光电子学第二章-2

第二章

光电探测技术光电发射探测器光电发射探测器：利用光电发射效应原理而工作的探测器。

种类：光电管光电倍增管基于外光电效应Photoemissivedetector,简称PE探测器被半导体光电器件取代极高灵敏度～106快速响应～pS五、光电探测器光电阴极具有外光电效应的材料－－光电子发射体光电子发射探测器中的光电子发射体－－又称为光电阴极

光电阴极是完成光电转换的重要部件，其性能好坏直接影响整个光电发射器件的性能！好的光电发射材料应具备的条件光吸收系数大光电子体内传输能量损失小，逸出深度大表面势垒低光电发射探测器五、光电探测器常用的光电阴极材料反射系数大、吸收系数小、碰撞损失能量大、逸出功大－－适应对紫外灵敏的光电探测器。光吸收系数大得多，散射能量损失小，量子效率比金属大得多－－光谱响应：可见光和近红外波段。金属：半导体：常规光电阴极负电子亲和势阴极

半导体材料广泛用作光电阴极发射光电子的能力更强光电发射探测器五、光电探测器电子亲和势EA

真空能级与导带底能级之差称为电子亲和势负电子亲和势真空能级低于导带底能级发射光电子的能力更强负电子亲和势阴极NegativeElectronAffinity，简称NEA光电发射探测器五、光电探测器负电子亲和势阴极重掺杂的P型硅表面涂极薄的金属Cs，经过处理形成N型的Cs2O。以Si-Cs2O光电阴极为例光电发射探测器五、光电探测器P型Si的电子亲和势:N型Cs2O电子亲和势:EA1=E0-EC1>0EA2=E0-EC2>0光电发射探测器五、光电探测器负电子亲和势阴极体内：P型表面：N型体内有效电子亲和势:

EAe=E0-EC1<01、量子效率高2、阈值波长延伸到红外区3、由于“冷”电子发射，能量分散小，在成象器件中分辨率极高4、暗电流极小5、延伸的光谱区内其灵敏度均匀NEA的优点：量子效率比常规发射体高得多

光电发射探测器五、光电探测器光电管这类管子体积较大，工作电压高达百伏到数百伏，玻璃外壳容易破碎，它的一般应用目前已基本被半导体光电器件代替。光电发射探测器五、光电探测器光电倍增管Photomultiplier,简称PMT结构：光窗光电阴极电子光学系统电子倍增系统阳极光电发射探测器五、光电探测器1.光窗(a)侧窗式；(b)端窗式1）光入射通道2）短波阈值作用：反射式、透射式光电发射探测器五、光电探测器光电倍增管2.光电阴极作用:1)光电转换能力2)长波波长阈值3)决定整管灵敏度要素光电发射探测器五、光电探测器光电倍增管3.电子倍增极

－－由许多倍增极组成，决定整管灵敏度最关键部分作用－－倍增10-15级倍增极光电发射探测器五、光电探测器光电倍增管倍增极二次电子发射一次电子二次电子二次电子发射系数：光电发射探测器五、光电探测器光电倍增管二次电子发射系数：二次发射系数与一次电子能量关系增大Ep，δ值反而下降不同材料δmax

金属：0.5～1.8半导体和介质：5～6负电子亲和势材料：500~δ随Ep增大而增大Epmax约为100～1800eV光电发射探测器五、光电探测器光电倍增管4．阳极作用：－－收集最末一级倍增极发射出来的二次电子，向外电路输出电流。结构：－－具有较高电子收集率，能承受较大电流密度，在阳极附近空间不产生空间电荷效应。阳极广泛采用栅网状结构。光电发射探测器五、光电探测器光电倍增管光电倍增管应用举例闪烁计数器：闪烁晶体（如NaI）

