第6章-光探測材料及器件

第6章光探測材料及器件6.1光探測器件的基本特性6.2光敏電阻6.3光電二極管6.4光電池6.1光探測器件的基本特性一、材料與光之間的相互作用光電探測從本質上說材料與光的相互作用，主要決定于：（1）光的性質：光譜組成、光強度、偏振、相干性及傳播方向；（2）材料的性能：能帶結構（3）外界條件：溫度、機械壓力、電場和磁場二、光電效應1、定義

物質在光的作用下，不經(jīng)升溫而直接引起物質中電子運動狀態(tài)發(fā)生變化；因此，把由光照而引起物體電學特性的改變統(tǒng)稱為光電效應。理解光電效應的三個要點：1）原因：是輻射，而不是升溫；2）現(xiàn)象：電子運動狀態(tài)發(fā)生變化；3）結果：光電子發(fā)射、電導率變化、光生伏特。光電效應的物理機制：在光的作用下，當光敏物質中的電子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束縛時，電子就會從基態(tài)被激發(fā)到高能態(tài)，脫離原子核的束縛，在外電場作用下參與導電，因而產(chǎn)生了光電效應。

光電效應中光與物質相互作用的本質：光子與電子的直接作用(電子吸收光子)注意：如果光子不是直接與電子起作用，而是能量被固體晶格振動吸收，引起固體的溫度升高，導致固體電學性質的改變，這種情況就不是光電效應，而是熱電效應。2、分類外光電效應:指物質受光照后而激發(fā)的電子逸出物質的表面，在外電場作用下形成真空中的光電子流。這種效應多發(fā)生于金屬和金屬氧化物.內光電效應:指受光照而激發(fā)的電子在物質內部參與導電，電子并不逸出光敏物質表面。這種效應多發(fā)生于半導體內。內光電效應又可分為光電導效應、光生伏特效應和光磁電效應等。外光電效應和內光電效應的主要區(qū)別在于：受光照而激發(fā)的電子，前者逸出物質表面形成光電子流，而后者則在物質內部參與導電。簡單記為：光輻射→電子運動狀態(tài)發(fā)生變化→光電導效應、光生伏特效應、光電子發(fā)射。光導管或光敏電阻光電池光電二極管雪崩光電二極管肖特基勢壘光電二極管光電磁探測器光子牽引探測器光電導(本征和非本征)光生伏特

PN結和PIN結(零偏)PN結和PIN結(反偏)

雪崩肖特基勢壘異質結3.光電磁光子牽引內光電效應光電管充氣光電管光電倍增管象增強管1.光陰極發(fā)射光電子正電子親和勢光陰極負電子親和勢光陰極2.光電子倍增氣體繁流倍增打拿極倍增通道電子倍增外光電效應相應的探測器效應光電效應的分類光電發(fā)射探測器、光電導探測器、光生伏特探測器1）光電導效應:當光照射到半導體材料時，價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶躍入導帶，使材料中導帶內的電子和價帶內的空穴濃度增加，從而使電導率變大。常存在于高電阻率的半導體中。2）光生伏特效應:如果在一定條件下受到光照作用的半導體特定方向上產(chǎn)生電動勢,這種現(xiàn)象稱為光生伏特效應。光生伏特效應:關鍵:光生電子和空穴能夠在空間中分開。產(chǎn)生條件:1)不均勻半導體(存在內建電場）:p-n結、a異質結、肖特基勢壘等2)均勻半導體:體積光生伏特效應①電子和空穴遷移率的不相等.在不均勻光照時由于兩種載流子擴散速度不同而導致兩種電荷分開,從而出現(xiàn)光電勢.這種現(xiàn)象稱為丹倍效應.②存在外加磁場.該磁場使得擴散中兩種載流子向相反方向偏轉,從而產(chǎn)生電動勢.稱為光磁電效應.3）光電子發(fā)射:指固體在光的照射下向外發(fā)射電子的過程,屬于外光電效應.(1)體積光電效應:光吸收是體積材料特性(2)光電發(fā)射的物理過程第一步:電子吸收光子后產(chǎn)生激發(fā),即得到能量.第二步:受激電子向固體表面擴散并最終到達表面.在這個過程中電子發(fā)生散射并失去部分能量.第三步:受激電子越過表面勢壘逃逸至真空中.根據(jù)愛因斯坦假設，一個電子只能接受一個光子的能量，所以要使一個電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。外光電效應多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金屬釋放電子所需時間不超過10-9s。根據(jù)能量守恒定理

m—電子質量；v0—電子逸出速度。光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質具有不同的逸出功，即每一個物體都有一個對應的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。當入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強成正比。即光強愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。光電子逸出物體表面具有初始動能mv02/2

