第四章光电导探测器

第四章光电导探测器光电导探测器的工作原理光电导探测器的性能参数实用光电导探测器及输出信号能测可见光的光电导探测器又称光敏电阻（光导管）种类：本征型、杂质型、薄膜型、扫积型研究重点：工作原理、性能参数、基本应用电路三者联系，也是学习探测器的基本观察点。光敏电阻§4-1光电导探测器的工作原理一、光电导效应

光子作用于光电导材料产生本征吸收：杂质吸收：产生附加的光生载流子。光电导效应——光照射到光电导（半导体）材料上，使半导体的电导率发生变化。多数半导体和绝缘体存在这种效应本征半导体杂质半导体光激发：产生空穴、电子，跃迁到导带。杂质半导体：n型：施主能带靠近导带，电子获得足够能量进入导带参与导电。p型：受主能带靠近价带，价带电子吸收光子能量跃迁受主能带，使价带产生空穴参与导电。表征光电导效应主要有三个参数：灵敏度、弛豫时间（惰性）、光谱分布1．光电导的灵敏度灵敏度：一定光强下光电导的强弱（可用光电增益G表示）成立条件：定态条件下电子和空穴的产生率与复合率相等。（4.1-1）量子产额：吸收一个光子所能产生的电子空穴对数光生载流子寿命载流子在光电导两极间的渡越时间载流子在光电导两极间的渡越时间tL，一般有（4.1-2）光电导体两极间距外加电源电压迁移率将（4.1-1）代入（4.1-2）如果光电导体中自由电子和空穴均参加导电2．光电导驰豫光电导是非平衡载流子效应，因此有一定的弛豫现象，它表现了光电导对光强变化反应的快慢。光电导上升或下降的时间——弛豫时间（响应时间）。意义：从实际应用讲,弛豫时间决定了在迅速变化的光强下,一个光电器件能否有效工作的问题.从光电导的机制来看，弛豫表现在光强变化时，光生载流子的积累和消失的过程。在分析定态光电导和光强之间的关系时，实际情况比较复杂，通常讨论两种典型情况：

直线性光电导，即光电导与光强成线性关系抛物线性光电导：光电导与光强的平方根成正比。有的光电导体在光强低时属于直线性光电导，较高时，为抛物线性光电导。载流子浓度Δn与光强关系：直线的γ＝1，抛物线的γ＝1/2在定态的情况下，如果光生载流子有确定的复合几率或寿命τ，对直线性光电导Δn/τ＝Inαβ光电转换因子光电导材料对光的吸收系数以光子计算的入射光光强量子产额对抛物线性光电导复合率=b(Δn)2b为比例系数，这时定态条件为b(Δn)2＝Inαβ在直线性光电导中，恒定光照下决定光电导上升规律的微分方程：光生载流子寿命以光子计算的入射光光强光电导体对光的吸收系数量子产额设光照停止时（t＝0），Δn＝Inαβτ，则上式解：

根据上式初始条件：t=0时，Δn＝0，方程解取消光照后，决定光电导下降的微分方程为直线性光电导的弛豫时间与光强无关。因为上升和下降是对称的通常（t＝τ）称光电流的弛豫时间直线性光电导上升和下降曲线在抛物线性光电导中，决定光电导上升的微分方程为利用初始条件t=0时，Δn＝0，解上面的方程得光照取消后，决定光电导下降的微分方程为利用凤初始卷条件t=0时，讨论虚：抛物毒线性锈光电绢导的僵弛豫室时间手与光单强有醒关，欲光强药愈高休，弛密豫时统间越耀短。3．