第四章光电探测器

光电探测器光电探测器通常分为2类:(1)光子探测器（利用各种光子效应）；（2）热探测器（利用温度变化效应）。光子效应：光电子发射、光电导、光生伏特、光电磁等。光热效应：温差电、电阻率变化、自发极化强度变化、气体体积和压强变化等。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以后，器件材料中的电子能逸出材料表面，这各种器件称为外光电效应器件。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，这种器件称为内光电效应器件。光电子发射探测器：应用光电子发射效应制成的光电探测器称为光电子发射探测器。

在光电子发射探测器中，入射辐射的作用是使电子从光电阴极表面发射到周围的空间中，即产生光电子发射。产生光电子发射所需光电能量取决于光电阴极的逸出功。光电子发射的能量转换公式为为使价带中的电子能跃迁到导带上，必须使入射光子的能量大于禁带宽度Eg，即使材料具有光电发射的截止波长λc1.光电倍增管的工作原理下图是光电倍增管的工作原理图。图中K为光电发射阴极，D为聚焦板，D1～D10为倍增极（或打拿极），A为收集电子的阳极。倍增极间的电压逐级增加，极间电压约为80～150V。2．光电倍增管的性能光电倍增管的性能主要由阴极和倍增极以及极间电压决定。负电子亲和势材料是目前最好的光电阴极材料。倍增极二次电子发射特性用二次系数σ描述，即如果倍增极的总数为n，且各级性能相同，考虑到电子的传输损失，则光电倍增管的电流增益M为f为第一倍增极对阴极发射电子的收集率；g为各倍增极之间的电子传递效率，良好的电子光学设计可始f、g值在0.9以上。n和σ值愈大，M值就愈高，但过多的倍增极不仅使倍增管加长，而且使电子渡越效应变得严重，从而严重影响倍增管的频率特性和噪声特性。σ值主要取决于倍增极材料和极间电压光电导探测器下图为光敏电阻（以非本征n型半导体为例）分析模型1.光电转换规律图中V表示外加偏置电压，l、b和d分别表示n型半导体的三维尺寸，光功率P在x方向均匀入射，假定光电导材料的吸收系数为α，表面反射率为R，则光功率在材料内部沿x方向的变化规律为相应的光生面电流密度j（x）为式中e为电子电荷，v为电子在外电场方向的漂移速度，n（x）为在x处的电子密度。流过电极的总电流为

