：,拋物線型光電導： 上升： 下降：,五、頻率響應及響應時間 由于馳豫時間的存在，其頻率響應受到限制。 截止頻率f3dB ：,討論： 一般

14、情況下，在忽略外電路時間常數(shù)的影響下，響應時間等于光生載流子的平均壽命0。 而對于雜質(zhì)半導體，往往存在一些陷阱，使載流子復合幾率相應減少，相當于增加了載流子壽命。此時，響應時間將不再等于載流子的平均壽命。在某些情況下，響應時間將比載流子平均壽命大23個數(shù)量級。 對于光電導探測器來說，延長載流子壽命，可以增加器件的內(nèi)增益，對提高器件的響應率有利，但這卻使器件的響應時間增加，以至影響器件的高頻性能。 與光伏器件等其它光探測器相比，光電導器件增益較大而響應較慢，光電導器件適用于受光面較大、光電流與暗電流之比也較大的情況。,結(jié)論： 1)延長 ， （影響高頻性能） 2)相比而言（增益高，響應慢），適于受

15、光面積 大的情況，但是，新型光電導器件，上升時間可達幾十皮秒量級。 通常，CdS光敏電阻的響應時間約為幾十毫秒到幾秒；CdSe光敏電阻的響應時間約為10-210-3秒；PbS的響應時間約為10-4秒。,六、光電導探測器的噪聲 包括：熱噪聲、g-r噪聲、1/f 噪聲,1/f 噪聲,g-r 噪聲,熱噪聲,1kHz,1MHz,光電導器件的噪聲功率譜,七、光電導探測器的比探測率 受熱噪聲限制的比探測率（f 1MHz） 受產(chǎn)生復合噪聲限制比探測率（1kHz f 1MHz),八、溫度特性 受溫度變化影響嚴重。 主要原因：當溫度升高時，熱激發(fā)載流子增多，除使熱噪聲增加外，還使光生載流子壽命下降(復合幾率增大

16、)，從而使光電導器件響應度降低。 溫度升高效果： 光譜響應度(下降） 峰值波長（短波移動） 長波限（短波移動） 結(jié)論：需要（深）制冷。,九、前歷效應 大多數(shù)光電導探測器在穩(wěn)定的光照下，其阻值有明顯的漂移現(xiàn)象，而且經(jīng)過一段時間間隔后復測阻值還有變化，這種現(xiàn)象稱為光電導探測器的前歷效應。 分為短前歷效應（放置時間短、光照時間短）和中前歷效應（放置時間長、光照時間長）,43 實用光電導探測器件,一、本征型光電導探測器 1碲鎘汞（Hg1-xCdxTe）光電導探測器 采用半導體合金法，將化合物CdTe和HgTe混合成合金系統(tǒng)。 組分不同，禁帶寬度是隨x變化的： 應用：紅外波段應用，在激光雷達、激光測距、

17、光電對抗、制導及光通信等領域得到廣泛應用。,2銻化銦光電導探測器 InSb是一種直接帶隙半導體，其帶隙Eg很小，在室溫300K時， Eg0.17ev，相應的長波限和峰值響應波長分別為7.5m和6m。 當用液氮冷卻至77K時，帶隙增加到0.23ev，相應的長波限為5.4m，峰值響應波長為5m。 通過改變器件工作溫度能改變其光譜響應特性。 InSb材料因其帶隙小，因此被廣泛用來制造性能良好的近紅外探測器。 這種器件雖可工作于室溫，但噪聲較大，故一般多在低溫下工作。,3碲錫鉛光電導探測器 Pb1-xSnxTe光電導探測器是PbTe和SnTe的連續(xù)固溶體，改變Sn的含量可以改變其帶隙。 改變工作溫度對

18、器件靈敏度也有很大影響。圖中給出碲錫鉛光電導探測器的光譜響應特性。 PbSnTe光電導探測器是一種紅外波段的快速響應器件。,4硫化鎘及硒化鎘光電導探測器 硫化鎘(CdS)、硒化鎘(CdSe)光電導探測器對可見光敏感，又稱為光敏電阻。 CdS：可見光波段、X射線、射線、射線、射線均有響應；可見光區(qū)接近人眼(0.30.52m)，峰值0.67m。 CdSe：與CdS相似；峰值0.67m；響應時間比CdS快。 光敏電阻的特點是價格低，可靠性高，壽命長，使用方便。 故被廣泛應用于工業(yè)自動化及攝影機的測光裝置和可見光的探測。,相對響應度,二、雜質(zhì)型光電導深測器 目前的雜質(zhì)型光電導器件材料主要是在鍺或硅中摻

19、入雜質(zhì)制作的。 EiEg，所以響應波長可達幾百微米的遠紅外波段，這是本征型光電導探測器所不能實現(xiàn)的。但響應率低。 此外，材料中雜質(zhì)復合中心的濃度會影響光生載流子的壽命，減小復合中心濃度將增大光生載流子壽命，使光電導探測器內(nèi)增益增大，從而使器件的響應率提高。 雜質(zhì)型光電導探測器的吸收系數(shù)小，器件厚度大。,硅摻雜探測器不如鍺摻雜探測器應用普遍，但可用它來制造熱成像的大焦平面陣列器件。 為了增加雜質(zhì)光電導探側(cè)器對輻射的吸收，提高器件的響應率，除了增加器件的厚度外，還可將器件作成全反射小室，以增加光在探測器內(nèi)的路程。 為了抑制熱噪聲，雜質(zhì)光電導探測器通常要求較低的工作溫度，致冷條件比較苛刻，這給使用帶

20、來極大的不便，也是遠紅外波段探測的困難所在。 雜質(zhì)光電導探測器一般都工作于弱光照，波長較長的紅外探測器更是如此，用得較多的是鍺摻雜紅外探測器。,三、薄膜光電導探測器 紅外光子探測器材料除塊狀單晶體外，還有多晶薄膜。多晶薄膜探測器主要是指硫化鉛(PbS)和硒化鉛(PbSe)。 室溫下，PbS和PbSe對應的長波限分別為3.3m和4.6m。降低工作溫度，禁帶寬度減小，長波限增長。它們是13m和35m波段應用十分廣泛的兩種紅外探測器。 PbS和PbSe兩種多晶薄膜在制備工藝、晶體結(jié)等方面相似。 制備方法：化學沉積法、真空蒸發(fā)法和外延生長法。,PbS光電導探測器是目前l(fā)3m波段應用最廣泛的器件。 優(yōu)點：其制備工藝簡單、成熟，器件響應率高，阻抗適中，易于配接前置放大電路，并可在室溫下工作。此外，該器件價格低廉，使用方便。 應用：PbS光電導探測器在紅外測溫、紅外跟蹤、紅外制導、紅外預警、紅外天文觀測等領域獲得廣泛應用。,+,-,靈敏度（相對值）,f /Hz,PbSe光電導探測器，其響應波段是15m， PbSe在13m范圍其響應速度比PbS高，但其響應率比PbS低。,四、