《光电导探测器》PPT课件.ppt

光电信号检测,第四章 光电导探测器,利用光电导效应制作的光探测器称为光电导探测器，简称PC(Photoconductive)探测器，通常又称为光敏电阻。光电导效应：光子作用于光电导材料，形成本征吸收或杂质吸收，产生附加的光生载流子，从而使半导体的电导率发生变化，这就是光电导效应。光电导效应是半导体材料的一种体效应，不需形成pn结，故又常称为无结光电探测器。与一般电阻器不同，它是有源器件，工作时要加以适当的偏流或偏压。光电导探测器可根据不同类型的光电导效应和材料差异分为本征型、杂质型、薄膜型和扫积型光电导探测器。,概述,一、光电导效应光电导效应只发生在某些半导体材料和绝缘体材料中，金属没有光电导效应。金属之所以导电，是由于金属原子形成晶体时产生了大量的自由电子。自由电子浓度是个常量，不受外界因素影响。半导体在0K时，导电载流子浓度为0。在0K以上，由于热激发而不断产生热生载流子(电子和空穴)，它在扩散过程中又受到复合作用而消失。在热平衡下，单位时间内热生载流子的产生数目正好等于因复合而消失的数目。因此在导带和价带中维持着一个热平衡的电子浓度n和空穴浓度p，它们的平均寿命分别用n和p表示。,4-1 光电导探测器的工作原理,入射光辐射与晶格原子或杂质原子的束缚电子相互作用，光子将激发出新的载流子【自由电子空穴对（本征光电导）、自由电子或空穴（非本征光电导）】，这就使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了一个量n和p，新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载流子，又称之为光生载流子。显然，p和n将使半导体的电导增加一个量G，称之为光电导。使半导体材料的电导增加的效应为光电导效应。,本征光电导：长波阈：短波阈：价带底到导带顶间的能量差。非本征光电导：Ei：杂质电离能,如果半导体的截面积是A，则其电导(亦称为热平衡暗电导)G为所以半导体的电阻Rd(亦称暗电阻)为,载流子浓度,载流子浓度,载流子迁移率：在外电场E作用下，载流子产生漂移运动，漂移速度v和电场E之比定义为载流子迁移率。,载流子的漂移运动效果用半导体的电导率来描述：,二、光电导探测器的光电转换原理,光电导材料的吸收系数为，表面反射率为R，入射光功率在材料内部沿x方向的变化为P(x),于是平均光电流为：,x处的光生载流子密度,载流子在外电场作用下的漂移速度,电极面积（Ad=wd）,电极面积元dA=wdx,n:电子的迁移率,x处的光生面电流密度为：,漂移速度v又可以表示为：,现在来求光生载流子的浓度n(x)。稳态时单位时间单位体积内的 产生率复合率，则于是,载流子平均寿命,现在来处理积分式。当P全部被吸收时（1），平均光生载流子浓度为：则，入射光功率全部被吸收产生的光电流为：定义量子效率,于是 其中，d L/v 渡越时间；G0/d 内增益，表示一个光生载流子对探测器外回路电流的有效贡献。表明光电导探测器是一个具有内增益的器件。,关于G的讨论：当G1时，表示光生载流子平均寿命0刚好等于它在电极间的渡越时间d，每产生一个光电子对外回路电流正好提供一个电子的电荷e。当G1时，表示0小于d，显然每个光电子对外回路电流的贡献将小于一个电子的电荷e。,对G1的情况，似乎光电子已渡越完毕，但其平均寿命却还未中止。这种现象可以解释为：光生电子向正极运动，空穴向负极移动，空穴在移动过程中很容易被半导体内晶体缺陷和杂质形成的陷阱所俘获。因此，当光电子在阳极消失时，空穴仍留在体内，它将负极的电子感应到半导体中来，感应到体内的电子又在电场中运动到正极，如此循环，直到正电中心（被俘获的空穴）消失。显然，这种效应相当于一个光子激发，可以有多个电子相继通过电极，因而在外回路对总的光电流的贡献将多于一个电子，相当于光电流被放大。由于载流子平均寿命0是一个统计平均值，故光电导探测器的内增益G也是一个统计平均量。,结论：光电导探测器是一个具有内增益的器件。