2.光电导探测电路典型的光电探测器在电路中的连接如下图所示。电路中的参数Vb和RL均会影响输出信号的电压值，那么，如何选择Vb和RL？从图可见，负载电阻RL两端的直流压降为当光辐射照到探测器上时，探测器电阻Rd就发生变化，负载电阻RL两端压降也就发生变化，这个电压的变化量就是信号电压Vs当上式等于0时，有RL＝Rd，信号电压为极大值。从上图可见，在偏压Vb作用下，通过探测器电流I为在探测器上消耗的功率P为经验数据－探测器的功耗不应超过0.1W/cm2，若探测器的面积为Ad，则消耗功率不应超过0.1Ad，与最大允许电压关系为：Vb,max并不是最佳偏压。信号、噪声电压随偏流变化图3.几种典型的光电导探测器简介光电导探测器按晶体结构可分为多晶和单晶两类。多晶类多是薄膜型器件，如PbS、PbSe、PbTe等，单晶类中常见的有锑化铟（InSb）、碲镉汞（HgCdTe）、碲锡铅和掺杂型几种。CdS和CdSe。这是两种造价低的可见光辐射探测器（CdS：0.3～0.8μm，CdSe：0.3～0.9μm）。它们的主要特点是高可靠性和长寿命，因而广泛用于自动化技术中。PbS。这是一种性能优良的近红外辐射探测器，是在室温条件下探测灵敏度最高的一种红外探测器，室温下的禁带宽度为0.37eV，相应的长波限为3μm。PbTe。在常温下对4μm以内的红外光灵敏，冷却到90K，可在5μm范围内使用。响应时间约为10－4～10－5s。InSb。这也是一种良好的近红外（峰值波长约为6μm）辐射探测器。HgCdTe探测器。HgCdTe是由半导体CdTe和半金属HgTe采用半导体合金法混合而成的合金系统。不同工作温度下InSb光电导探测器的光谱特性探测率定义为等效噪声功率的倒数。当信号电流或者电压与噪声的均方根电流（或均方根电压）相等时，对应的入射辐通量Φe叫做等效噪声功率为了提高信噪比，英国首先研制成扫积型HgCdTe探测器，如图。它是由若干小的方形单元探测器排列成的线阵探测器，当目标的红外像点沿长条方向扫过时，外加电场驱使光生载流子也沿光点扫描方向迁移，并使迁移速度与像点扫描速度同步，这样可使信号积累（积分输出）。若此扫积探测器由n个单元组成，信号将是单元探测器输出的n倍，但由于噪声的非相关性，噪声只会增加根号n倍，因此信噪比可提高n1/2倍。（6）掺杂型光电导探测器。主要是以锗（Ge）为主体材料掺有其它杂质的杂质半导体。它们主要用于8～14μm长波段内。下图为掺杂型光电导探测器的光谱特性表4－5几种光电导探测器的典型特性4.3.3光伏探测器利用P－N结的光伏效应而制作的光电探测器称为光伏探测器。与光电导探测器不同，光伏探测器的工作特性要复杂些，P－N结受光照射时，即使没有外加偏压，P－N结自身也会产生一个开路电压，这时如果将P－N结两端短接，便有短路电流通过回路。因此利用光生伏特效应制成的结型器件有光电池和光电二极管之分，而光电二极管又有两种工作模式，光电导和光伏式，它们由外偏压电路决定。1.两种工作模式

一个P—N结光伏探测器用图4－42（a）中的符号表示，它等效为一个普通二极管和一个恒流源（光电流源）的并联，如图4－42（b）所示。在零偏压时（图4－42（c）），称为光伏工作模式。当外回路采用反偏压V时（图4－42（d）），即外加p端为负，n端为正的电压时，称为光导工作模式。图4－42光伏探测器及其工作模式示意图普通二极管的伏安特性为式中，iS为反向饱和电流，u是探测器两端电压，e是电子电荷，因而光伏探测器的总电流i为式中iφ为光电流。光伏探测器的伏安特性如图4－43所示。由图可见第一象限是正偏压状态，iD本来很大，所以光电流iφ不起重要作用，因此在这一区域工作没有意义。第三象限是反偏压状态，这时iD＝-iS，它对应于光功率P=0时二极管的反向饱和电流，称为暗电流，其数值很小，光电流iφ＝i-is。由于这种情况的外回路特性与光电导探测器十分相似，所以反偏压下的工作方式称为光导模式。第四象限中，外偏压为零，当负载电阻比较小时，RL3的负载线接近于理想的垂直负载线，这是，输出光电流正比于入射功率，这种状态工作模式叫光伏模式。图4－43光伏探测器的伏安特性2．两种工作模式的比较

光导模式工作时，光电二极管加反偏压，可以大大提高器件的频率特性。此外反偏压可增加长波端灵敏度及扩展线性区上限。但反偏产生的暗电流引起较大的散粒噪声，且频率低于1KHz时还有1/f噪声，这又限制了探测能力的下限。因光伏式二极管无偏压工作，故暗电流造成的散粒噪声小，且无1/f噪声，有高得多的信噪比。光伏式二极管主要应用于超低噪声、低频及仪器方面。光导式二级管则主要用来探测高速光脉冲和高频调制光。3.光谱响应和频率特性光电二极管都有一定的光谱响应范围，图4－44给出了Si光电二极管的光谱响应曲线。高频计算的简化等效电路如图4-45（b）所示，其截止频率fc为通常又定义电路的时间常数τc为图4－44Si光电二极管光谱响应曲线图4－45光电二极管的高频等效短路截至频率：电路的时间常数：τc＝2.2RLCj

