第六章-光電導(dǎo)探測器課件

第四章光電導(dǎo)探測器特點：①光敏電阻②有源器件：偏壓偏流（此兩個參數(shù)會影響光電導(dǎo)的工作參數(shù)）分類：本征型、雜質(zhì)型、薄膜型、掃積型§4-1光電導(dǎo)探測器的工作原理一、光電導(dǎo)效應(yīng)：1.定義：光作用于光電導(dǎo)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(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化。具體分析：第四章光電導(dǎo)探測器特點：第四章光電導(dǎo)探測器Ⅰ.對于本征半導(dǎo)體：見圖4-1沒有光照：主要是價電子→在價帶中少量熱激發(fā)電子→導(dǎo)帶Eg→不導(dǎo)電，有光照：電子+→突破Eg

→價帶→長波閾：入射波長超過長波閾，會產(chǎn)生熱電效應(yīng)。第四章光電導(dǎo)探測器Ⅰ.對于本征半導(dǎo)體：見圖4-1第四章光電導(dǎo)探測器短波閾：Eg

＋價帶寬＋導(dǎo)帶寬=入射波長比短波閾短時，電子逸出Ⅱ.對于雜質(zhì)半導(dǎo)體：n型：施主能帶接近導(dǎo)帶只需少量能量即可產(chǎn)生光電子p型：受主能帶接近價帶2.表征光電導(dǎo)效應(yīng)的主要參數(shù)⑴光電導(dǎo)體的靈敏度：在一定的光強下光電導(dǎo)的強弱，用G表示：量子產(chǎn)量光生載流子壽命載流子在光電導(dǎo)兩極間的渡越時間第四章光電導(dǎo)探測器短波閾：Eg＋價帶寬＋導(dǎo)帶寬=第四章光電導(dǎo)探測器

光電導(dǎo)體兩極間距遷移率外加電壓（電源電壓）∴設(shè)計時有重要意義如果在雜質(zhì)半導(dǎo)體中有空穴和電子，則：第四章光電導(dǎo)探測器第四章光電導(dǎo)探測器⑵光電導(dǎo)的弛豫：由于是非平衡載流子效應(yīng)，具有弛豫效應(yīng)。定義：弛豫時間：光照開始和光照停止時，光電導(dǎo)上升或下降的時間。響應(yīng)時間：反映了光電導(dǎo)對周期性變化信號的反映能力。分類：直線性光電導(dǎo)：光電導(dǎo)(光生載流子的密度）與光強成線性關(guān)系。

Si，Ge，PbO等材料至少在較低的光強下成立。拋物線性光電導(dǎo)：光電導(dǎo)(光生載流子的密度）與光強的平方根成正比

一般的，在較低光強下，光電導(dǎo)為直線型光電導(dǎo)；在較高光強下，為拋物線型光電導(dǎo)。第四章光電導(dǎo)探測器⑵光電導(dǎo)的弛豫：第四章光電導(dǎo)探測器具體地：A：對直線型光電導(dǎo)：光生載流子密度與In成正比：光電導(dǎo)體對光的吸收系數(shù)。將上式對時間微分，并計算得：見圖4-2當(dāng)時，光電流上升到飽和值的或下降到飽和值的，上升和下降時對稱的，為直線性光電導(dǎo)的弛豫時間，和光強無關(guān)。第四章光電導(dǎo)探測器具體地：A：對直線型光電導(dǎo)：第四章光電導(dǎo)探測器B：拋物線型光電導(dǎo)：（其中b為比例系數(shù)）上升段，對光電導(dǎo)進行微分：光照取消后：決定光電導(dǎo)下降的微分方程：第四章光電導(dǎo)探測器B：拋物線型光電導(dǎo)：第四章光電導(dǎo)探測器上升、下降曲線如圖4-3所示：下降段為雙曲線性衰減非線性光電導(dǎo)的弛豫時間很復(fù)雜，上升下降不對稱。近似為：對于光照開始的上升段：時，光電導(dǎo)增加到定值的0.76對于光照停止的下降段：時，光電導(dǎo)減小到定值的一半和光照強弱有關(guān)第四章光電導(dǎo)探測器上升、下降曲線如圖4-3所示：第四章光電導(dǎo)探測器討論：光生載流子的定態(tài)值是的乘積產(chǎn)生率弛豫時間：此矛盾要折衷選取。3.光電導(dǎo)的光譜分布：A本征：光電導(dǎo)大小和波長密切相關(guān)，見圖4-4是本征半導(dǎo)體光譜分布。它們是等量子曲線或叫等能量曲線。第四章光電導(dǎo)探測器討論：光生載流子的定態(tài)值是的乘積第四章光電導(dǎo)探測器

