光電檢測(cè)器件工作原理及特點(diǎn)

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1、第二章光電檢測(cè)器件工作原理及特性2.1光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)光電效應(yīng)光熱效應(yīng)光物質(zhì)光電效應(yīng)光熱效應(yīng)能量轉(zhuǎn)換電熱信息檢測(cè)一、光電效應(yīng)光照射到物體表面上使物體發(fā)射電子、或?qū)щ娐拾l(fā)生變化、或產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等，這種因光照而引起物體電學(xué)特性發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)包括外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)：物體受光照后向外發(fā)射電子——多發(fā)生于金屬和金屬氧化物內(nèi)光電效應(yīng)：物體受到光照后，內(nèi)部電子能量狀態(tài)產(chǎn)生變化，但不存在表面發(fā)射電子的現(xiàn)象——多發(fā)生在半導(dǎo)體和絕緣體上內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體受光照后，內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加

2、而電阻減少的現(xiàn)象1本征光電導(dǎo)效應(yīng)本征光電導(dǎo)是指只有光子能量hv大于材料禁帶寬度Eg的入射光，才能發(fā)出電子空穴對(duì)，使材料產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)的現(xiàn)象。用公式表示為因此，本征光電導(dǎo)材料的截止波長(zhǎng)為亦即只有波長(zhǎng)小于的入射輻射才能產(chǎn)生本征光電導(dǎo)。把普朗克常數(shù)及光速代入式（2-2）有（2-1）（2-2）（2-3）本征半導(dǎo)體的光電效應(yīng)如圖2-1所示當(dāng)在垂直于電場(chǎng)方向有均勻光照入射到樣品表面，且入射光通量恒定時(shí)，樣品中流出的光電流稱為穩(wěn)態(tài)光電流。無光照時(shí)，半導(dǎo)體材料在常溫下具有一定的熱激發(fā)載流子濃度,此時(shí)材料處于暗態(tài)，具有一定的暗電導(dǎo)率。暗態(tài)下樣品的電導(dǎo)可以表示為（2-4）式中：Gd為樣品的電

3、導(dǎo)，下標(biāo)d代表暗態(tài)，σ為半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率，S為樣品橫截面的面積，L為樣品的長(zhǎng)度。L光本征半導(dǎo)體樣品圖2-1如果記樣品外加電壓為U，通過的電流為暗電流，可表示為（2-5）有光照時(shí)，樣品吸收光子能量產(chǎn)生光生載流子，此時(shí)材料處于亮態(tài)，具有亮電導(dǎo)（2-6）亮態(tài)下，樣品在外加電壓下流出的電流稱為亮電流，即（2-7）式中：I為電流，下標(biāo)l代表亮態(tài)，亮電導(dǎo)Gl與暗電導(dǎo)Gd之差稱為光電導(dǎo)Gp即（2-8）式中，Δσ為光致電導(dǎo)率的變化量。亮電流與暗電流之差稱為光電流，即（2-9）2光電導(dǎo)弛豫過程0τ圖2-2弛豫現(xiàn)象反映了光電導(dǎo)體對(duì)光強(qiáng)變化的反應(yīng)快慢程度。矩形脈沖光照下光電導(dǎo)弛豫過程如圖2-

4、2所示。常用上升時(shí)間常數(shù)τr和下降時(shí)間常數(shù)τf來描述弛豫過程的長(zhǎng)短。3710063τfτr當(dāng)輸入光功率按照正弦規(guī)律變化時(shí)，輸出光電流（對(duì)應(yīng)光生載流子濃度）與光功率調(diào)制頻率變化的關(guān)系是一個(gè)低通特性，說明光電導(dǎo)的弛豫特性限制了器件對(duì)調(diào)制頻率高的光功率的響應(yīng)。i/(%)3光電導(dǎo)增益它表示長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光電導(dǎo)體在兩端加上電壓U后，由光照產(chǎn)生的光生載流子在電場(chǎng)作用下形成的外電流與光生載流子在內(nèi)部形成的光電流之比?？杀硎緸椋?-10）式中：M為光電導(dǎo)增益；τ為器件的時(shí)間響應(yīng)；tdr為載流子在兩極間渡越時(shí)間。電極絕緣襯底引線引線光電導(dǎo)材料圖2-3光電導(dǎo)器件常作成如圖2-3所示的梳狀電極，光

5、敏面做成蛇形。常數(shù)4雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)是指雜質(zhì)半導(dǎo)體中的施主或者受主吸收光子能量后電離，產(chǎn)生自由電子或空穴，從而增加材料電導(dǎo)率的現(xiàn)象。由于雜質(zhì)光電導(dǎo)器件中施主或受主的電離能級(jí)比同材料的本征半導(dǎo)體的禁帶寬度要小很多，因此響應(yīng)波長(zhǎng)也要比本征半導(dǎo)體材料的工作波長(zhǎng)要長(zhǎng)很多。因雜質(zhì)的電離能很小，為了避免熱激發(fā)的載流子產(chǎn)生的噪聲超過光激發(fā)的信號(hào)載流子，多數(shù)雜質(zhì)半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件都必須工作在低溫狀態(tài)。光生伏特效應(yīng)：光照在半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬—半導(dǎo)體接觸面上時(shí)，會(huì)在PN結(jié)或金屬—半導(dǎo)體接觸面的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)。PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)：當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射PN結(jié)時(shí)，由于擴(kuò)散及內(nèi)建場(chǎng)的

6、作用（不加外電場(chǎng)），光生電子拉向n區(qū)，光生空穴拉向p區(qū)，相當(dāng)于PN結(jié)上加一個(gè)正電壓V，則PN結(jié)的勢(shì)壘由原有的eVD降為eVD-eV。在形成光生電動(dòng)勢(shì)的過程中，內(nèi)部電流（光生電流）的方向由N區(qū)到P區(qū)，光生電動(dòng)勢(shì)的存在使P區(qū)與N區(qū)之間出現(xiàn)正向電壓并產(chǎn)生正向注入電流，方向由P區(qū)指向N區(qū)，其值為5光生伏特效應(yīng)（2-11）PNeVDeVDPNPNeVDPNeV如果PN結(jié)有外接回路，則流經(jīng)外回路的總電流與光生電流和結(jié)電流之間的關(guān)系為（2-12）式中：V是PN結(jié)兩端電壓（包括外加電壓或光生電壓）。PN結(jié)開路時(shí)，I=0，求得開路電壓（2-13）如果負(fù)載接入外回路，電流為I，則PN結(jié)兩端的

7、電壓為（2-14）如果PN結(jié)短路，則V=0，求的短路電流就是光電流在沒有光照時(shí)，Ip=0，外加正向電壓為V時(shí)，有（2-16）（2-15）二、光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)：材料受光照射后，由于溫度變化而造成材料性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光熱效應(yīng)。在光熱效應(yīng)中，光子能量與晶格相互作用，振動(dòng)加劇，溫度升高，材料的性質(zhì)發(fā)生變化．熱釋電效應(yīng)：介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化而變化，引起表面電荷變化的現(xiàn)象．輻射熱計(jì)效應(yīng)：入射光的照射使材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象．溫差電效應(yīng)：由兩種材料制成的結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)溫差而在兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，回路中產(chǎn)生電流．1、熱釋電效應(yīng)