4．常用的光伏探测器简介(1)硅光电池。也称太阳电池或光伏电池。工作在图4－43所示的第四象限。价格便宜，光电转换效率高，光谱响应宽，频率特性好，寿命长，稳定性好，耐高能辐射，适合近红外探测。

（2）PIN硅光电二极管。从前面光电二极管的讨论中可知，载流子的扩散时间和电路时间常数大约同数量级，是决定光电二极管响应速度的主要因素。为了改善频率特性，就得设法减小载流子扩散时间和结电容，于是人们提出加一层中间本征层。（3）异质结光电二极管。异质结是由两种不同的半导材料形成的P一N结。P一N结两边是由不同的基质材料形成的，两边的禁带宽度不同。通常以禁带宽度大的一边作为光照面，能量大于宽禁带的光子被宽禁带材料吸收，产生电子－空穴对。如果光照面材料的厚度大于载流子的扩散长度，则光生载流子达不到结区，对光电信号无贡献。而能量小于宽禁带的长波载流子却能顺利到达结区，被窄禁带材料吸收，产生光电信号。（4）雪崩光电极管（APD）。以上讨论的光电二极管都是没有内部增益的，即增益≤１。这里讨论的雪崩二极管是有内部增益的，增益可达102～104。它是利用雪崩管在高的反向偏压下发生雪崩倍增效应而制成的光电探测器。光电流增益的大小用倍增因子M表示。实验表明，M随反向偏压V的变化可用如下的经验公式近似表示APD的噪声主要是散粒噪声预热噪声，噪声电流有效值可写为r是电子和空穴电离概率VB为击穿电压，n为与材料有关的常数（5）Schottky势垒光电二极管。这是一种由金属和半导体接触所制成的光电二极管，所以这种光电二极管也称为金属半导体光电二极管。要求反偏压工作，光从金属一侧入射。为使透光性好，金属是用真空镀膜技术制成的金属膜，厚度只有几十埃。(6)光电三极管。光电三极管具有内增益，但获得内增益的途径不是雪崩效应，而是利用一般晶体管的电流放大原理。

工作原理：基区和集电区处于反向偏压状态，内建电场从集电区指向基区。光照基区，产生电子－空穴对，光生电子在内电场作用下漂移到集电区，空穴留在基区，使基区电位升高，这相当于EB结上加了个正偏压，基极电位升高，发射极便有大量电子经基极流向集电极，最后形成光电流。光电流随光照强弱而变化。(7)InSb光伏探测器。InSb材料既可作光电导探测器，也可制成P－N结光伏探测器。常以P型层表面作光照面，产生的少数载流子是电子，具有较大的迁移率和扩散长度，这样可以使大多数的光生少数载流子扩散到PN结而形成光生电动势，因而可使灵敏度较高。是在3～5um波段内常用的高性能红外探测器。（8）HGCdTe光伏探测器。近20年来在红外探测器方面最卓越约成绩是HgCdTe探测器的研制成功及投入使用。和光电导型HgCdTe一样，可采用半导体合金法将化合物CdTe和HgTe合成Hg1－xCdxTe合金。若在P型HgCdTe中将Hg扩散进去，表面将形成N型层，从而构成PN结，改变组份x就可以改变HgCdTe探测器的工作波段。（9）长波长红外焦平面阵列。随着军事和遥感遥测科学的发展，对由大量单元红外探测器构成的高密度焦平面阵列的要求日益迫切，尤其使8～14μm的长波长红外波段的探测器对接近景物的目标最为敏感，因此一直是红外焦平面阵列研究的主要方向之一。期望能利用成熟的工艺制作、波长可调，并可将探测器与信号处理及读出电路集成在同一芯片上的大面积长波红外焦平面阵列。此概念20世纪70年代提出，80年代分子束外延和金属有机化学汽相淀积等工艺的发展，才成功地生长出能制作长波红外探测器所必须的异质结GexSi1-x/Si等伪合金及GexSi1-x-GexSi1-x/Si异质结内光发射的长波红外探测器阵列。