，因此外光電效應器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。三、光電探測器的主要性能參數(shù)量子效率η響應度R噪聲等效功率NEP光譜響應度R(λ)頻率響應度R(f)探測度D和歸一化探測度D*等1）響應度R（或稱靈敏度）描述光電探測器的光電轉換效率。

定義：光電探測器輸出信號與輸入光功率之比。分類：響應度分為電壓響應度和電流響應度。電壓響應度Rv：光電探測器件輸出電壓與入射光功率之比電流響應度RI：光電探測器件輸出電流與入射光功率之比

2）量子效率：是指每入射一個光子光電探測器所釋放的平均電子數(shù)。它與入射光能量有關。其表達式為:式中，I是入射光產(chǎn)生的平均光電流大小，e是電子電荷，P是入射到探測器上的光功率。I/e為單位時間產(chǎn)生的電子數(shù),P/hυ為單位時間入射的光子數(shù)。對于理想的探測器，每入射一個光子則發(fā)射一個電子，

=1；實際上一般有

<1。對光電倍增管、雪崩光電二極管等有內部增益機制的光電探測器，

可大于1。量子效率是一個微觀參數(shù)，光電探測器的量子效率越高越好。3）光譜響應度R(λ)是響應度隨波長變化的性能參數(shù)。大多數(shù)光電探測器具有光譜選擇性。定義：探測器在波長為λ的單色光照射下，輸出電壓或電流與入射光功率之比。說明：波長不同的光電探測器具有不同的響應度。光電探測器一般有截止波長。

4）頻率響應度R(f)：響應度隨入射光頻率而變化的性能參數(shù)。其表達式為：式中R(f)為頻率為f時的響應度；R0為頻率為零時的響應度；

為探測器的響應時間或稱時間常數(shù),由材料和外電路決定。光電探測器的頻率響應曲線R(f)隨f的升高而下降，下降的速度與響應時間

的大小有關。一般規(guī)定R(f)下降到：時的頻率fc為探測器的響應截止頻率。定義：單位信噪比時的入射光功率。表達式為NEP越小，噪聲越小，探測器探測能力就越強。5）噪聲等效功率(NEP)是描述光電探測器探測能力的參數(shù)。6）探測度D與歸一化探測度D*1）探測度D為噪聲等效功率的倒數(shù)，即2）歸一化探測度D*

由于D與探測器的面積Ad和放大器帶寬Δf乘積的平方根成正比，為消除這一影響，定義：D*越大的探測器其探測能力越強。7）其它參數(shù)光電探測器還有其它一些參數(shù)，在使用時必須注意到。如：1）暗電流：指沒有信號和背景輻射時通過探測器的電流。2）光敏面積：指靈敏元的幾何面積。3）探測器電阻、電容。4）工作電壓、電流、溫度。四、

光電探測器件（受光器件）受光器件：將光能轉換為電能的一種傳感器件,是構成光電式傳感器最主要的部件。其主要用途有：1）用來察覺微弱光信號的存在和測量光信號的強弱，主要考慮的是器件探測微弱光信號的能力；2）在自動控制中作為光電轉換器（考慮光電轉換效能）；3）其他：作為測量用的光電池和作為能源用的太陽能電池。1、光電探測器件的分類（1）按工作波段分：紫外光、可見光、紅外光探測器（2）按應用分A.非成像型：光信息轉化為電信息B.成像型：變像管、像增強管、攝像管[真空攝像管、固體成像器件CCD]（3）按原理分外光電效應器件：光電發(fā)射型探測器件：光電管、光電倍增管內光電效應器件：光電導型探測器件：光敏電阻光伏型探測器件：光電池、光電二極管、光電晶體管、光電場效應管、PIN管、雪崩光電二極管、光可控硅、陣列式光電器件、象限式光電器件、位置敏感探測器（PSD）、光電耦合器件1）光電導型探測器件——光敏電阻

光電導探測器（光電導效應或內光電效應）半導體材料光子能量大于禁帶寬度材料內不導電束縛狀態(tài)的電子空穴自由電子空穴光輻射電導率變化

A．光敏電阻的結構與工作原理光敏電阻又稱光導管,它幾乎都是用半導體材料制成的光電器件。光敏電阻沒有極性,純粹是一個電阻器件,使用時既可加直流電壓,也可以加交流電壓。無光照時,光敏電阻值（暗電阻）很大,電路中電流（暗電流）很小。