+光电倍增管正电子发射断层成像系统PET系统注入放射性物质，放射正电子，同周围的电子结合淬灭，射出511kev的γ射线,由探测器接收，可确定体内淬灭电子位置，得到CT像。光电发射探测器五、光电探测器光电倍增管应用举例光电发射探测器五、光电探测器光电导探测器：利用光电导效应原理而工作的探测器。 又称为光敏电阻或光导管。种类：本征光电导探测器非本征光电导探测器室温下工作、适用于可见光和近红外辐射探测低温下工作、适用中、远红外辐射探测单晶光电导探测器多晶光电导探测器五、光电探测器光电导探测器探测器结构边电极结构示意图缺点：增益小响应时间长五、光电探测器光电导探测器探测器结构：共平面（梳状电极）结构示意图特点：电极间距小，改善响应时间和灵敏度。五、光电探测器光电导探测器共平面（梳状电极）结构示意图金刚石X射线探测器结构探测器结构五、光电探测器光电导探测器像素结构探测器示意图探测器结构五、光电探测器光电导探测器探测器结构五、光电探测器光电导探测器金刚石中子阵列探测器示意图AE电极半导体玻璃底板RLEIRG探测器结构五、光电探测器光电导探测器常用的光电导探测器可见光：CdS、CdSe近红外（1~3

m）：PbS、PbSe、PbTe、HgCdTe中红外（3~5

m）：InSb、HgCdTe、PbSnTe

（8~12

m）：

HgCdTe、PbSnTe远红外（>15

m）：掺杂的Si、Ge五、光电探测器光电导探测器CdS光电导探测器光谱响应范围：400~800nm；峰值波长（

p）：和人眼最敏感的波长（555nm）相吻合；室温工作。可用于视觉亮度及底片曝光方面的测量。缺点：响应时间受光照强度影响：光照强度越弱，响应时间越长。常用的光电导探测器-可见光波段五、光电探测器光电导探测器CdSe光电导探测器光谱响应范围：300~900nm峰值波长：690nm室温工作。缺点：灵敏度随工作温度变化较大，原因是禁带宽度（Eg）小。常用的光电导探测器-可见光波段五、光电探测器光电导探测器常用的光电导探测器—近红外波段（1~3

m）PbS：广泛应用于遥感技术和武器红外制导技术。 响应时间长，1/f噪声大。五、光电探测器光电导探测器InSb：工作于3~5

m大气窗口最理想的探测器。特点：与PbS相比，响应时间短，适用于快速红外信号探测。常用的光电导探测器—中红外波段五、光电探测器光电导探测器PbSnTe：探测CO2气体激光器波长（10.6

m）的主要器件。SbSnTe：10.6

mHgCdTe：8~12

m、3~5

m、1~3

m

是目前发现的所有光电导探测器中性能最优良的一种材料。HgCdTe：CdTe（1.6eV）和HgTe（-0.3eV）的连续固熔体，可通过改变组分x和控制温度的方法使Hg1-xCdxTe具有不同的Eg值。常用的光电导探测器—中红外波段五、光电探测器光电导探测器常用的光电导探测器—远红外波段（>15

m）掺杂的Si、Ge非本征半导体掺杂剂：Cu、Ag、Au、In、Zn、Cd、Ga、B等特点：（1）响应时间短，

s~ns（2）工作温度低，特别是对响应波长很长的探测器，要求在液氦温度（4.2K）下工作。（3）光谱响应特性取决于掺杂原子的电离能E。五、光电探测器光电导探测器光伏探测器的工作模式：由外偏压决定PN结光伏探测器的等效电路光伏工作模式：零偏压情况（光电池）光导工作模式：外回路施加反向偏压（光电二极管）五、光电探测器光伏探测器光伏电池：太阳光能直接转换成电能。（太阳能电池）五、光电探测器光伏探测器-光伏电池太阳能电池工作的基本过程：太阳能电池基本结构图光生载流子的产生光生载流子的收集产生电流和光生电动势光生电能消耗于负载太阳能电池工作的基本过程：五、光电探测器光伏探测器-光伏电池光伏电池：太阳光能直接转换成电能。（太阳能电池）五、光电探测器光伏探测器-光伏电池五、光电探测器光伏探测器-第一代光伏电池单晶硅电池五、光电探测器光伏探测器-第一代光伏电池多晶硅电池单结硅太阳能电池，在AM1.5一个太阳下的较理想的效率约26-28%，目前实验室的实际效率最高达到24.7%。PERL五、光电探测器光伏探测器-第一代光伏电池CdTe/CdS光伏电池CdTe薄膜（p型材料）CdS薄膜（n型材料）CdTe禁带宽度1.45eV，光谱响应与太阳光谱几乎相同，理论效率29%。直接带隙材料，光吸收系数高。直接带隙材料，光吸收系数高。CdS禁带宽度2.4eV，作为电池的n型窗口材料。本征材料是p型。五、光电探测器光伏探测器-第二代光伏电池CdTe/CdS太阳能电池的结构CIGS/CdS太阳能电池的结构五、光电探测器光伏探测器-第二代光伏电池