光稳电导受的光袄谱分专布光电陈导的优大小杏与照真射光遭的波夜长有相密切抚关系获。光历谱分殊布问污题首稼先是鹅光生联载流哪子的箩激发粥问题价。由本誓征激岂发产渠生的愚光电筋导称汉为本征得光电石导。由杂徒质激捏发产鸡生的看光电衫导成辱为杂质猴光电废导。（1）本拆征光围电导晚的光分谱分规布光谱池分布原曲线什是“宏等量轮子”党曲线付或“台等能危量”吉曲线锐。等量城子是烂指对绸不同傲的波桥长以忘光量震子计咐算的挪光强芳是相吨同的落。等能傲量是和指不于同的腰波长踪蝶下所命用的侦光能馆量流退是相酸等的.（2）杂岗质光辨电导腾的光绑谱分驼布含有坐不同充量砷缸施主级补偿谱杂质茫的掺缠金锗征杂质尿光电符导光娃谱分答布曲福线半导级体杂维质吸期收光增子将让束缚差在杂伟质能松级上榆的电敬子或讨空穴域激发知成为怜自由肌的光礼生载衣流子衔．这钢时光痰子的共能量该必须乞等于伍或大症于杂意质的喷电离恨能。价由于纠杂质秤的电弱离能悠比禁叨带宽禾度小铜，所乏以杂确质光铜电导尼的光华谱响黑应的数波长辅比本慢征光徐电导讲的长聋。二、比光电戒导探疗测器绒的工圆作原伴理半导摧体受胞到光攀照时守将产萝生非侦平衡援载流距子，虏电导晶率增衔加，宴在外乒加电朗压的池作用旋下，碰将在姨光电什导探勉测器支输出衣回路魔中产惯生光遗电流真。分析亡光电秘导探却测器亿输出侦的光横电信筋号1．光肢电导军探测斤器的壁光电黑流设样伍品为n型材巾料，极光功央率为P的光感辐射石沿x方向番均匀锤入射影。如果帽光电辅材料塔的吸寸收系贵数α，表面留反射买率R，入射咱光功仓率在材张料内卷部沿x方向篮的变感化为（4.威1-泻17）光生浮载流轮子的创统计呢平均绣值也捉应是撕入射弊深度x的函静数，n（x）表示垃在x处光赏生载黎流子撤浓度天，则都在外街加电傍场作道用下告该处饭的漂移餐电流家密度J（x）为光生芦载流乡丰子在松外加臣电场E作用薪下的假漂移和速度光功轻率输出财平均奔光电李流光生畏载流伟子在浙外加崖电场E作用聋下的庄漂移爹速度电极严间距闸离电子挤迁移轿率A=wd探测把器电驾极面拉积，dA=wdx为面坛积元梦，在贼光敏情面（wL）受均评匀照貌射的碎情况案下，俭将得评到：（4.梢1-族20）n（x）与半飘导体烂中光公生载助流子啦在外马电场历作用流下的稀产生钩率与惊复合柳率有学关。单利用稳态运下电子肺产生翼率和气复合收率相垦等的条午件可塌求得n（x）由（4.线1-广17）在x方向影单位老长度果上材横料吸盼收的及光功仇率αP（x）则单葬位体欢积内化吸收火的光克功率胸为αP（x）/wL因而蚊单位赤时间腾、单裙位体彩积内变产生鹅的光帜生载析流子句（产逃生率管）为[αP（x）/wL]/hν若载设流子娃平均询寿命焦为τ0，可求肾得复该合载海流子友数（蒜即复康合率扛）n（x）/τ0在稳兆态条继件下会有产生疯率=复合斥率（4.饲1-禾21）得光朝生载杏流子篮浓度n（x）为将（4.算1-址17）代煌入上式顾代入（4.帖1-卧20）光电预导探修测器希输出迹的平重均光悔电流（4.韵1-袭23）（4.残1-钢24）（4.律1-悄22）此时瓦的光捉电流Ip0量子沃效率将式朵（4.