第三章探测器

1、3.3 光探测器性能参数n光电特性和光照特性光电特性和光照特性v光电特性光电特性当光电器件上的电压一定时，当光电器件上的电压一定时，光电光电流流与入射在光电器件上的与入射在光电器件上的光通量光通量之间的关系。之间的关系。v光照特性光照特性光电流光电流与入射在光电器件上的与入射在光电器件上的光照光照度度之间的关系。之间的关系。v线性度线性度探测器的输出光电流探测器的输出光电流与输入光的辐射通量成比例的程与输入光的辐射通量成比例的程度和范围。度和范围。线性区的下限由暗电线性区的下限由暗电流和噪声等因素决定，而上限通流和噪声等因素决定，而上限通常由饱和效应可过载决定。常由饱和效应可过载决定。（2）光

2、谱特性）光谱特性v光谱响应度：光谱响应度：就是指不同波长处的响应能力，又就是指不同波长处的响应能力，又称为光谱灵敏度。称为光谱灵敏度。v如果探测器对波长为如果探测器对波长为的光辐射通量的光辐射通量 产生的输出产生的输出电流为电流为Ip，则其光谱响应度为：，则其光谱响应度为：( )( )( )pVeVS( )( )( )pIeIS类似有：v光电流或输出电压光电流或输出电压与入射与入射光波长光波长之间的关系。之间的关系。 积分灵敏度积分灵敏度v指的是在一定条件下，单位光（辐射）量所产生指的是在一定条件下，单位光（辐射）量所产生的光电流（电压）大小。的光电流（电压）大小。 v由于各种器件使用的范围及

3、条件不一致，因此灵由于各种器件使用的范围及条件不一致，因此灵敏度有各种不同的表示法。敏度有各种不同的表示法。A/lm or A/W or V/W。pVVSPpIISPv光谱灵敏度与积分响应度的关系：光谱灵敏度与积分响应度的关系：( )SSd光谱响应特性曲线光谱响应特性曲线v光谱响应曲线：光谱响应曲线： 或或 v相对光谱响应曲线：最大值归一化为相对光谱响应曲线：最大值归一化为1；v峰值波长：响应率最大值所对应的波长；峰值波长：响应率最大值所对应的波长；v截止波长：响应率下降到最大值的一半所对截止波长：响应率下降到最大值的一半所对 应的波长；它表示探测器适用的波长应的波长；它表示探测器适用的波长

4、范围。范围。( )VS)(IS(3)(3) 等效噪声功率和探测率等效噪声功率和探测率 探测器无信号输入时，也会有噪声输出。若假探测器无信号输入时，也会有噪声输出。若假设此有效噪声值是相当功率的输入信号造成的，则设此有效噪声值是相当功率的输入信号造成的，则此功率值可作为探测器的噪声水平的衡量。此功率值可作为探测器的噪声水平的衡量。NNIpIINEPSIP 是可测的信号功率最小值；是可测的信号功率最小值； 是单位信噪比的入射光功率；是单位信噪比的入射光功率； NEP越小，探测器越灵敏。越小，探测器越灵敏。NNVpIINEPSVPv用用NEP的倒数作为衡量探测器最小可探测能力的参的倒数作为衡量探测器

5、最小可探测能力的参数，是单位入射功率相应的信噪比，并称之为数，是单位入射功率相应的信噪比，并称之为探测探测度度，用，用D来表示：来表示： 为了便于对不同面积和不同工作带宽的器件进行比为了便于对不同面积和不同工作带宽的器件进行比较，因此引入较，因此引入归一化探测率归一化探测率D* （比探测率），（比探测率），其其值为值为 式中：式中：A A为器件接收面积，为器件接收面积，ff为工作带宽。为工作带宽。 D越高，探测器的灵敏度越高，性能越好。越高，探测器的灵敏度越高，性能越好。NEPD1fADD（4 4）响应时间）响应时间v探测器对变化信号响应探测器对变化信号响应快慢快慢的能力。的能力。v当光辐射突

6、然当光辐射突然照射照射或或消失消失时，探测器的输出信号时，探测器的输出信号不会立即到达不会立即到达最大值最大值或下降为或下降为零零，而是出现变化，而是出现变化缓慢的缓慢的上升上升沿和沿和下降下降沿。上升或下降的时间就是沿。上升或下降的时间就是弛豫时间，或称为响应时间或时间常数（惰性）。弛豫时间，或称为响应时间或时间常数（惰性）。这种弛豫现象表现了光电探测器对光强变化反应这种弛豫现象表现了光电探测器对光强变化反应的快慢。的快慢。v对周期变化的光强，光电器件的弛豫时间对周期变化的光强，光电器件的弛豫时间如果比周期长得多，那么就不能反映光强如果比周期长得多，那么就不能反映光强的变化。的变化。v实际器

