光电实施技术第七周已授课

1、光电实施技术第七周已授课光电探测器的分类光电倍增管光电倍增管硅、锗光电二极管硅、锗光电二极管铅锡光辐射探测铅锡光辐射探测III-V族化合物探测器族化合物探测器硅、锗掺杂探测器硅、锗掺杂探测器三元合金（三元合金（HgCdTe)探测器探测器负电子亲和势半导体光电阴极负电子亲和势半导体光电阴极InGaAs光通信探测器光通信探测器GaAs/AlGaAs量子阱探测器量子阱探测器与与FET集成光探测器集成光探测器(1)(1)光电子发射探测器光电子发射探测器(2)光电导探测器(3)光伏探测器(4)光电磁探测器 光子探测器简述光子探测器简述 光电探测器的分类在光电探测器的发展中，最受重视的是入射光子和材料的电

2、子在光电探测器的发展中，最受重视的是入射光子和材料的电子发生各种相互作用的光电子效应。几乎所有情况下，所用的材发生各种相互作用的光电子效应。几乎所有情况下，所用的材料部是半导体。众多的光电子效应中，只有料部是半导体。众多的光电子效应中，只有光电子发射效应光电子发射效应、光电导效应光电导效应、光生伏特效应光生伏特效应和和光电磁效应光电磁效应得到广泛的应用。得到广泛的应用。基于光电子发射效应的器件在吸收了大于红外波长的光子能量基于光电子发射效应的器件在吸收了大于红外波长的光子能量从器件材料中的电子能逸出材料表面，这种器件称为从器件材料中的电子能逸出材料表面，这种器件称为外光电效外光电效应器件应器件

3、。 基于光电导、光伏特和光电磁效应的器件，在吸收了大于红外基于光电导、光伏特和光电磁效应的器件，在吸收了大于红外波长的光子能量以后，器件材料中出现光生自由电子和空穴，波长的光子能量以后，器件材料中出现光生自由电子和空穴，这种器件称为这种器件称为内光电效应器件内光电效应器件。(1)光电子发射探测器(2)光电导探测器(3)光伏探测器(4)光电磁探测器 1 1光子探测器光子探测器 内光电 外光电 光电子发射探测器：真空光电管、光电倍增管光电子发射探测器：真空光电管、光电倍增管。真空光电管真空光电管由光电阴极和阳极构成，用于响应要求极快场合。由光电阴极和阳极构成，用于响应要求极快场合。光电倍增管光电倍

4、增管应用最广，其内部有电子倍增系统，有很高的电应用最广，其内部有电子倍增系统，有很高的电 流增益，能检测极微弱的光辐射信号。流增益，能检测极微弱的光辐射信号。光电子发射探测器主要用于可见光，对红外响应只有：光电子发射探测器主要用于可见光，对红外响应只有：银一氧一铯光电阴极（银一氧一铯光电阴极（1.251.25微米）微米）和新发展的和新发展的负电子亲和势光电阴极（负电子亲和势光电阴极（890890纳米）纳米）只适用近红外探测。只适用近红外探测。光电子发射探测器 利用光电子发射效应的探测器光电子发射效应也称外光电效应：入射辐射使电子从光电阴极光电子发射效应也称外光电效应：入射辐射使电子从光电阴极表

5、面发射到周围的空间中，即产生光电子发射。表面发射到周围的空间中，即产生光电子发射。所需光能量取决于光电阴极的逸出功。因此，入射光所需光能量取决于光电阴极的逸出功。因此，入射光超过某个超过某个长波限长波限，光子能量低于阴极，光子能量低于阴极材料逸出功材料逸出功就不能产生光电子发射。就不能产生光电子发射。阳极接收光电阴极发射的光电子所产生的光电流正比入射辐射阳极接收光电阴极发射的光电子所产生的光电流正比入射辐射的功率。的功率。光电导效应：大多数半导体和绝缘体光照下电阻减少。光电导效应：大多数半导体和绝缘体光照下电阻减少。入射光辐射与晶格原子或杂质原子的束缚电子相互作用，入射光辐射与晶格原子或杂质原

