光電器件基礎(chǔ) 第四章 光電探測器件.pdf

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1、光電器件基礎(chǔ)·第四章光電探測器件§4.1光電探測的物理效應(yīng)§4.2光電探測方式§4.3光電探測器的性能指標(biāo)§4.4光電導(dǎo)探測器件§4.5光伏探測器件要探知一個(gè)客觀事物的存在及其特性，一般是通過測量被探測者所引起的某種效應(yīng)來完成的。對于光輻射的探測也是如此。例如動物的眼睛是通過光輻射對眼睛產(chǎn)生的生物視覺效應(yīng)來得知光輻射的存在及其特性的；照相底片是通過光輻射對膠片的化學(xué)效應(yīng)來記錄光輻射的。從這個(gè)意義上說，眼睛和膠片都可稱為光探測器。在光電子技術(shù)領(lǐng)域，光探測器有它的特有含義：凡是能把光輻射量轉(zhuǎn)換成另一種便于測量的物理量的器件，都稱為光探測器。不過從近代測量技術(shù)看，電學(xué)量的測量不僅最方便，

2、而且最精確，所以大多數(shù)光探測器都是把光輻射量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量來實(shí)施測量。有時(shí)，即使直接轉(zhuǎn)換量不是電學(xué)量（如溫度、體積等），最終也往往轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的測量。凡是把光輻射量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量（電流或電壓）的光探測器，都稱為光電探測器?！?.1光電探測的物理效應(yīng)光電探測器的物理效應(yīng)通常分為兩大類：光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)。這里僅討論光子效應(yīng)。光子效應(yīng)是指單個(gè)光子對產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應(yīng)。探測器吸收光子后，將導(dǎo)致原子或分子內(nèi)部的電子狀態(tài)發(fā)生改變，并且光子能量大小將直接影響電子狀態(tài)改變的情況。因?yàn)楣庾幽芰繛閔ν，所以光子效應(yīng)對光波頻率表現(xiàn)出選擇性。對于光子直接與電子相互作用的情況，其響應(yīng)速度一般

3、較快。光子效應(yīng)又分為外光電效應(yīng)（即光電發(fā)射效應(yīng)）和內(nèi)光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光伏效應(yīng)。當(dāng)光照射物體時(shí)，光電子逸出體外的光電效應(yīng)稱為外光電效應(yīng)；光照射物體時(shí)，光電子不逸出體外的光電效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。4.1.1光電發(fā)射效應(yīng)在光照射下，物體向表面的外空間發(fā)射電子（即光電子）的現(xiàn)象，稱為光電發(fā)射效應(yīng)，能產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體，稱為光電發(fā)射體。光電發(fā)射效應(yīng)的能量關(guān)系由著名的愛因斯坦方程描述，即E=hν?E(4.1)K?式中，EK表示電子離開發(fā)射體表面時(shí)的動能，hν是光子能量，Eφ是光電發(fā)射體的功函數(shù)（逸出功、脫出功）。上式表明，如果發(fā)射體內(nèi)電子所吸收的光子能量hν大于發(fā)射體的

4、功函數(shù)Eφ，則電子就能從發(fā)射體表面逸出，并具有相應(yīng)的動能。光電發(fā)射的條件為E?ν≥=ν(4.2)Ch或者用波長表示為hcλ≤=λ(4.3)CE?60式中，等號表示電子剛好能逸出表面但速度為零，這時(shí)的νC和λC分別稱為產(chǎn)生光電發(fā)射的入射光波的截止頻率和截止波長。波長的單位為μm或nm時(shí)，上式可表示為1.24λ(μm)=，(4.4)CE?1240λ(nm)=(4.5)CE?要使波長較長的光輻射產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)，發(fā)射體的Eφ必須很小。入射光波長大于截止波長時(shí)，無論光強(qiáng)有多大，照射時(shí)間有多長，都不會有光電子發(fā)射。光電發(fā)射大致可分為三個(gè)過程：①光射入到物體后，物體中的電子吸收光子能量，從基態(tài)

5、躍遷到激發(fā)態(tài)；②受激發(fā)電子從受激處出發(fā)，向表面運(yùn)動，其間必然要同其他電子或晶格發(fā)射碰撞而失去部分能量；③到達(dá)表面的電子克服表面勢壘對其的束縛，逸出形成光電子。由此得到光電子發(fā)射對陰極材料的要求：①對光的吸收要大，以便體內(nèi)有較多的電子受激發(fā)射；②電子受激發(fā)生在表面附近，以使碰撞損失盡量小；③材料逸出功小，以使到達(dá)表面的電子容易逸出；④電導(dǎo)率好，以便能夠通過外電源來補(bǔ)充光電發(fā)射失去的電子。4.1.2光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)是光照引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象。由半導(dǎo)體物理，在熱平衡條件下，半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶和價(jià)帶中維持一個(gè)熱平衡的電子濃度n和空穴濃度p，它們的平均壽命分別為τn和τp，且滿足2

6、np=n(4.6)i式中，ni是一定溫度下半導(dǎo)體材料的本征載流子濃度。在外電場E的作用下，載流子產(chǎn)生漂移運(yùn)動，漂移速度v和電場E之比，定義為載流子的遷移率μ，有vvLnnμ==(4.7)nEVvvLppμ==(4.8)pEV式中，V是外加電壓，L是電壓方向上的半導(dǎo)體長度。半導(dǎo)體的電導(dǎo)率為σ=enμ+epμ(4.9)np如果半導(dǎo)體的截面積是A，則其電導(dǎo)（也稱熱平衡暗電導(dǎo)）為AG=σ(4.10)dL半導(dǎo)體的暗電阻為LLR==ρ(4.11)dσAA式中，ρ是半導(dǎo)體的電阻率。如圖4.1所示，光波照射到外加電壓的半導(dǎo)體上，則當(dāng)光波長λ滿足1.24λ(μm)≤λ=（本征）(4.12)CE(eV

7、)g611.24λ(μm)≤λ=（摻雜）(4.13)CE(eV)i時(shí)，入射光子將在其中激發(fā)出新的載流子（電子和空穴）。上式中，Eg是禁帶寬度，Ei是雜質(zhì)能級差值。由于光照而在半導(dǎo)體中產(chǎn)生的載流子，稱為光生載流子。光生載流子的濃度為Δn和Δp，是非平衡載流子。光生載流子疊加在原來熱平衡載流子濃度之上，此時(shí)半導(dǎo)圖4.1半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)體材料中總的載流子濃度分別為n=n0+Δn和p=p0+Δp，其中n0和p0是熱平衡時(shí)的載流子濃度。因?yàn)楣馍d流子的存在，使半導(dǎo)體的電導(dǎo)增加了