碍1-齿27）代膀入波（4.访1-耍24）则由（4.滋1-奖21），拜求得鹊入射巧光功赚率P全部刊被吸肃收（α=1）所对该应的姐探测尼器内蒸的平甲均光猜生载霞流子窝浓度（4.方1-希25）（4.遥1-匪27）在外腹电场免作用沙下，途载流茅子在跟电极浸间的钟渡越使时间滤为于是跪上式供：令载流卵子寿且命载流烂子渡胀越时瓜间光电疮导探堆测器束内增蔽益（4.坑1-者30）式（4.好1-嫂30）表请明：①光那电导链探测晶器是吴一个坐具有内增撞益的器造件②内足增益G与器削件的节材料瓜、结扛构尺雅寸及散外加庸偏压渔（偏伏流）菠有关2．光胆电导司探测岂器的座工作筑模式话及等负效电酸路光电新导探蒙测器尝结构光电害导探梅测器掘偏置毙电路交流宜等效傲电路直流篮等效胜电路（1）短脸路电释流ISC探测朗器等糟效一奖个内停阻很枝大的恒流遵源（2）开甩路电落压探测罩器等贝效一留个内妙阻为0的恒压张源（3）负加载匹惊配时阔探测牢器输拔出电邀压RL=Rd时，血负载寸匹配搂，输辫出电功率元最大,总的磨光电牧变换洁效率烈最高§4琴-2光电裂导探龟测器阴的性羊能参役数一、腹光电嚷导增候益IP：长为L两端峰加电压V的光马电导奴体，淋由光而照产纸生的谢光生针载流爽子在留电场早作用衫下所短形成骄的外咱部电排流——光电晒流。qN：光电她子形营成的省内部诊电流香。①电匠导率无光悉照时圣，暗贴电导侄率σ0有光牌照，篮吸收推光子袜而产种生光恳生载晋流子井浓度Δn、Δp光照份稳定雹情况亭下电子祖浓度电子迅迁移服率光电驱导率②电元流（a）无光都照，染暗电索流（本虹征半廉导体陡电导腥率σ0）b=μn/μp为迁继移比电导舌两端邪电压光电叹导体傅横截蒜面积光电裹导体雾长度样品沙宽度样品蛮厚度（b）有光锤照射项，光捎电流光激榴发电循子、挽空穴授浓度τn、τp：寿命N：N个电受子/空穴惹对。株（单寺位时延间）光电价导Δσ引起炼的光烟电流（4.痛2-旋5）代入剧（4.捉2-郊5）③增爸益Gn：光电畏导探亡测器微的电袍子增脆益系新数Gp：光电雄导探内测器牢的空糟穴增塘益系获数④增昌益的墓另一怠种形训式速度承为υn的光春电子壮渡越痒时间tn=L/桥υn又因晓：沿挖电场弃方向国的电宴子速絮度与倡电场姑强度啊成线山性关赤系于是尺有：则增煤益的冶另一蔬种形蚊式：在半针导体纠中，杯电子杰、空孩穴寿野命相伐同，怎若用τ表示创平均咸寿命若定逝义则G一般开在103数量残级⑤光渔电导毒器件升量子用效率硅和饰锗的η与λ的关脉系N个光我子入射居的单至色辐某射功茎率二、扩光电胶导探轰测器泼的噪能声1．热雄噪声2．产原生——复合殿噪声g-双r（信号响光、臂背景虚光、颗热激困发）3．1/杰f噪声总的翠均方喘噪声织电流吵或噪冒声功颜率噪声纲按频颤率分梳布：距噪声桐功率蛮谱典型落光电命导探伍测器毕噪声造功率爽谱光电弊导探脊测器萄噪声那等效共电路三、黎响应表率由（2.撕2-贱1）（2.榴2-及2）电压雹响应灭率电流朗响应虹率光谱胞响应秧率表杠示在溉某一集特定偶波长肚下，珍输出抱光电执流（轮或电练压）冈与入急射辐扰射能祖量之躁比。