6、子的束缚电子相互作用，产生自由电子一空穴对产生自由电子一空穴对( (本征光电导本征光电导) )、或自由电子、或自由电子/ /空穴空穴( (非非本征光电导本征光电导) )，从而使电导增加。，从而使电导增加。所激发的载流子仍保留在材料内部，光电导是内光电效应。所激发的载流子仍保留在材料内部，光电导是内光电效应。本征光电导，光子的能量要超过禁带宽度，才能激发出自本征光电导，光子的能量要超过禁带宽度，才能激发出自由电子一空穴对。因此要求由电子一空穴对。因此要求 (2) (2)光电导探测器光电导探测器 利用光电导效应的探测器利用光电导效应的探测器本征光电导体的长波限本征光电导体的长波限非本征光电导的长波

7、限非本征光电导的长波限入射光辐射与晶格原子相互作用，入射光辐射与晶格原子相互作用，产生自由电子一空穴对产生自由电子一空穴对(本征光电导本征光电导)或与杂质原子的束缚电子相互作用或与杂质原子的束缚电子相互作用产生自由电子或空穴产生自由电子或空穴(非本征光电导非本征光电导)从而使电导增加从而使电导增加本征光电导本征光电导非本征光电导非本征光电导2010.9。28周二光电导变化的机理本征光电导本征光电导 常用半导体的禁带宽度和长波限常用半导体的禁带宽度和长波限 表表2-1CdS, CdSe 可见范围铅盐：PbS PbSe PbTe红外295K多元本征 HgCdTePbSnTe三个大气窗口1-3，3-

8、58-14 77K波长越长，工作温度越低非本征光电导非本征光电导 硅、锗掺各种杂质半导体的电离能和长波限硅、锗掺各种杂质半导体的电离能和长波限 表表 2-2常用本征光电导常用本征光电导 半导体半导体PbS、PbSe、PbTe多元本征型的多元本征型的 HgCdTe工作在三个大气窗口：13m; 35m; 8 14m重要窗口，常温下物体的辐射光谱峰值位于10m，用于高空侦查高空侦查、环境监测环境监测、资源调查资源调查。探测器需冷却到干冰温度（195K） 液氮温度（77K）入射辐射使探测器的光电导发生变化，流经电路的电流发生变化，进而在负载电阻两端产生正比于入射辐射的信号光电导探测器应用电路光电导探测

9、器应用电路光伏效应是半导体受光照射产生电动势的现象。它与光伏效应是半导体受光照射产生电动势的现象。它与光电导效应不同之处，光电导效应不同之处，不仅光照后产生不仅光照后产生光生电子和空穴，光生电子和空穴，而且在内部势垒（内建电场）作用下在而且在内部势垒（内建电场）作用下在空间分离空间分离，在相，在相反方向积累。反方向积累。所有实用的光伏探测器都采用本征的光伏效应。内部所有实用的光伏探测器都采用本征的光伏效应。内部势垒可以是势垒可以是pnpn结、异质结或肖基特结，通常用结、异质结或肖基特结，通常用pnpn结实现。结实现。(3)光伏探测器 入射光子在入射光子在pn结及附近产结及附近产生电子生电子-空

10、穴对，受势垒区空穴对，受势垒区电场作用电子电场作用电子漂移漂移到到n区，区，空穴漂移到空穴漂移到p区，在区，在pn结两结两侧积累，形成电动势或反向侧积累，形成电动势或反向电流。电流。与与LED发光机理区分发光机理区分NP未加电压pn结上有一势垒；加正偏压后，势垒（内建电场）被削弱，电子向P区扩散，空穴向N区扩散，二者相遇复合发光光伏探测器短路电流和开路光电压光伏探测器短路电流和开路光电压 如果在外电路中把p区、n区连接，就产生反向短路电流如果外电路开路，光生电子和空穴分别在n区、p区积累，两端就产生电动势+除了上述简单的结型探测器外，常用的还有雪崩光电二极管、pinpin结光电二极管结光电二极管、肖特基势垒光电二极管等。光伏探测器工作模式 光导工作模式光伏工作模式III用磁场也可以将光生正负载流子分离。将半导体样品置于磁场中，磁场方向既与光辐射入射方向垂直，又与样品材料上两电极连线方向垂直；能量足够的光子人射到半导体样品上，通过本征吸收而产生电子一空穴对。由于材料的吸收作用，光强随着进