光電器件基礎 第四章 光電探測器件.pdf

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1、光電器件基礎·第四章光電探測器件§4.1光電探測的物理效應§4.2光電探測方式§4.3光電探測器的性能指標§4.4光電導探測器件§4.5光伏探測器件要探知一個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效應來記錄光輻射的。從這個意義上說，眼睛和膠片都可稱為光探測器。在光電子技術領域，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看，電學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)換成電學量來實施測量。有時，即使直接轉(zhuǎn)換量不是電學量（如溫度、體積等），最終也往往轉(zhuǎn)換成電學量的測量。凡是把光輻射量轉(zhuǎn)換為電學量（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光電探測器的物理效應通常分為兩大類：光子效應和光熱效應。這里僅討論光子效應。光子效應是指單個光子對產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應。探測器吸收光子后，將導致原子或分子內(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。因為光子能量為hν，所以光子效應對光波頻率表現(xiàn)出選擇性。對于光子直接與電子相互作用的情況，其響應速度一般

3、較快。光子效應又分為外光電效應（即光電發(fā)射效應）和內(nèi)光電效應，內(nèi)光電效應又分為光電導效應和光伏效應。當光照射物體時，光電子逸出體外的光電效應稱為外光電效應；光照射物體時，光電子不逸出體外的光電效應稱為內(nèi)光電效應。4.1.1光電發(fā)射效應在光照射下，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，能產(chǎn)生光電發(fā)射效應的物體，稱為光電發(fā)射體。光電發(fā)射效應的能量關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，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，發(fā)射體的Eφ必須很小。入射光波長大于截止波長時，無論光強有多大，照射時間有多長，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，以使到達表面的電子容易逸出；④電導率好，以便能夠通過外電源來補充光電發(fā)射失去的電子。4.1.2光電導效應光電導效應是光照引起半導體材料電導變化的現(xiàn)象。由半導體物理，在熱平衡條件下，半導體材料的導帶和價帶中維持一個熱平衡的電子濃度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體長度。半導體的電導率為σ=enμ+epμ(4.9)np如果半導體的截面積是A，則其電導（也稱熱平衡暗電導）為AG=σ(4.10)dL半導體的暗電阻為LLR==ρ(4.11)dσAA式中，ρ是半導體的電阻率。如圖4.1所示，光波照射到外加電壓的半導體上，則當光波長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，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，此時半導圖4.1半導體光電導效應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是熱平衡時的載流子濃度。因為光生載流子的存在，使半導體的電導增加了