7、件实际器件的响应的响应都具有滞后现象（惰性）都具有滞后现象（惰性）。v起始弛豫（上升时间）定义为响应值上升至稳定值起始弛豫（上升时间）定义为响应值上升至稳定值时所需的时间时所需的时间 ，此值约为，此值约为63%；v衰减弛豫（下降时间）定义为响应值下降至稳定值衰减弛豫（下降时间）定义为响应值下降至稳定值的的 时所需的时间，此值约为时所需的时间，此值约为37%。v这些上升或下降的时间就表示了器件惰性的大小。这些上升或下降的时间就表示了器件惰性的大小。e11 e1cf210.370.631上升时间下降时间（5）探测器的探测能力）探测器的探测能力v噪声噪声 N：除探测信号之除探测信号之外的测量值外的测

8、量值。v信噪比：信噪比：v为了提高信噪比，可增为了提高信噪比，可增大信号值或减小噪声大大信号值或减小噪声大小。小。)(tunt0NSSNR 显然，无法用预先确知的时间函显然，无法用预先确知的时间函数来描述它。数来描述它。长时间看，噪声电压从零向上涨长时间看，噪声电压从零向上涨和向下落的机会是相等的，其时和向下落的机会是相等的，其时间平均值一定零。所以用时间平间平均值一定零。所以用时间平均值无法描述噪声大小。均值无法描述噪声大小。然而，噪声本身是统计独立的，然而，噪声本身是统计独立的，所以能用统计的方法来描述。所以能用统计的方法来描述。按噪声产生的原因，可分为以下几类：按噪声产生的原因，可分为以

9、下几类： 1 1、外部原因外部原因( (干扰干扰) )：人为噪声；人为噪声； 自然噪声。自然噪声。 通过屏蔽、遮光、背景扣除等手段减少通过屏蔽、遮光、背景扣除等手段减少 2 2、内部原因内部原因( (噪声噪声) )：热噪声；热噪声；散粒噪声；散粒噪声； 暗电流噪声；产生复合噪声；暗电流噪声；产生复合噪声；1/f噪噪 声；温度噪声；量子（辐射）噪声；放声；温度噪声；量子（辐射）噪声；放 大器噪声。大器噪声。几种常见噪声的产生原因及其表示方法几种常见噪声的产生原因及其表示方法热噪声热噪声：热噪声是由导体或半导体中载流子随：热噪声是由导体或半导体中载流子随机热激发的波动而引起的无偏压下的起伏电动势、

10、机热激发的波动而引起的无偏压下的起伏电动势、或起伏电流。或起伏电流。 v 注意注意 ：热噪声虽然是温度热噪声虽然是温度T T的函数，但并不是温的函数，但并不是温 度变化引起的温度噪声。度变化引起的温度噪声。 属于属于“白噪声白噪声”。即：热噪声的大小与频率的高。即：热噪声的大小与频率的高低无关。低无关。v措施：降低温度措施：降低温度T；压缩带宽；压缩带宽fkTRun 42RfkTin42f2 2、散粒噪声：由于、散粒噪声：由于粒子的随机性粒子的随机性出现而构成的噪声。出现而构成的噪声。 随机事件有：物体辐射的或接收的光子数；阴极随机事件有：物体辐射的或接收的光子数；阴极发射的电子数；半导体中的

11、载流子数；光电倍增发射的电子数；半导体中的载流子数；光电倍增器的倍增系数等。器的倍增系数等。 散粒噪声的大小取决于：散粒噪声的大小取决于： 注意：注意： 属于白噪声。属于白噪声。 措施：减小背景光；压缩带宽措施：减小背景光；压缩带宽fqIin 22f3、暗电流噪声暗电流噪声 许多传感器，即使没有信号输入，也有电流许多传感器，即使没有信号输入，也有电流输出。产生的机理随器件不同而不同，如：场致输出。产生的机理随器件不同而不同，如：场致发射、热激发载流子等。发射、热激发载流子等。 属于白噪声。属于白噪声。 措施：降低温度措施：降低温度T；压缩带宽；压缩带宽fqIin 22f4、 1/f噪声噪声 1