活输出廉光电怒流响应茂率与VA及载哑流子渐寿命τ0有关响应重率与光敏政面积有关则光谱涉响应勿率：①增忘大增掩益系驶数可强得到主很高漂的光盒谱响构应率②增瓣益与翁响应握速度寸是相马矛盾俩的光电竞导探扫测器不典型港光谱巩曲线两种顶类型马光电筋导探猜测器墨光谱才特性四、守比探渡测率D*是包椒含噪惯声性铺能的羽一个血重要谣参数1．受屠热噪画声限优制多数千光电芒导探烫测器成工作第频率炕在1M疤Hz以上释，其贪噪声塌源主柱要来镜自热践噪声2．受帽产生——复合甲噪声馒限制当工阀作频诵率在1k瓣Hz～1M级Hz时：些主要胆是光电恰导探潜测器精的探杠测率捆限制g-放r噪声飘限热噪切声功止率限首制五、景温度叼特性温度糟变化葛，会偏引起光谱普响应巧率、峰值雹响应洽波长、长波端限等参尿数的机变化轨。主要瓶原因：当温辅度升历高时痒，热盐激发泪载流躺子增疼多，筝除热噪环声增白加外，帖还使妨光生载流掩子寿脸命下迫降（复洪合几趴率增硬大）祖，从备而使服光电歉导器因件灵敏邻度降录低。Pb途S光敏畅电阻给光谱座特性Pb掉Se光敏棚电阻环光谱召特性六、提频率镜响应贷及响默应时摊间由式握（4.豪2-红22）及耳付里竭叶变舅换可具以得射到相索应的输出救电压和响应疑率的表币达式蒙。（4.领2-肃22）入射河光调糖制角茫频率ω=袋0时输桌出电吸压ω=雁0时输锁出响疏应率当调缓制频念率f≤f3d信B时，泄光电子探测腐器的虫输出吹可以纽奉保持死原有萍调制胀光信血号的乳特征游。光电忆导探岭测器巧的频盆率响燥应七、符前历避效应测试粪前光隙电导月探测犹器所凡处的全状态执对光验电探唯测器近特性餐的影席响，催大多旧数光考电导聚探测去器在赵稳定宗的光迟照下粘，其兄阻值蠢有明菠显漂绘移现钢象，爪且经似过一舍段时冲间间悦隔后租，阻肾值还咏有变夕化。这种店现象遇为光涨电导栏探测顺器的染前历督效应忘。中态难（亮布态）况前历效应短态玻（暗乘态）贿前历全效应辛：R0/R1§4赌-3实用锈光电业导探捏测器违及输低出信垦号一、特本征描型光束电导剃探测抖器本征避型：惯碲镉堡汞（Hg壶Cd避Te）锑化帜铟（In铃Sb）硫化打铝（Pb钩S）1．碲镉史汞光炒电导辩探测圈器Cd盟Te禁带兔宽度Eg=1匪.6逃eVHg拘Te禁带华宽度Eg=-盏0.恳3e牙V混合士后的Hg1-征xCdxTe的Eg随组判分x、温度T而变乌化，x较小气时，况可用生经验扮公式躺表示即改赴变两化种化重合物界组分特而改芬变混驳合固到溶体摄的带辽隙宽也度Eg，从而拉改变宇其光讽谱响爪应范固围。番利用高这种恒特性未并改锻变器狮件工册作温误度，餐就可况以得阳到不面同长以波限λC、峰值溉响应闪波长λp的高DP*的理声想光洲电导馆探测姑器。典型PC使—Hg僻Cd禾Te探测虽器结街构示民意图应用：适吉合红挎外波便段探读测要清求：恒激光兆雷达摇、激湾光测罗距、恼光电线对抗乱、制杨导及播光通侍讯PC很-Hg故Cd趣Te工作浸于77近K，响灶应光手谱为8～14快μm苦,最大售响应滤率Dp*达2～8筛×失1010cm炭·H估z1/副2/W（接打近背朋景限烘）响应赶频率葵为几MH膜z50雹μm方形Hg扔Cd蹈Te探测毯器性奥能对辱偏压斗关系吐（工我作温沫度80举K，峰值仍波长12丙μ些m，视祥场30。）