4.3.4其它光子探测器简介光子牵引探测器光子牵引探测器是一种非势垒光伏效应探测器。它和HgCdTe光电二极管一样适用于1.06μm的激光波长探测。但是HgCdTe光电二极管只能在微弱光信号下使用，而光子牵引探测器则适用于强光探测。因此它广泛用于CO2脉冲激光器输出的探测。P型锗的光子牵引探测器示意图这种探测器的优点是响应快，可在损伤阈值高及室温下工作，不需要电源。缺点是灵敏度低，典型器件的单位带宽等效噪声功率为10－3W，只有在强光下才能使用。光电磁探测器

如图4－48所示，将半导体置于强磁场中，当半导体表面受到光辐射照射时，在表面产生电子－空穴对，并且浓度逐渐增大，电子和空穴便向体内扩散，在扩散过程中，受到强磁场的洛伦兹力的作用，使空穴和电子的偏转方向相反，从而在半导体内产生一个电场，阻碍着电子和空穴的继续偏转，如果这时将半导体两端短路，则产生短路电流；开路时，则有开路电压。这种现象叫做光电磁效应。利用这种效应制成的光电探测器叫做光电磁探测器（PME器件）。图4－48光电磁效应图4－49Pb－PbO－Pb隧道结的伏安特性曲线3.Josephson结探测器在两超导薄膜之间被一层（厚约10Å）电介质隔开，这种结构称为Jesephson结，或超导隧道结。若通过隧道结的电流小于某一临界值，在结上没有电位降，则在隧道结的伏安特性曲线中存在一个零电压的电流。若通过隧道结的电流超过这个临界值，在结上将产生电位降，这时在伏安特性曲线中，将沿着测量负载线跳到正常电子隧道的曲线上，如图4－49所示。这种在隧道结中有隧道电流通过而不产生电位降的现象，称之为直流Josephson效应。若在隧道结上维持一个有限的电位降V，在隧道结两超导体之间将有一个频率为f的交流电流通过，频率f和电压V之间有下述关系