12、/f噪声又称为噪声又称为闪烁闪烁或或低频噪声低频噪声。这种噪声是由于。这种噪声是由于光敏层的微粒光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质不均匀或不必要的微量杂质的存在，的存在，当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。噪声的电流与电压均方值分别为电爆脉冲。噪声的电流与电压均方值分别为 ： 2 2； ： 0.8-1.5; 0.8-1.5; ：比例常数。：比例常数。 工作频率越低，工作频率越低，1/f 1/f 噪声越大。噪声越大。ffIKif2ffRIKuf2fK3.4 光伏效应及其器件光伏效应及其器件v光生伏特效应光生伏特效应是光照使不均匀半导

13、体或均匀半导是光照使不均匀半导体或均匀半导体中产生光生电子体中产生光生电子-空穴对，并在空间分开而产生空穴对，并在空间分开而产生电位差电位差的现象。即将光能转化成电能。的现象。即将光能转化成电能。v不均匀半导体：不均匀半导体：由于半导体对光的吸收，内建电由于半导体对光的吸收，内建电场使载流子定向运动而产生电位差。（像场使载流子定向运动而产生电位差。（像PN结、结、异质结、异质结、肖特基结）肖特基结）v均匀半导体：均匀半导体：无内建电场，半导体对光的吸收后，无内建电场，半导体对光的吸收后，由于载流子的扩散速度不同，导致电荷分开，产由于载流子的扩散速度不同，导致电荷分开，产生的光生电势。如丹倍效应

14、和生的光生电势。如丹倍效应和光磁电效应光磁电效应 。3.4.1 光伏效应光伏效应热平衡下热平衡下P-N结模型及能带图结模型及能带图耗尽区、阻挡层耗尽区、阻挡层空间电荷区、空间电荷区、扩散扩散内建电场内建电场漂移漂移vP-N结的形成：（一）热平衡状态下的（一）热平衡状态下的PN结结 PN结的电流方程：结的电流方程：(推导过程略) U0 ,第一项迅速增大，代表正向电流；第一项迅速增大，代表正向电流；U=0, 等于零，代表平衡状态；等于零，代表平衡状态；UI0时，时，00ln()ln()PIocIS EkTkTUqIqI0ln()lnIkTS EIq110ln()lnOCIkTUS EIq220ln

15、()lnOCIkTUS EIq2211lnOCOCEkTUUqE室温时室温时 ，26kTmVq240031026 ln317.5300OCUmVl光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结结,利用利用光生伏特效应光生伏特效应制成。制成。二、光电二极管二、光电二极管v在无光照时，若给在无光照时，若给PN结加上一个适结加上一个适当的反向电压，则反向电压加强了当的反向电压，则反向电压加强了内建电场，使内建电场，使PN结空间电荷区拉宽，结空间电荷区拉宽，势垒增大；势垒增大；v当被光照时，在结区产生的光生载当被光照时，在结区产生的光生载流子被加强了的内建电

16、场拉开，光流子被加强了的内建电场拉开，光生电子被拉向生电子被拉向N区，光生空穴被拉区，光生空穴被拉向向P区，于是形成了以少数载流子区，于是形成了以少数载流子漂移运动为主的光电流。漂移运动为主的光电流。PNhIpE反E内l与普通二极管相比与普通二极管相比:共同点：一个共同点：一个PN结，单向导电性结，单向导电性不同点：不同点： （1）受光面大，）受光面大，PN结面积更大，结面积更大，PN结深度较浅结深度较浅 （2）表面有防反射的）表面有防反射的SiO2保护层保护层 （3）外加负偏压）外加负偏压v与光电池相比与光电池相比：共同点：均为一个共同点：均为一个PN结，利用光生伏特效结，利用光生伏特效 应

17、，应， SiO2保护膜保护膜不同点：不同点： （1）光敏面面积比光电池的小，因此光电流比光电池的）光敏面面积比光电池的小，因此光电流比光电池的小，一般为数微安到数十微安。小，一般为数微安到数十微安。 （2）制作衬底材料的掺杂浓度：光电池较高）制作衬底材料的掺杂浓度：光电池较高1016 1019原子数原子数/cm3，硅光电二极管偏低，硅光电二极管偏低10121013原子数原子数/cm3 。 （3）光电池的电阻率低（）光电池的电阻率低（0.1 0.01 /cm),而硅光电二极而硅光电二极管的电阻率较高，为管的电阻率较高，为1000 /cm （4）光电池在零偏压下工作，光电二极管更常在反偏压）光电池