等量子：指對不同的波長，以光量子計算的光強是相等的，是在相同的光子流之下測量的結(jié)果。等能量：指不同的波長下，所用的光能量流是相等的，短波小，相同能量下，光子數(shù)少。曲線的共同特點：①長波限處曲線直線下降原因？能量<Eg確定長波限的方法：Moss認為：光電導(dǎo)下降到一半的波長為長波限。②短波方向：原理上：實際上：短逐漸下降，光生載流子集中于表面。由于表面能級，表面復(fù)合與電極相等的作用，光電導(dǎo)↓第四章光電導(dǎo)探測器等量子：指對不同的波長，以光量子計第四章光電導(dǎo)探測器B：雜質(zhì)：總體：①由于雜質(zhì)的電離能比禁帶寬度小，所以其光譜響應(yīng)的波長比本征光電導(dǎo)的長。②雜質(zhì)的原子數(shù)目比起半導(dǎo)體材料本身的原子數(shù)目來小得多

∴其光電導(dǎo)效應(yīng)相對于本征半導(dǎo)體來說要微弱得多。③雜質(zhì)電離能小，長波限長→適合探測紅外。但為了減少暗電流，使常溫下的電子空穴處于束縛狀態(tài)，要在低溫下工作。④曲線：右的陡進：本征光電導(dǎo)開始左的下降：雜質(zhì)半導(dǎo)體的長波限見圖4-5此位置不是垂直的第四章光電導(dǎo)探測器B：雜質(zhì)：第四章光電導(dǎo)探測器第四章光電導(dǎo)探測器第四章光電導(dǎo)探測器二、光電導(dǎo)探測器的工作原理1.光電導(dǎo)探測器的光電流圖4-6：光電導(dǎo)探測器的簡單模型已知光電導(dǎo)的幾何參數(shù)入射光功率P,外電壓V則入射光功率在材料內(nèi)部沿x方向的變化為：吸收系數(shù)表面反射率第四章光電導(dǎo)探測器二、光電導(dǎo)探測器的工作原理第四章光電導(dǎo)探測器由于P隨x的變化而變化所以光生載流子的統(tǒng)計平均值也應(yīng)是x的函數(shù)。設(shè)n(x)是x處光生載流子濃度，則在外加電場的作用下該處的漂移電流密度J(x)為：其中：為光生載流子在外加電場E的作用下的漂移速度。

:電子遷移率

L:電極間的距離光電探測器的平均光電流::探測器的電極面積第四章光電導(dǎo)探測器由于P隨x的變化而變化第四章光電導(dǎo)探測器在均勻照射的情況下：由公式4.1-21～23得：當(dāng)時，探測器體內(nèi)的平均光生載流子濃度：4.1-27得到的計算公式則：結(jié)論公式光電導(dǎo)探測器是一個具有內(nèi)增益的器件

第四章光電導(dǎo)探測器在均勻照射的情況下：第四章光電導(dǎo)探測器材料結(jié)構(gòu)尺寸可達到幾百外加偏壓2.光電導(dǎo)探測器的工作模式及等效電路A：結(jié)構(gòu)和偏置電路圖4-7，4-8第四章光電導(dǎo)探測器材料第四章光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)探測器可以等效為一個有源兩端網(wǎng)絡(luò)：圖4-9(a)中光電導(dǎo)探測器等效內(nèi)阻和電容