内增益G与器件的材料、结构尺寸及外加偏压（偏流）有关。对于光生载流子平均寿命长、迁移率大的光电导材料，极间距离小的光电导探测器，G值可达到几百。,三、光电导探测器的工作模式及等效电路结构形式：偏置电路形式：,等效电路：,将光电导探测器等效为一个有源二端网络。(a)为交流等效电路，其中Ip为光电流；Rd、Cd分别为光电导探测器等效内阻和电容，R1、C1分别为放大器等效输入电阻和电容。由于光电导探测器受光照射时的亮电阻比无光照射时的暗电阻(一般约为10M以上)小得多，故图中Rd实际上就代表亮电阻。通常亮电阻与暗电阻之比约在10-210-6数量级。亮电阻与暗电阻相差越大，探测器的灵敏度就越高。,(b)为光电导探测器的直流等效电路，RL表示光电导探测器输出回路的等效负载电阻，它可以是探测器后续信号处理电阻或前置放大器的等效输入电阻。,输出电流与电压1)短路电流(RLRd)（恒压源）3)负载匹配(RLRd)时这种情况称为匹配工作状态，这时探测器输出的电功率最大，光探测系统总的光电变换效率最高。但当入射光功率在较大范围内变化，即光电导变化范围很大时，要始终保持匹配状态是困难的。,输出电流与电压讨论：1）高频工作时要考虑电容影响；2）光电流Ip与入射光功率的关系：由于半导体对光的吸收具有非线性特性。所以光电导探测器的光电流与入射光功率也将呈现非线性关系。弱入射辐射时，成简单线性强入射辐射时，成非线性（抛物线型）,一、光电导探测器的光谱特性 1.本征光电导的光谱分布：特点：单峰；两端下降；长波限不明显,4-2 光电导探测器的特性与性能参数,一、光电导探测器的光谱特性 2.杂质光电导的光谱分布：,特点：EiEg，长波限长；杂质含量少，响应率低；制冷：长波限在红外波段，使未被激发的电子和空穴处于束缚状态；长波限不明显。,二、光电导增益光电导增益：当长度为L的光电导探测器两端加上电压V后，由光照产生的光生载流子在电场作用下所形成的外部光电流与光电子形成的内部电流（eN）之间的比值，G=Ip/eN。经推导，光电导增益可写为：而,有效渡越时间,讨论：灵敏的光电导探测器，必然具有很大的增益系数，由于增益系数可看成是一个自由载流子的寿命与该载流子在光电导探测器两极间的有效渡越时间tdr之比，因此只要载流子的平均寿命大于有效渡越时间，增益就可大于1。减小电极间的间距L，适当提高工作电压，对提高G值有利。但如果L减得太小，使受光面太小，致使光电导探测器集光面积太小而不实用。若延长载流子寿命也可提高增益系数，但这样会减慢响应速度，因此，在光电导探测器中，增益与响应速度是相矛盾的。一般G值不超过103数量级。,光电导探测器的内增益与VA、n、p 有关，所以光电导探测器的响应率与所加偏压VA及载流子寿命n、p有关。偏压越高，在光电导变化相同的情况下，输出的电流(或电压)越大，响应率就越高，但随着外加偏压的升高，通过器件的电流产生的焦耳热也随之增加，所以外加偏压的增加受到器件所能承受的最大功耗的限制。,三、响应率,电流响应率：,电压响应率：,此外，载流子寿命的增加，意味着光电导器件所产生的光生载流子对回路有效电荷的贡献增大，使器件的响应率提高。为此，在实际制作器件时，往往有意在半导体中加入一些陷阱，以增大载流子寿命来提高响应率。光电导探测器的响应率还与光敏面积有关；因为在入射光功率一定时，光敏面积越大，单位体积内光吸收就越小，亦即单位体积内光生载流子产生率要减小，所以响应率下降。,增大增益系数G可以提高光谱响应率，实际上常用的光电导探测器的光谱响应率小于1AW，原因是：产生高增益系数的光电导探测器电极间距需很小，致使光电导探测器集光面积太小而不实用。若延长载流子寿命也可提高增益系数，但这样会减慢响应速度，因此，在光电导探测器中，增益与响应速度是相矛盾的。,光谱响应率：,光电流,图中所示的是典型的光谱响应率。p，c分别表示探测器的峰值响应波长和长波限(或截止波长)。在p的范围内，光谱响应随着波长的增大迅速减小，因为波长接近长波限，光子产生光电导的能力接近极限。