若隧道结受到光辐射照射时，在一系列分立的电压值上可以感应出额外的直流电流，则在隧道结的直流伏安特性曲线上，出现常电压－电流阶梯现象。阶梯处的电压Vn和外加辐照信号频率f的关系为n为阶梯级数。产生这种现象的原因是，由于隧道结受到辐射照射时，在结上可以感应出交流电压，而这交流电压反过来对结上的Josephson电流进行调制，从而产生许多使电流增大的边带。利用Josephson结效应可以研制出从射频到远红外的宽广频率范围内、灵敏度为皮瓦的探测器。在射电天文、毫米波通信等方面有实际应用。E为电子电荷，h为普朗克常数§4.4热探测器热探测器对辐射的响应和光子探测器不同。它基于材料吸收了光辐射能量以后温度升高的现象，这一现象称为光热效应，光热效应的特点是入射光辐射与物质中的晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振动能量，这与光子将能量直接转移给电子的光电效应有本质的不同。光热效应与入射的光子的性质没有关系，取决于入射辐射功率而与入射辐射的光谱成分无关，即对入射辐射的响应无波长选择性。光热效应可以产生温差电效应、电阻率变化效应、自发极化强度的变化效应、气体体积和压强的变化效应等等，利用这些效应可制作各种热探测器。1.温差热电偶和热电堆在用不同的导体或半导体组成的具有温度梯度的电路中，会有电动势产生，这就是温差电势。（1）塞贝克（Seebeck）效应。当由两种不同的导体或半导体组成闭合回路的两个结点置于不同温度（两结点间的温差为Ｔ时），在两点之间就产生一个电动势V12，这个电动势在闭合回路中引起连续电流，这种现象称为塞贝克效应。定义温差电动势率为（2）珀耳帖（Peltier）效应。珀耳帖应被认为是塞贝克效应的逆效应。当电流流过两个不同材料的导体或半导体组成的回路的时侯，除产生不可逆的焦耳热外，在不同的节点处分别出现吸热、放热现象。这一效应是热力学可逆的。热交换速率与通过的电流成正比，这种现象称为珀耳帖效应。在每一接头上热量流出率或流入率与通过的电流I间的关系可表示为β12为比例系数－Peltier系数（3）汤姆逊（Tomson）效应。在单一均质导体或半导体中存在着与珀耳帖效应相同的现象。如果通有电流的材料有温差存在，也就是说，当电流通过具有一定温度梯度的均质导体或半导体时，就会可逆地吸收热或放出热，这一现象称为汤姆逊效应。单位时间单位体积吸收或放出的热量为γ12为Tomson系数光辐射入射到导体或半导体上便产生温度梯度，从而产生温差电势，由电动势的高低可以测定出接收端所吸收的光辐射的能量或功率。当由两种不同金属或半导体臂状物在两端分别连接成的闭合回路为温差电偶，如图所示。设J1点为光敏面，J2、J3为环境温度Td，光照产生的J1点的温升为ΔTd，此温差产生的Seebeck效应会使电路产生开路电势当形成闭合回路时，电流将与V0方向相同，此电流将会引起Peltier效应，会使此温差电偶的热端J1变冷，使冷端变热，在热结点J1处吸收的热量ΔQ1为式中β12为珀尔帖系数，它与Seebeck系数α12有如下关系由于有ΔQ1，会使J1点的温度下降Δ（ΔTd），式中Zt为热结J1处敏感元的热阻。此温度降低量相当于附加一个Seebeck电势Vp因此，总的电势应等于：由入射辐射使J1升温而产生的电势V0与珀尔帖效应引起的电势之和Rd为探测器电阻，RL为负载电阻由上式可得上式表明，珀尔帖效应相当于在电路中加了一个动态电阻Rdn由上式可得若敏感面上入射功率为P，敏感面表面的吸收率为α，则在敏感面上的稳定状态时的热流平衡方程为将上式代入，得在求开路电压时，可不涉及珀尔帖效应，此时温升可用ΔT0表示探测器对常值入射辐射功率P的响应率R为为得到更高的响应率，应选择具有高值α12的温差电偶臂的材料，光敏面具有高的吸收率。增大热阻也将可以成比例地增大响应率。对传导性热传输，热阻Zt为为研究温差电偶的动态响应，设输入辐射为P，此时敏感面－结点J1系统的热流动平衡方程为（未计珀尔帖效应）增大温差电偶臂L、减小热导系数k和电偶臂界面A均可以增大Zt，从而增大温差电偶的响应率。式中，τ＝CdZt为若P为一阶跃量P0，解上面的一阶线性微分方程，可得其解为时间常数，要增加系统的快速响应，就要减小时间常数；要增大热阻Zt，就要减小敏感元件与周围环境的热交换。Cd为热容。为了研究温差电偶系统对交变的输入量的影响，将热流动平衡方程写为：由自动控制原理可知，它们的传递函数为其频率特性为式中，τ＝CdZt，P’＝ZtαP其幅频特性为其对数幅频特性为图4－51温差电堆示意图2.测辐射热计

测辐射热计是利用入射辐射使敏感元件的温度提高后从而使电阻随之改变而测出辐射的热探测器。对温度敏感的电阻（也称热敏电阻）材料有两类，一类是金属材料；另一类是半导体材料。材料电阻随温度的变化可用下式表示式中αT称为材料的电阻温度系数。金属材料的与温度成反比而为在室温下金属材料的αT≈0.0033。半导体材料与T2成反比而为图4－52测辐射热计原理图由两个相同的热敏电阻