放大器等效輸入電阻和電容一般：一般認為：亮電阻與暗電阻相差越大，探測器的靈敏度越高。(b)為直流通路放大器等效為RL和VA串聯(lián)第四章光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)探測器可以等效為一個有源兩端網(wǎng)絡(luò)第四章光電導(dǎo)探測器B:不同情況下(RL),探測器的輸出電流和電壓(a)短路電流ISC

時,外電流短路，輸出電流：探測器等效為一個內(nèi)阻很大的恒流源。(b)開路電壓當(dāng)負載電阻時，探測器輸出電壓近似等于開路電壓：此時的探測器可等效為一個內(nèi)阻為零的恒壓源。(c)負載匹配時探測器的輸出電壓：當(dāng)時，滿足負載匹配條件，稱為匹配工作狀態(tài)。第四章光電導(dǎo)探測器B:不同情況下(RL),探測器的輸出電第四章光電導(dǎo)探測器此時：此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。小結(jié)：①半導(dǎo)體對光的吸收具有非線性光電探測器的光電流與入射光功率將呈現(xiàn)非線性關(guān)系。②當(dāng)光線較弱時，可認為是線性關(guān)系。當(dāng)光線(入射光)功率較大時，將出現(xiàn)非線性特性。第四章光電導(dǎo)探測器此時：第四章光電導(dǎo)探測器§4-2光電導(dǎo)探測器的性能參數(shù)一、光電導(dǎo)增益載流子的平均壽命載流子的渡越時間含義：長度為L的光電導(dǎo)體兩端加上電壓后，由光照產(chǎn)生的光生載流子在電場的作用下所形成的外部光電流與光電子形成的內(nèi)部光電流(qN)之間的比值。經(jīng)4-2-1～6的計算可得：由于材料電導(dǎo)率的變化，引起的光電流為：第四章光電導(dǎo)探測器§4-2光電導(dǎo)探測器的性能參數(shù)第四章光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)增益：分別為電子增益系數(shù)和空穴增益系數(shù):代入公式:將空穴和自由電子的效果綜合考慮，則：討論：①靈敏的光電導(dǎo)探測器，必然有很大的增益系數(shù)②第四章光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)增益：第四章光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)器件的量子效率：和材料的反射率、吸收率、和厚度有關(guān)。第四章光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)器件的量子效率：第四章光電導(dǎo)探測器二、光電探測器的噪聲：主要有三種：熱噪聲、產(chǎn)生復(fù)合噪聲、1/f噪聲。產(chǎn)生復(fù)合噪聲由：熱噪聲、信號光和背景光激發(fā)產(chǎn)生的。低溫時，只有后兩種。第四章光電導(dǎo)探測器二、光電探測器的噪聲：第四章光電導(dǎo)探測器三、響應(yīng)率第四章光電導(dǎo)探測器三、響應(yīng)率第四章光電導(dǎo)探測器四、比探測率第四章光電導(dǎo)探測器四、比探測率第四章光電導(dǎo)探測器五、溫度特性第四章光電導(dǎo)探測器五、溫度特性六、頻率響應(yīng)及響應(yīng)時間第四章光電導(dǎo)探測器六、頻率響應(yīng)及響應(yīng)時間第四章光電導(dǎo)探測器七、前歷效應(yīng)第四章光電導(dǎo)探測器七、前歷效應(yīng)第四章光電導(dǎo)探測器第四章光電導(dǎo)探測器特點：①光敏電阻②有源器件：偏壓偏流（此兩個參數(shù)會影響光電導(dǎo)的工作參數(shù)）分類：本征型、雜質(zhì)型、薄膜型、掃積型§4-1光電導(dǎo)探測器的工作原理一、光電導(dǎo)效應(yīng)：1.定義：光作用于光電導(dǎo)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(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化。具體分析：第四章光電導(dǎo)探測器特點：第四章光電導(dǎo)探測器Ⅰ.對于本征半導(dǎo)體：見圖4-1沒有光照：主要是價電子→在價帶中少量熱激發(fā)電子→導(dǎo)帶Eg→不導(dǎo)電，有光照：電子+→突破Eg