當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時,它的阻值（亮電阻）急劇減少,電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好,亮電阻越小越好,此時光敏電阻的靈敏度高。實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級,亮電阻在幾千歐以下。圖為光敏電阻的原理結構。它是涂于玻璃底板上的一薄層半導體物質,半導體的兩端裝有金屬電極,金屬電極與引出線端相連接,光敏電阻就通過引出線端接入電路。為了防止周圍介質的影響,在半導體光敏層上覆蓋了一層漆膜,漆膜的成分應使它在光敏層最敏感的波長范圍內透射率最大。

原理：電阻器件，加直流偏壓，無極性無光照---電子-空穴對很少---電阻大(暗電阻)

有光照---電子-空穴對增多---導電性增強（亮電阻）光敏電阻的靈敏度易受潮濕的影響，因此要將光電導體嚴密封裝在帶有玻璃的殼體中。特點：很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價格便宜，應用廣泛。光敏面作成蛇形，電極作成梳狀可以保證有較大的受光表面，也可以減小電極之間距離，從而既可減小極間電子渡越時間，也有利于提高靈敏度。光敏電阻RGRLEIB.光敏電阻的主要參數(shù)

１）暗電阻：光敏電阻在不受光時的阻值稱為暗電阻,此時流過的電流稱為暗電流。２）亮電阻：光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻,此時流過的電流稱為亮電流。３）光電流：亮電流與暗電流之差稱為光電流。

光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好。也就是說，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越高。

實用光敏電阻的暗電阻往往超過1MΩ,甚至高達100MΩ，而亮電阻則在幾kΩ以下，暗電阻與亮電阻之比在102～106之間，可見光敏電阻的靈敏度很高。（1）光照特性用于描述光電流與光照強度之間的關系。

多數(shù)是非線性的。不宜做線性測量元件，一般用做開關式的光電轉換器。C.光敏電阻的基本特性（2）光譜特性對應于不同波長,光敏電阻的靈敏度是不同的。光譜特性光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關系稱為光譜特性,亦稱為光譜響應。硫化鎘光敏電阻的光譜響應的峰值在可見光區(qū)域,常被用作光度量測量（照度計）的探頭。硫化鉛光敏電阻響應于近紅外和中紅外區(qū),常用做火焰探測器的探頭?？梢姽鈪^(qū)幾種光敏電阻的光譜特性曲線1-硫化鎘單晶

2-硫化鎘多晶

3-硒化鎘多晶4-硫化鎘與硒化鎘混合多晶硫化鎘(CdS)單晶、多晶、硫化鎘與硒化鎘(CdSe)混合多晶，硒化鎘多晶等幾種光敏電阻的光譜特性曲線覆蓋了整個可見光區(qū)，峰值波長在515-750nm之間。尤其硫化鎘多晶的峰值波長與人眼的很敏感的峰值波長（555nm）是很接近的，因此可用于與人眼有關的儀器，例如照相機、照度計、光度計等。(3)伏安特性

所加的電壓越高，光電流越大，而且沒有飽和的現(xiàn)象。在給定的電壓下，光電流的數(shù)值將隨光照增強而增大。伏安特性在一定照度下,流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關系稱為光敏電阻的伏安特性。電阻在一定的電壓范圍內,其I-U曲線為直線，說明其阻值與入射光量有關,而與電壓、電流無關。（4）頻率特性

時間常數(shù)：光敏電阻自停止光照起到電流下降為原來的63%所需要的時間。多數(shù)光敏電阻的時間常數(shù)都很大。(5)溫度特性硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線溫度變化影響光敏電阻的光譜響應,同時,光敏電阻的靈敏度和暗電阻都要改變,尤其是響應于紅外區(qū)的硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動。因此,硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。對于可見光的光敏電阻,其溫度影響要小一些。

初制成的光敏電阻，由于電阻體與其介質的作用還沒有達到平衡，性能不穩(wěn)定。但在人工加溫、光照及加負載情況下，性能可達穩(wěn)定。光敏電阻在最初的老化過程中，阻值會有變化，但最后達到穩(wěn)定值后就不再變化。這是光敏電阻的主要優(yōu)點。光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下幾乎是無限長的。（6）穩(wěn)定性幾種光敏電阻的特性參數(shù)優(yōu)點：靈敏度高，工作電流大，無極性之分；光譜響應范圍寬，尤其對紅外有較高的靈敏度；所測光強范圍寬，可測強光、弱光。D.光敏電阻的優(yōu)缺點強光下光電轉換線性差；光電導弛豫時間長；受溫度影響大；由伏安特性知，設計負載時，應考慮額定功耗；進行動態(tài)設計時，應考慮光敏電阻的前歷效應。缺點：光伏型探測器件