,在p的范围内，继续减小入射光波长，可能使光在器件表面很薄的一层内完全被吸收，使表面层载流子密集，从而导致载流子复合率增大，寿命降低，会使在短波部分响应率明显降低。,不同类型的光电导探测器有不同的光谱响应波段，图示出了本征型、杂质型光电导探测器的光谱特性。杂质型的响应率低于本征型，因为杂质含量低，光电导能力差。由于杂质的电离能小于本征的禁带宽度，所以杂质的长波限本征型的长波限。,本征型,杂质型,相对响应,四、光电导的弛豫光电导是非平衡载流子效应，因此有一定的弛豫现象。从光电导的机构来看，弛豫现象表现为在光强变化时，光生载流子的积累和消失的过程。弛豫现象表现了光电导对光强变化反应的快慢。光电导的弛豫决定了在迅速变化的光强下，光电导探测器能否有效工作的问题。两种典型情况：直线性光电导光电导与光强成线性关系，很多光电导体在较低的光强下都具有这种性质；抛物线性光电导光电导与光强的平方根成正比，很多光电导体在低光强下属于直线性光电导，但在较高的光强下则为抛物线性光电导。,直线型光电导：上升：下降：,抛物线型光电导：上升：下降：,五、频率响应及响应时间由于驰豫时间的存在，其频率响应受到限制。截止频率f3dB：,讨论：一般情况下，在忽略外电路时间常数的影响下，响应时间等于光生载流子的平均寿命0。而对于杂质半导体，往往存在一些陷阱，使载流子复合几率相应减少，相当于增加了载流子寿命。此时，响应时间将不再等于载流子的平均寿命。在某些情况下，响应时间将比载流子平均寿命大23个数量级。对于光电导探测器来说，延长载流子寿命，可以增加器件的内增益，对提高器件的响应率有利，但这却使器件的响应时间增加，以至影响器件的高频性能。与光伏器件等其它光探测器相比，光电导器件增益较大而响应较慢，光电导器件适用于受光面较大、光电流与暗电流之比也较大的情况。,结论：1)延长，（影响高频性能）2)相比而言（增益高，响应慢），适于受光面积 大的情况，但是，新型光电导器件，上升时间可达几十皮秒量级。通常，CdS光敏电阻的响应时间约为几十毫秒到几秒；CdSe光敏电阻的响应时间约为10-210-3秒；PbS的响应时间约为10-4秒。,六、光电导探测器的噪声包括：热噪声、g-r噪声、1/f 噪声,1/f 噪声,g-r 噪声,热噪声,1kHz,1MHz,光电导器件的噪声功率谱,七、光电导探测器的比探测率受热噪声限制的比探测率（f 1MHz）受产生复合噪声限制比探测率（1kHz f 1MHz),八、温度特性受温度变化影响严重。主要原因：当温度升高时，热激发载流子增多，除使热噪声增加外，还使光生载流子寿命下降(复合几率增大)，从而使光电导器件响应度降低。温度升高效果：光谱响应度(下降）峰值波长（短波移动）长波限（短波移动）结论：需要（深）制冷。,九、前历效应大多数光电导探测器在稳定的光照下，其阻值有明显的漂移现象，而且经过一段时间间隔后复测阻值还有变化，这种现象称为光电导探测器的前历效应。分为短前历效应（放置时间短、光照时间短）和中前历效应（放置时间长、光照时间长）,43 实用光电导探测器件,一、本征型光电导探测器1碲镉汞（Hg1-xCdxTe）光电导探测器采用半导体合金法，将化合物CdTe和HgTe混合成合金系统。组分不同，禁带宽度是随x变化的：应用：红外波段应用，在激光雷达、激光测距、光电对抗、制导及光通信等领域得到广泛应用。,2锑化铟光电导探测器 InSb是一种直接带隙半导体，其带隙Eg很小，在室温300K时，Eg0.17ev，相应的长波限和峰值响应波长分别为7.5m和6m。当用液氮冷却至77K时，带隙增加到0.23ev，相应的长波限为5.4m，峰值响应波长为5m。通过改变器件工作温度能改变其光谱响应特性。InSb材料因其带隙小，因此被广泛用来制造性能良好的近红外探测器。这种器件虽可工作于室温，但噪声较大，故一般多在低温下工作。,3碲锡铅光电导探测器 Pb1-xSnxTe光电导探测器是PbTe和SnTe的连续固溶体，改变Sn的含量可以改变其带隙。改变工作温度对器件灵敏度也有很大影响。图中给出碲锡铅光电导探测器的光谱响应特性。PbSnTe光电导探测器是一种红外波段的快速响应器件。