→價帶→長波閾：入射波長超過長波閾，會產(chǎn)生熱電效應(yīng)。第四章光電導(dǎo)探測器Ⅰ.對于本征半導(dǎo)體：見圖4-1第四章光電導(dǎo)探測器短波閾：Eg

＋價帶寬＋導(dǎo)帶寬=入射波長比短波閾短時，電子逸出Ⅱ.對于雜質(zhì)半導(dǎo)體：n型：施主能帶接近導(dǎo)帶只需少量能量即可產(chǎn)生光電子p型：受主能帶接近價帶2.表征光電導(dǎo)效應(yīng)的主要參數(shù)⑴光電導(dǎo)體的靈敏度：在一定的光強下光電導(dǎo)的強弱，用G表示：量子產(chǎn)量光生載流子壽命載流子在光電導(dǎo)兩極間的渡越時間第四章光電導(dǎo)探測器短波閾：Eg＋價帶寬＋導(dǎo)帶寬=第四章光電導(dǎo)探測器

光電導(dǎo)體兩極間距遷移率外加電壓（電源電壓）∴設(shè)計時有重要意義如果在雜質(zhì)半導(dǎo)體中有空穴和電子，則：第四章光電導(dǎo)探測器第四章光電導(dǎo)探測器⑵光電導(dǎo)的弛豫：由于是非平衡載流子效應(yīng)，具有弛豫效應(yīng)。定義：弛豫時間：光照開始和光照停止時，光電導(dǎo)上升或下降的時間。響應(yīng)時間：反映了光電導(dǎo)對周期性變化信號的反映能力。分類：直線性光電導(dǎo)：光電導(dǎo)(光生載流子的密度）與光強成線性關(guān)系。

Si，Ge，PbO等材料至少在較低的光強下成立。拋物線性光電導(dǎo)：光電導(dǎo)(光生載流子的密度）與光強的平方根成正比

一般的，在較低光強下，光電導(dǎo)為直線型光電導(dǎo)；在較高光強下，為拋物線型光電導(dǎo)。第四章光電導(dǎo)探測器⑵光電導(dǎo)的弛豫：第四章光電導(dǎo)探測器具體地：A：對直線型光電導(dǎo)：光生載流子密度與In成正比：光電導(dǎo)體對光的吸收系數(shù)。將上式對時間微分，并計算得：見圖4-2當(dāng)時，光電流上升到飽和值的或下降到飽和值的，上升和下降時對稱的，為直線性光電導(dǎo)的弛豫時間，和光強無關(guān)。第四章光電導(dǎo)探測器具體地：A：對直線型光電導(dǎo)：第四章光電導(dǎo)探測器B：拋物線型光電導(dǎo)：（其中b為比例系數(shù)）上升段，對光電導(dǎo)進行微分：光照取消后：決定光電導(dǎo)下降的微分方程：第四章光電導(dǎo)探測器B：拋物線型光電導(dǎo)：第四章光電導(dǎo)探測器上升、下降曲線如圖4-3所示：下降段為雙曲線性衰減非線性光電導(dǎo)的弛豫時間很復(fù)雜，上升下降不對稱。近似為：對于光照開始的上升段：時，光電導(dǎo)增加到定值的0.76對于光照停止的下降段：時，光電導(dǎo)減小到定值的一半和光照強弱有關(guān)第四章光電導(dǎo)探測器上升、下降曲線如圖4-3所示：第四章光電導(dǎo)探測器討論：光生載流子的定態(tài)值是的乘積產(chǎn)生率弛豫時間：此矛盾要折衷選取。3.光電導(dǎo)的光譜分布：A本征：光電導(dǎo)大小和波長密切相關(guān)，見圖4-4是本征半導(dǎo)體光譜分布。它們是等量子曲線或叫等能量曲線。第四章光電導(dǎo)探測器討論：光生載流子的定態(tài)值是的乘積第四章光電導(dǎo)探測器