一、光敏二極管二、光敏三極管三、光電池一、光敏二極管1、結構原理結構與一般二極管相似。它裝在透明玻璃外殼中,其PN結裝在管的頂部,可以直接受到光照射。光敏二極管結構簡圖和符號原理：利用PN結在施加反向電壓時，在光線照射下反向電阻發(fā)生變化的原理來工作的，當沒有光照射時反向電阻很大，反向電流很??；當有光照射時，反向電阻減小，反向電流增大。光電二極管在反向電壓下受到光照而產(chǎn)生的電流稱為光電流，光電流受入射照度的控制。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。在沒有光照射時,反向電阻很大,反向電流很小,這反向電流稱為暗電流。當光照射在PN結上時,光子打在PN結附近,使PN結附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對。它們在PN結處的內電場作用下作定向運動,形成光電流。

光敏二極管在不受光照射時,處于截止狀態(tài),受光照射時,處于導通狀態(tài)。光的照度越大,光電流越大，在光電流大于幾十微安時,光敏二極管的光電流I與照度之間呈線性關系。則當電阻R一定時，光照越強，電流越大，R上獲得的功率越大，從而實現(xiàn)了光電轉換。光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應用。RL

光PNPN光2、光電二極管的參數(shù)光電二極管的參數(shù)較多，在使用時一般只需關注最高工作電壓、光電流、光電靈敏度等主要參數(shù)即可。（1）最高工作電壓URM最高工作電壓URM是指在無光照、反向電流不超過規(guī)定值的前提下，光電二極管所允許加的最高反向電壓。使用中，不能超過此參數(shù)值。（2）光電流IL光電流IL是指在受到一定光照時，工作在反向電壓下的光電二極管中說流過的電流，約為幾十微安。一般情況下，選用光電流較大的光電二極管效果較好。（3）光電靈敏度Sn光電靈敏度Sn是指在光照下，光電二極管的光電流IL與人射光功率之比，單位為μA/μW。光電靈敏度Sn越高越好。3、光電二極管的檢測（1）光電二極管的正、負極判別光電二極管兩管腳有正、負極之分，通常，靠近管鍵或色點的是正極，另一腳是負極；較長的是正極，較短的是負極。（2）用萬用表檢測光電二極管的好壞將萬用表置“R×lK”擋，黑表筆（表內電池正極）接光電二極管正極，紅表筆接負極，測其正向電阻，應為10~20kΩ；對調兩表筆，即紅表筆接光電二極管正極，黑表筆接負極，然后用一遮光物（例如黑紙片等）將光電二極管的透明窗口遮住，這時測得的是無光照情況下的反向電阻，應為無窮大；移去遮光物，使光電二極管的透明窗口朝向光源（自然光、白熾燈或手電筒等)，這時表針應向右偏轉至幾kΩ處，這說明被測管是好的。如果在無光照和有光照時測得的反向電阻均為0或無窮大，則說明此光電二極管是壞的，不能使用。4）光電二極管的正確選用光電二極管的種類很多，而且參數(shù)相差較大，選用時要根據(jù)電路的要求。首先確定選用什么類別的，再確定選用什么型號的，最后再從同型號中選用參數(shù)滿足電路要求的光電二極管。4、PIN管結光電二極管（非放大型）

PIN管是光電二極管中的一種。在P型半導體和N型半導體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導體（耗盡層）。這樣，PN結的內電場就基本上全集中于I層中，從而使PN結雙電層的間距加寬，結電容變小，頻帶變寬。P-SiN-SiI-SiPIN管結構示意圖特點：頻帶寬，可達10GHz。在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。不足：I層電阻很大，輸出電流小，一般多為零點幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼內的商品出售。5、雪崩光電二極管(APD，放大型)