,4硫化镉及硒化镉光电导探测器 硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)光电导探测器对可见光敏感，又称为光敏电阻。CdS：可见光波段、X射线、射线、射线、射线均有响应；可见光区接近人眼(0.30.52m)，峰值0.67m。CdSe：与CdS相似；峰值0.67m；响应时间比CdS快。光敏电阻的特点是价格低，可靠性高，寿命长，使用方便。故被广泛应用于工业自动化及摄影机的测光装置和可见光的探测。,相对响应度,二、杂质型光电导深测器目前的杂质型光电导器件材料主要是在锗或硅中掺入杂质制作的。EiEg，所以响应波长可达几百微米的远红外波段，这是本征型光电导探测器所不能实现的。但响应率低。此外，材料中杂质复合中心的浓度会影响光生载流子的寿命，减小复合中心浓度将增大光生载流子寿命，使光电导探测器内增益增大，从而使器件的响应率提高。杂质型光电导探测器的吸收系数小，器件厚度大。,硅掺杂探测器不如锗掺杂探测器应用普遍，但可用它来制造热成像的大焦平面阵列器件。为了增加杂质光电导探侧器对辐射的吸收，提高器件的响应率，除了增加器件的厚度外，还可将器件作成全反射小室，以增加光在探测器内的路程。为了抑制热噪声，杂质光电导探测器通常要求较低的工作温度，致冷条件比较苛刻，这给使用带来极大的不便，也是远红外波段探测的困难所在。杂质光电导探测器一般都工作于弱光照，波长较长的红外探测器更是如此，用得较多的是锗掺杂红外探测器。,三、薄膜光电导探测器红外光子探测器材料除块状单晶体外，还有多晶薄膜。多晶薄膜探测器主要是指硫化铅(PbS)和硒化铅(PbSe)。室温下，PbS和PbSe对应的长波限分别为3.3m和4.6m。降低工作温度，禁带宽度减小，长波限增长。它们是13m和35m波段应用十分广泛的两种红外探测器。PbS和PbSe两种多晶薄膜在制备工艺、晶体结等方面相似。制备方法：化学沉积法、真空蒸发法和外延生长法。,PbS光电导探测器是目前l3m波段应用最广泛的器件。优点：其制备工艺简单、成熟，器件响应率高，阻抗适中，易于配接前置放大电路，并可在室温下工作。此外，该器件价格低廉，使用方便。应用：PbS光电导探测器在红外测温、红外跟踪、红外制导、红外预警、红外天文观测等领域获得广泛应用。,+,-,灵敏度（相对值）,f/Hz,PbSe光电导探测器，其响应波段是15m，PbSe在13m范围其响应速度比PbS高，但其响应率比PbS低。,四、扫积型光电导探测器（SPRITE，Singnal Processing In The Element）这种器件是将n型多元HgCdTe与集成电路配合，以光学扫描并在元件内部对电信号进行延迟、积分、同步处理的一种器件，它实现了在器件内部对信号进行更完善的处理功能。它可用于串扫或串并扫热成像系统，既完成探测辐射信号的功能，又完成信号的延迟、积分功能，大大简化了信息处理电路，从而简化了应用系统的结构，为HgCdTe探测器在串联扫描和串并联扫描热成像系统中的应用开辟了新途径。结构：每条长700m、宽62.5m、间隔12.5m、厚10m,工作原理每一长条相当于N个分立的单元探测器。N的数目由长条的长度和扫描光斑的大小决定。对于上述结构，每条相当于1114个单元，所以8条相当于100个单元探测器。每一长条有三个电极，其中两个用于加电场，另一个为信号读出电极。读出电极非常靠近负端电极，读出区的长度约为50m、宽度约为35m。当双极漂移速度与红外图像扫描速度相等时，从I区产生的非平衡少数载流子空穴在电场的作用下漂移运动到II区，此时红外图像也刚好扫描到II区。在II区又产生空穴(同时也产生电子)。红外图像在I区产生的空穴与在II区产生的空穴正好叠加。如果红外图像不断地从左向右扫描，所产生的非平衡载流子空穴在电场的作用下不断地进行漂移运动，并依次叠加，最后在读出区取出，从而实现了目标信号在探测器内的延迟与叠加。条件：1）2）,五、小结典型光电导探测器,作业,118页：5、6 题用单页纸答题作业情况记入期末成绩，约占10。3月29日（下次上课时）交,