等量子：指對不同的波長，以光量子計算的光強是相等的，是在相同的光子流之下測量的結(jié)果。等能量：指不同的波長下，所用的光能量流是相等的，短波小，相同能量下，光子數(shù)少。曲線的共同特點：①長波限處曲線直線下降原因？能量<Eg確定長波限的方法：Moss認為：光電導(dǎo)下降到一半的波長為長波限。②短波方向：原理上：實際上：短逐漸下降，光生載流子集中于表面。由于表面能級，表面復(fù)合與電極相等的作用，光電導(dǎo)↓第四章光電導(dǎo)探測器等量子：指對不同的波長，以光量子計第四章光電導(dǎo)探測器B：雜質(zhì)：總體：①由于雜質(zhì)的電離能比禁帶寬度小，所以其光譜響應(yīng)的波長比本征光電導(dǎo)的長。②雜質(zhì)的原子數(shù)目比起半導(dǎo)體材料本身的原子數(shù)目來小得多

∴其光電導(dǎo)效應(yīng)相對于本征半導(dǎo)體來說要微弱得多。③雜質(zhì)電離能小，長波限長→適合探測紅外。但為了減少暗電流，使常溫下的電子空穴處于束縛狀態(tài)，要在低溫下工作。④曲線：右的陡進：本征光電導(dǎo)開始左的下降：雜質(zhì)半導(dǎo)體的長波限見圖4-5此位置不是垂直的第四章光電導(dǎo)探測器B：雜質(zhì)：第四章光電導(dǎo)探測器第四章光電導(dǎo)探測器第四章光電導(dǎo)探測器二、光電導(dǎo)探測器的工作原理1.光電導(dǎo)探測器的光電流圖4-6：光電導(dǎo)探測器的簡單模型已知光電導(dǎo)的幾何參數(shù)入射光功率P,外電壓V則入射光功率在材料內(nèi)部沿x方向的變化為：吸收系數(shù)表面反射率第四章光電導(dǎo)探測器二、光電導(dǎo)探測器的工作原理第四章光電導(dǎo)探測器由于P隨x的變化而變化所以光生載流子的統(tǒng)計平均值也應(yīng)是x的函數(shù)。設(shè)n(x)是x處光生載流子濃度，則在外加電場的作用下該處的漂移電流密度J(x)為：其中：為光生載流子在外加電場E的作用下的漂移速度。

:電子遷移率

L:電極間的距離光電探測器的平均光電流::探測器的電極面積第四章光電導(dǎo)探測器由于P隨x的變化而變化第四章光電導(dǎo)探測器在均勻照射的情況下：由公式4.1-21～23得：當(dāng)時，探測器體內(nèi)的平均光生載流子濃度：4.1-27得到的計算公式則：結(jié)論公式光電導(dǎo)探測器是一個具有內(nèi)增益的器件

第四章光電導(dǎo)探測器在均勻照射的情況下：第四章光電導(dǎo)探測器材料結(jié)構(gòu)尺寸可達到幾百外加偏壓2.光電導(dǎo)探測器的工作模式及等效電路A：結(jié)構(gòu)和偏置電路圖4-7，4-8第四章光電導(dǎo)探測器材料第四章光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)探測器可以等效為一個有源兩端網(wǎng)絡(luò)：圖4-9(a)中光電導(dǎo)探測器等效內(nèi)阻和電容

放大器等效輸入電阻和電容一般：一般認為：亮電阻與暗電阻相差越大，探測器的靈敏度越高。(b)為直流通路放大器等效為RL和VA串聯(lián)第四章光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)探測器可以等效為一個有源兩端網(wǎng)絡(luò)第四章光電導(dǎo)探測器B:不同情況下(RL),探測器的輸出電流和電壓(a)短路電流ISC

時,外電流短路，輸出電流：探測器等效為一個內(nèi)阻很大的恒流源。(b)開路電壓當(dāng)負載電阻時，探測器輸出電壓近似等于開路電壓：此時的探測器可等效為一個內(nèi)阻為零的恒壓源。(c)負載匹配時探測器的輸出電壓：當(dāng)時，滿足負載匹配條件，稱為匹配工作狀態(tài)。第四章光電導(dǎo)探測器B:不同情況下(RL),探測器的輸出電第四章光電導(dǎo)探測器此時：此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。小結(jié)：①半導(dǎo)體對光的吸收具有