18、在零偏压下工作，光电二极管更常在反偏压下工作。下工作。v分类分类v按材料分按材料分，光电二极管有硅、砷化稼、锑化锢、铈化铅光电二极管等许多种。v按结特性：按结特性：PN结（扩散层、耗尽层）、结（扩散层、耗尽层）、PIN结结 、异质结、肖特基结异质结、肖特基结v按结构分按结构分，也有同质结同质结与异质结异质结之分。其中最典型的还是同质结硅光电二极管。v国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。v2CU系列以N-Si为衬底， 2DU系列以P-Si为衬底。v结构结构用高阻用高阻N（P）型硅作为基）型硅作为基片，其电阻率约为片，其电阻率约为1K cm，然后在基片表面进行然后

19、在基片表面进行P掺杂掺杂（N掺杂：用磷扩散）形成掺杂：用磷扩散）形成NP结构。结构。P（N）区扩散得）区扩散得很浅约为很浅约为1 m左右，而空间左右，而空间电荷区较宽，故保证了大部电荷区较宽，故保证了大部分光子入射到耗尽层内。在分光子入射到耗尽层内。在光敏面上涂上一层硅油保护光敏面上涂上一层硅油保护膜，既可保护光敏面又可增膜，既可保护光敏面又可增加对光的吸收率。加对光的吸收率。v光电二极管的电路光电二极管的电路 光电二极管的用法只能有两种。光电二极管的用法只能有两种。v一种是不加外电压，直接与负载相接。一种是不加外电压，直接与负载相接。v另一种是加反向电压，如图所示。另一种是加反向电压，如图所

20、示。 a) 不加外电源不加外电源 b) 加反向外电源加反向外电源 c) 2DU环极接法环极接法v实际上，不是不能加正向电压，只是正接以后就与普通二实际上，不是不能加正向电压，只是正接以后就与普通二极管一样，只有单向导电性，而表现不出它的光电效应极管一样，只有单向导电性，而表现不出它的光电效应。 v基本特性基本特性1.光照特性光照特性v伏安特性伏安特性v光电流与照度的关系光电流与照度的关系;v线性好线性好;v光电流较小光电流较小;v灵敏度低。灵敏度低。0250500750 1000 1250102030405060E)( AI1515V反向偏压时的光照特性曲线反向偏压时的光照特性曲线v反向偏压与

21、光电流之反向偏压与光电流之间的关系间的关系;v频率特性频率特性v温度特性温度特性是半导体光电器件中最好的一种，与下列因素有关：是半导体光电器件中最好的一种，与下列因素有关：结电容（小于结电容（小于20F) 和杂散电容；和杂散电容；光生载流子在薄层中的扩散时间及光生载流子在薄层中的扩散时间及PN结中的漂移时结中的漂移时间间 ;硅光电二极管的光电流和暗电流随温度的变化而变化；硅光电二极管的光电流和暗电流随温度的变化而变化；温度升高，信噪比降低温度升高，信噪比降低；象限探测器象限探测器 利用集成电路光刻技术利用集成电路光刻技术,将一个圆形或方形的光敏面窗口将一个圆形或方形的光敏面窗口分隔成几个面积相

22、等、形状相同、位置对称的区域（背分隔成几个面积相等、形状相同、位置对称的区域（背面仍为整片），每一个区域相当于一个光电器件，在理面仍为整片），每一个区域相当于一个光电器件，在理想情况下，每个光电器件应有完全相同的性能参数。想情况下，每个光电器件应有完全相同的性能参数。n作用：确定光点在二维平面上的位置坐标，一般用于准作用：确定光点在二维平面上的位置坐标，一般用于准 直、定位、跟踪等方面。直、定位、跟踪等方面。 特殊结型光电二极管特殊结型光电二极管PIN型光电二极管型光电二极管 PIN管又称管又称快速光电二极管快速光电二极管。在原理上和普通光电。在原理上和普通光电二极管一样，都是基于二极管一样，

