第六章光电导探测器

1、特点：光敏电阻有源器件：偏压 偏流（此两个参数会影响光电导的工作参数）分类：本征型、杂质型、薄膜型、扫积型4-1光电导探测器的工作原理一、光电导效应：1.定义：光作用于光电导材料，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。具体分析：. 对于本征半导体：见图4-1 没有光照：主要是价电子在价带中少量热激发电子导带Eg不导电，有光照：电子+ 突破Eg 价带 长波阈： 入射波长超过长波阈，会产生热电效应。gER ggchchEhEgR,Eh短波阈： Eg 价带宽导带宽=入射波长比短波阈短时，电子逸出.对于杂质半导体：n型：施主能带接近导带 只需少量能量即可产生光电子

2、p型：受主能带接近价带2.表征光电导效应的主要参数光电导体的灵敏度：在一定的光强下光电导的强弱，用G表示： 量子产量 光生载流子寿命 载流子在光电导两极间的渡越时间:Lt/LGtchh短: 光电导体两极间距 迁移率 外加电压（电源电压） 设计时有重要意义如果在杂质半导体中有空穴和电子，则：2/LtlU:U,lG l: l2()nnppUGl 2UGl光电导的弛豫：由于是非平衡载流子效应，具有弛豫效应。定义：弛豫时间弛豫时间：光照开始和光照停止时，光电导上升或下降的时间。响应时间响应时间：反映了光电导对周期性变化信号的反映能力。分类：直线性光电导直线性光电导：光电导(光生载流子的密度）与光强成线

3、性关系。 Si，Ge，PbO等材料至少在较低的光强下成立。抛物线性光电导抛物线性光电导：光电导(光生载流子的密度）与光强的平方根成正比 一般的，在较低光强下，光电导为直线型光电导； 在较高光强下，为抛物线型光电导。具体地：A：对直线型光电导：光生载流子密度与In成正比： 光电导体对光的吸收系数。将上式对时间微分，并计算得：见图4-2当 时，光电流上升到饱和值的 或下降到饱和值的 ，上升和下降时对称的， 为直线性光电导的弛豫时间，和光强无关。/Inn:/ tnnIe t1(1)e1et:B：抛物线型光电导：（其中b为比例系数）上升段，对光电导进行微分：光照取消后：决定光电导下降的微分方程：2()

4、nbnI1/21/2(/ )tanh()nnn IbIbt2()/()dndtbn 1/21/21()()1()nnInbIbt 上升、下降曲线如图4-3所示：下降段为双曲线性衰减非线性光电导的弛豫时间很复杂，上升下降不对称。近似为：对于光照开始的上升段： 时，光电导增加到定值的0.76对于光照停止的下降段： 时，光电导减小到定值的一半 和光照强弱有关 1/21()Inbtt,nI 短讨论：光生载流子的定态值是 的乘积 产生率 弛豫时间：此矛盾要折衷选取。3.光电导的光谱分布：A 本征：光电导大小和波长密切相关，见图4-4是本征半导体光谱分布。它们是等量子曲线或叫等能量曲线。2UGl小小，G小

5、；惯性小灵敏度小大大，G大；惯性大灵敏度高： 等量子：指对不同的波长，以光量子计算的光强是相等 的，是在相同的光子流之下测量的结果。 等能量：指不同的波长下，所用的光能量流是相等的，短 波 小，相同能量下，光子数少。曲线的共同特点：长波限处曲线直线下降原因？ 能量Eg确定长波限的方法：Moss认为：光电导下降到一半的波长为长波限。短波方向：原理上：实际上：短逐渐下降，光生载流子集中于表面。由于表面能级，表面复合与电极相等的作用，光电导h大大短波平缓B：杂质：总体：由于杂质的电离能比禁带宽度小，所以其光谱响应的波长比本征光电导的长。杂质的原子数目比起半导体材料本身的原子数目来小得多 其光电导效应

6、相对于本征半导体来说要微弱得多。杂质电离能小，长波限长适合探测红外。 但为了减少暗电流，使常温下的电子空穴处于束缚状态，要在低温下工作。曲线：右的陡进：本征光电导开始 左的下降：杂质半导体的长波限 见图4-5 此位置不是垂直的二、光电导探测器的工作原理1.光电导探测器的光电流图4-6：光电导探测器的简单模型已知光电导的几何参数 入射光功率P,外电压V则入射光功率在材料内部沿x方向的变化为： 吸收系数 表面反射率( )(1)xP xPR e,l,dR :：由于P随x的变化而变化所以光生载流子的统计平均值也应是x的函数。设n(x)是x处光生载流子浓度，则在外加电场的作用下该处的漂移电流密度J(x)

7、为：其中：为光生载流子在外加电场E的作用下的漂移速度。 :电子迁移率 L :电极间的距离光电探测器的平均光电流: :探测器的电极面积/nnAvEVLnAd( )(x)J xenv( )dAdpAIJ x在均匀照射的情况下：由公式4.1-2123得：当时，探测器体内的平均光生载流子浓度：4.1-27得到的计算公式则：结论公式光电导探测器是一个具有内增益的器件 d0evn(x)dxpIx0P(1 R)en(x)hv L00PnL h v0nAp02ePV dI=hvL 1peIGPhv0dG=材料 结构尺寸可达到几百外加偏压2.光电导探测器的工作模式及等效电路A：结构和偏置电路 图4-7，4-80

8、G光电导探测器可以等效为一个有源两端网络：图4-9 (a)中 光电导探测器等效内阻和电容 放大器等效输入电阻和电容一般：一般认为：亮电阻与暗电阻相差越大，探测器的灵敏度越高。(b)为直流通路 放大器等效为RL和VA串联10M暗R26(1010RR亮暗）ddRCiiRCdRR亮10RM暗B:不同情况下(RL),探测器的输出电流和电压(a)短路电流ISC 时,外电流短路，输出电流： 探测器等效为一个内阻很大的恒流源。(b)开路电压当负载电阻 时，探测器输出电压近似等于开路电压：此时的探测器可等效为一个内阻为零的恒压源。(c)负载匹配时探测器的输出电压：当 时，满足负载匹配条件，称为匹配工作状态。L

9、dRRSCeIGPhOCpdLeV=I R =GPRhLdR =RLdRR此时：此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。小结：半导体对光的吸收具有非线性 光电探测器的光电流与入射光功率将呈现非线性关系。当光线较弱时，可认为是线性关系。 当光线(入射光)功率较大时，将出现非线性特性。LdLppLLdR R1V =I=I RR +R22LVPR，LLdP / R0RR4-2光电导探测器的性能参数一、光电导增益 载流子的平均寿命 载流子的渡越时间含义：长度为L的光电导体两端加上电压后，由光照产生的光生载流子在电场的作用下所形成的外部光电流与光电子形成的内部光电流(qN)之间的比值。经4-2-16的计算可得：由于材料电导率的变化，引起的光电流为：0dG/0:d:Apnnpp2qNVI =(+)L 光电导增益：分别为电子增益系数和空穴增益系数:代入 公式:将空穴和自由电子的效果综合考虑，则：讨论：灵敏的光电导探测器，必然有很大的增益系数pAnnppAppAnnnp222IV (+)VVG=GGqNLLL 2nAnnnAnLLLLtUEULnGnnnG/ tdrGtnntG1时，2AnnUGL GL受光面积小，不利3G=10 数量级光电导器件的量子效率：和材料的反射率、吸收率、和厚度有关。 二、光电探