PC滑-Hg篮Cd湖Te探测厘器不联同工偷作温很度响刺应与紧波长贺关系随着蜻工作听温度寄的降遭低，飞响应毕率增解加，截其响屋应的意峰值罪波长λp向长球波方恢向移捡动。2．锑赶化铟秋光电拼导探百测器羽（In胀Sb）特点：Eg小，通过理改变劝温度葡来改定变响朴应波拿长室温诞（30碎0K）时Eg=0怨.1进7e麻V，λC=7呀.5尿μm，λp=6源μmDp*=2鸽×1盘09cm据·H谎z1/糠2/W77搬K时Eg=0殖.2烘3e济V，λC=5浙.4孤μm，λp=5烤μmDp*=6下.5援×1互010cm抢·H见z1/害2/W用途：近肚红外巨范围稠，注姜意室拔温下坛噪声浴大In差Sb光电诱导探湾测器默在不嘉同温狐度下夺的光坊谱特蜡性In壶Sb光电解导探启测器奋的频寻率响冶应曲邻线3．碲速锡铅筐光电赴导探鹊测器Pb1-貌XSnxTePb夫Sn跨Te光电苍导探受测器袖的频碌率响窑应曲晃线是Pb爸Te和Sn碎Te的连划续固积溶体讯，改怜变Sn的含锡量可晓以改完变其朱带隙x可取0.采17和0.捏2红外魂波段水的快缩慧速响旱应器肺件4．硫功化镉搜及硒挺化镉杰光电培导探献测器对可柏见光爽敏感珠，又毒称光敏各电阻单晶Cd汇S（硫化败镉）耍：可鲁见光邪、X、α、β、γ射线宅均有春响应显，较点高灵谈敏度兼。响应登时间：几ms响应确波长：0.筋3～0.据52为μm（与人杨眼光监谱响蛙应非痰常接轨近）多晶Cd阅S比单朗晶Cd耗S光谱壳响应轨宽，牺但响路应时耍间长劈燕。光调凭制高律于1k驴Hz时就溜难于夕使用殃。光敏姿电阻股特点：价格总低、光可靠浇性高由、寿茶命长贷、使屡用方荡便。用途：工近业自蹄动化盒、摄圣影机滔的测慕光装毙置，持可见竭光探糟测。Cd烈SeCd配S二、桨杂质做型光恳电导峡探测辫器光谱糖响应难特性携主要腾取决胖于所纵掺杂旧的电菊离能Ei，Ei一般蹈比Eg小的逝多。故响枯应波圈长可末在几畜百μm的远语红外询波段减小袖复合席中心倘浓度椅将增端大光予生载盗流子卡寿命,使光谢电导创探测次器内增彩益增艘大，以析提高瓜响应已率，击由于袭光吸环收系收数较肝小，映器件壳要有巡寿相当活厚度乡丰。全反惯射小迁室——提高香器件姜响应少率。抑制犬热噪芬声——低温信工作繁条件搂。一般牵工作活于弱烟光照讨论迈：响碍应率挣及其字与工趴作温雨度、弦探测概器几鹅何尺皇寸关嘉系。1．杂梨质光堆电导啄探测乏器的仇响应调率（N型）电子孤俘获姿系数探测护器材霉料的即吸收挥率EF恰好贫与施狮主能迈级重床合时溉导带杀的自项由电祝子浓吩度无辐射肌时探锈测器婶材料补的自刘由电智子浓迅度表示摊费米呆能级EF恰好体与施访主能敲级重痒合时秋导带分的自档由电信子浓茂度。n0=n0t+n0b，即热门激发玩自由镰电子冰浓度加背景学激发爹自由缝电子鸟浓度，上式钻变为α很小魔，d也不油厚，αd<<举1，因此e-α毙d可用渣级数呼展开撒并略灶去二所次方货以上棍项2．响灰应率锈与探啄测器净工作轮温度偷的关裳系当探抛测器旁工作尘温度早不够患低，n0t>>n0b时当探旧测器绢工作映温度陕低到n0t<<n0b、n1<<NA时此时梅再降奥低温探度，颈不能遣进一燥步提榆高响始应率RV3．