23、都是基于PN结的光电效应工作的。所不结的光电效应工作的。所不同的是它的结构，同的是它的结构，在在P型半导体和型半导体和N型半导体之间夹着型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体一层（相对）很厚的本征半导体。 这样，这样，PN结的内电场就基结的内电场就基本上全集中于本上全集中于I层中，从而层中，从而使使PN结双电层的间距加宽，结双电层的间距加宽，结电容变小。由于工作在结电容变小。由于工作在反偏，随着反偏电压的增反偏，随着反偏电压的增大，结电容变得更小。大，结电容变得更小。v由式由式 = CfRL与与f = 1/2知，知，Cf小，小，则小，频则小，频带将变宽。因此，这种管子的特点是：带将变宽。

24、因此，这种管子的特点是：频率响应快频率响应快，目前，目前PIN光电二极管的结电容一光电二极管的结电容一般为零点几到几个微微法，响应时间为般为零点几到几个微微法，响应时间为1-3ns，最高达最高达0.1ns；频带宽频带宽，可达，可达10GHz；因为因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，反向电压，线性输出范围宽线性输出范围宽。；。； I层较厚，又工作在反偏，使结区耗尽层厚度层较厚，又工作在反偏，使结区耗尽层厚度增加，增加，提高了对光的吸收和光电变换区域，使提高了对光的吸收和光电变换区域，使量子效率提高量子效率提高；I.增加了对长波的吸收，提高了长波的灵

25、敏度，增加了对长波的吸收，提高了长波的灵敏度，其响应波长范围其响应波长范围0.4-1.1m。雪崩型光电二极管（雪崩型光电二极管（avalanche photodiode)avalanche photodiode)nAPDAPD是具有是具有内部倍增放大作用内部倍增放大作用的光电二极管，利的光电二极管，利用用PNPN结势垒区的结势垒区的高反向电压下高反向电压下强电场作用产生强电场作用产生载流子的雪崩倍增而得到。载流子的雪崩倍增而得到。n工作过程：工作过程： 光子入射到耗尽区后激发出电子光子入射到耗尽区后激发出电子- -空穴对，被激发的空穴对，被激发的电子和空穴在在电子和空穴在在强电场强电场的作用下

26、获得很大的动能，其在高的作用下获得很大的动能，其在高速运动过程中与晶体的晶格原子碰撞，使晶格原子电离产速运动过程中与晶体的晶格原子碰撞，使晶格原子电离产生生二次电子空穴对二次电子空穴对，称为碰撞电离过程。此过程多次重复，称为碰撞电离过程。此过程多次重复，象象“雪崩雪崩”一样继续下去。如此电离产生的载流子数远远一样继续下去。如此电离产生的载流子数远远大于初始光激发产生的载流子数，从而反向电流也迅速增大于初始光激发产生的载流子数，从而反向电流也迅速增大形成血本倍增效应。大形成血本倍增效应。n当电压等于反向击穿电压时当电压等于反向击穿电压时(约约100200V) ，电流增益可，电流增益可达达106，

27、即产生所谓的自持雪崩。，即产生所谓的自持雪崩。n结构：为了实现雪崩过程，基片杂质浓度很高，结构：为了实现雪崩过程，基片杂质浓度很高，使之容易碰撞电离；片子厚度较薄，保证较高的使之容易碰撞电离；片子厚度较薄，保证较高的电场强度电场强度n这种管子响应速度特别快，带宽可达这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前，是目前响响应速度最快应速度最快的一种光电二极管。的一种光电二极管。但噪声大是这种管子目前但噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。的一个主要缺点。紫外光电二极管紫外光电二极管n困难：困难：紫外光是高频电磁波，频率越高吸收越大，大多紫外光是高频电磁波，频率越高吸收越大，大多数紫外光生载

28、流子产生在材料的表面附近，还没到达结数紫外光生载流子产生在材料的表面附近，还没到达结区就被复合掉。区就被复合掉。n蓝、紫增强型硅光电二极管蓝、紫增强型硅光电二极管 PN结浅，电子扩散长度大，表面复合速率小。结浅，电子扩散长度大，表面复合速率小。 190-1100nmn肖特基结光电二极管肖特基结光电二极管v金属与半导体理想接触时，金属和半导体的逸出功不金属与半导体理想接触时，金属和半导体的逸出功不同，接触后电子就会从一种材料流向另一种材料，使同，接触后电子就会从一种材料流向另一种材料，使接触面两边各带异号电荷，形成偶极层，出现接触电接触面两边各带异号电荷，形成偶极层，出现接触电动势，即肖特基势。动势，即肖特基势。v当光子入射到