管子工作電壓很高，約100～200V，接近于反向擊穿電壓。結區(qū)內電場極強，光生電子在這種強電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應。因此，這種管子有很高的內增益，可達到幾百。響應速度特別快，帶寬可達100GHz，是目前響應速度最快的一種光電二極管。噪聲大是這種管子目前的一個主要缺點。但由于APD的響應時間極短，靈敏度很高，它在光通信中應用前景廣闊。6、光電二極管的參數(shù)光電二極管的參數(shù)較多，在使用時一般只需關注最高工作電壓、光電流、光電靈敏度等主要參數(shù)即可。1）最高工作電壓URM最高工作電壓URM是指在無光照、反向電流不超過規(guī)定值的前提下，光電二極管所允許加的最高反向電壓。使用中，不能超過此參數(shù)值。2）光電流IL光電流IL是指在受到一定光照時，工作在反向電壓下的光電二極管中說流過的電流，約為幾十微安。一般情況下，選用光電流較大的光電二極管效果較好。3）光電靈敏度Sn光電靈敏度Sn是指在光照下，光電二極管的光電流IL與人射光功率之比，單位為μA/μW。光電靈敏度Sn越高越好。二、光敏晶體管（三極管，放大型）PPNbecNNPebcRLE1、結構與原理

光敏三極管有PNP型和NPN型兩種。其結構與一般三極管很相似，具有電流增益,只是它的發(fā)射極一邊做的很大,以擴大光的照射面積,且其基極不接引線。當光線照射在基區(qū)時,會產(chǎn)生電子-空穴對,在內電場的作用下,光生電子被拉到集電極,基區(qū)留下空穴,使基極與發(fā)射極間的電壓升高,這樣便有大量的電子流向集電極,形成輸出電流,且集電極電流為光電流的β倍，因而有放大作用。

2、光電三極管的檢測（1）從外觀上檢查判別光電三極管的引腳靠近管鍵或色點的是發(fā)射極E，離管鍵或色點較遠的是集電極C，較長的管腳是發(fā)射極E，較短的管腳是集電極C。光電三極管的檢測（2）用萬用表檢測光電三極管的好壞將萬用表置于“R×1k”擋，用黑表筆接光電二極管的集電極C，紅表筆結光電三極管的發(fā)射極E。用遮光物遮住光電三極管的光窗口，由于沒有光照，光電三極管中沒有電流，其電阻值應接近無窮大；移去遮光物，將光電三極管的光窗口朝向光源，這時萬用表的指針應向右偏轉至幾kΩ或1kΩ左右，指針的偏轉大小表征光電三極管的靈敏度。3、光敏晶體管的主要特性(1)光譜特性

存在一個最佳靈敏度波長2040608010040080012001600入射光波長/nm鍺硅相對靈敏度（%）0硅的峰值波長約為0.9μm,鍺的峰值波長約為1.5μm,此時靈敏度最大,而當入射光的波長增加或縮短時,相對靈敏度也下降。一般來講,鍺管的暗電流較大,因此性能較差,故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時,一般都用硅管。但對紅外光進行探測時,鍺管較為適宜。(2)伏安特性012345外加電壓（V）20406080I（mA)2500Lx2000Lx1500Lx1000Lx500Lx與一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特性一樣。只需把光電流看作基極電流即可。光敏晶體管的光電流比相同管型的二極管大上百倍。(3)光照特性1.02.03.02004006008001000Lx0I(μA)

近似線性關系。但光照足夠大時會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。故光敏三極管既可做線性轉換元件，也可做開關元件。(4)溫度特性從特性曲線可以看出,溫度變化對光電流影響很小,而對暗電流影響很大,所以在電子線路中應該對暗電流進行溫度補償,否則將會導致輸出誤差。溫度特性光敏晶體管的溫度特性是指其暗電流及光電流與溫度的關系。(5)頻率特性減小負載電阻可以提高響應頻率，但將使輸出降低。故使用時要根據(jù)頻率選擇最佳的負載電阻。硅管的響應頻率比鍺管的好。20406080100相對靈敏度（%）f(kHZ)1101000RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ2)光電池（光生伏特型）(1)工作原理和結構光電池是一種直接將光能轉換為電能的光電器件。光電池可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。在有光線作用下光電池實質就是電源,電路中有了這種器件就不需要外加電源。光電池的工作原理是基于“光生伏特效應”。它實質上是一個大面積的PN結,當光照射到PN結的一個面,例如p型面時,若光子能量大于半導體材料的禁帶寬度,那么p型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對自由電子和空穴,電子空穴對從表面向內迅速擴散,在結電場的作用下,最后建立一個與光照強度有關的電動勢。光電池的工作原理+光PN－SiO2RLI光PN(a)光電池的結構圖(b)光電池的工作原理示意圖

在一塊N型硅片上用擴散的辦法摻入一些P型雜質(如硼)形成PN結。當光照到PN結區(qū)時，如果光子能量足夠大，將在結區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，在N區(qū)聚積負電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電