响茶应率轮与受土主浓袜度NA的关腔系当工沃作温日度低拒到n0t<<n0b、n1<<NA，且n0b<<NA选择NA小的启材料涨可提罢高探揪测器知的响暗应率RV4．响应该率与恐探测惊器厚阻度d的关异系增加竞厚度振会导犯致响阔应率塌降低哭，但匠一般私满足αd<<起1，在这际种情博况下甚，响应狱率与包厚度辅无关。提高戚响应惕率的孔方法（1）保商持探辛测器廊足够散厚，涨利用装锗的踏高折脆射率扬，使律入射婶的辐仆射在南探测干器内众发生北二次挡反射,增加招光电乐导体浆对红去外辐荣射的复吸收不。（2）在吓探测男器不棚接受搁辐射嚷的一滥面蒸蔽镀反纹射层去，或掉将探懂测器躺置于撤一全裕反射缴小盒炮中，镇使进湖入小艰盒的每辐射猜经多诉次反划射,以利讯于辐娘射的食充分准吸收粮。三、告薄膜闹光电恋导探印测器红外糊光子机探测铺器材飘料除争块状脾单晶刃体外男，还于有多疗晶薄复膜。路多晶古薄膜比探测殖器(不包笑含用隙各种槐外延招方法誉制备粗的外南延薄某膜材误料)主要蚀是指隙硫化锅铅(Pb园S)、硒舱化铅(Pb昨Se)和碲贵化铅(Pb很Te)。目羞前多相晶薄慈膜红既外光积子探乱测器响只有泳光电单导型蛛。制备Pb难S多晶救薄膜钓方法化学蹦沉积赖法真空耐蒸发端法（1）化蹄学沉休积低愤温敏叉化法成品鱼率较庆高，针均匀锹性较印好．潜阻值岭较大(2雪)化学倡沉积紫高温序敏化呼法；成品恐率较芝低，未均匀榨性较沾差，冬阻值孩较小驻，昨时暗间常帽数较渡短．棋稳定辰性较伶好。(3锡)联氨烈法性能友介于狭上述狗两者袍之间化学减沉积旬制备Pb菠S的方渣法此外挖还有锤用外辰延技敌术制拿备单景晶Pb慎S光电科导探勿测器棍，在77切K，针拳对某烈一相凶同条荷件下壳，与蓄化学围沉积毕法制鱼备的Pb朽S探测万器差橡不多姥。优点拦：响应距速度姐快，钉易于况制成悟大面歌积阵挂列。缺点译：要在恒低温伶下工证作，推给实围际应芝用带融来不嫩便。1．Pb对S薄膜胸的敏悦化两类堪氧表面糖态的Pb拆S颗粒尖的能沟带图Pb抖S薄膜奏敏化自前后EF变化释示意愿图氧化弱前氧化卡后Pb庸S膜只酒有经耻过适鹅当敏沫化处拳理后友才具码有光柱敏性灿。氧衫是最图好的刚敏化申剂。2．多咸数载螺流子颤模型Pb瓣S的光馆谱电访压响日应率K为势尚垒调伞制系抓数频率喂为f的调名制辐枝射照彻射在Pb珠S，则其他交流案调制够光谱仍响应势率Pb萍S样品钓宽度薄膜夏光电厅导探贸测器拌以电塞流噪览声为壶主。耳电流溪噪声钩的噪岸声电率压可嘉表示根为薄膜乖光电磁导探及测器肠的探灭测率3．势隆垒理世论Pb祝S势垒案模型拒中的澡能带势垒小理论混认为园，未仅敏化嘱的Pb餐s薄膜堪，由扰于存扫在硫售的缺户位而巡寿形成翅正电腥中心清，类端似施吊主的内作用(因为凝施主瓦杂质酷电离歼后带境正电胖荷)，Pb讯S薄膜鄙为n型，饶掺氧歉敏化具后氧嚷扩散漂到Pb楼s的晶底粒间武界，葡形成浇氧化记层。侵氧化志层中蓬，氧袜离子始为负米电中棋心，木类似双受主谋，所夜以氧冒化层灰为P型。些这样甚，就司形成榆了一孤系列n－p－n－p势垒Pb刮S