CuInSe2Cu2ZnSnS4CuInGaSe2Cu2ZnSnSe4以CdTe电池为代表的薄膜电池：高效、稳定、低成本、大面积、容易规模化五、光电探测器光伏探测器-第二代光伏电池太阳能电池（单结）理论极限效率之所以不能达到100%？？？无论哪一种材料的太阳能电池都不能将全部的太阳光转换为电流五、光电探测器光伏探测器-光伏电池太阳光辐射0.25-2.5μm单结硅太阳能电池100%能量

可见光线（0.4～0.76μm）43%

红外光线（＞0.76μm）50%

能量大于禁带宽度的光超出禁带宽度的那部分能量未被利用而转换为热能。

总能量30%的能量因此损失掉。

由于禁带宽度的限制总能量~35%的红外未被利用，转变成热量7%紫外光线（<0.4μm）五、光电探测器光伏探测器-光伏电池太阳能电池的理论转换效率可以超过90%。90%的效率包括了很多至少在目前看来技术上、物理上或现实中很难实现的问题。五、光电探测器光伏探测器-光伏电池五、光电探测器光伏探测器-光伏电池吸收E>1.85eV吸收1.85>E>1.4eV光子吸收E<1.4eV光子大型电站航天航空其它方面建筑方面交通方面通信方面领域太阳能电池应用五、光电探测器光伏探测器-光伏电池山西大同300MW光伏电站格尔木200兆瓦并网光伏电站五、光电探测器光伏探测器-光伏电池太阳能电池应用-大型电站空间太阳能系统spacesolarpowersystem（SSPS）五、光电探测器光伏探测器-光伏电池太阳能电池应用-大型电站天宫一号国际空间站五、光电探测器光伏探测器-光伏电池太阳能电池应用-航空航天上海虹桥车站屋顶太阳能系统目前世界上最大的“建筑光伏一体化”项目。安装了23910块太阳能电池板，项目总投资1.6亿元，利用屋面面积6.1万平方米，总装机容量6688千瓦，年均发电可达630万度。五、光电探测器光伏探测器-光伏电池太阳能电池应用-建筑五、光电探测器光伏探测器-光伏电池太阳能电池应用-通信2010年7月8日上午（北京时间8日下午），世界首架有人驾驶的太阳能飞机顺利完成27小时不间断昼夜试飞航程。五、光电探测器光伏探测器-光伏电池太阳能电池应用-交通种类：PDPINPDAPD肖特基势垒PDPD工作原理：以光导模式工作的结型光伏型探测器。五、光电探测器光伏探测器-光电二极管（PD）工作原理器件结构示意图电场分布图五、光电探测器光伏探测器-光电二极管（PD）Si-PD光谱响应特性峰值波长：0.9

m长波限：1.1

m五、光电探测器光伏探测器-光电二极管（PD）伏安特性频率响应特性决定因素：光生载流子在耗尽层附近的扩散时间。光生载流子在耗尽层内的漂移时间。与负载电阻RL并联的结电容Cj所决定的电路时间常数。五、光电探测器光伏探测器-光电二极管（PD）扩散时间d：扩散进行的距离Dc：少数载流子的扩散系数频率响应特性以P型Si为例：电子扩散进行距离为5

m，扩散系数为3.410-3m2/s。

dif=3.7ns。五、光电探测器光伏探测器-光电二极管（PD）耗尽层中的漂移时间频率响应特性假定：偏压V比结电压V0高得多，且为突变结。在W内由于高电场存在，载流子的漂移速度（v）趋于饱和。耗尽层宽度载流子饱和速度五、光电探测器光伏探测器-光电二极管（PD）以P型Si为例：耗尽层中电场取2000V/m，vsat为105m/s，取W=5m

频率响应特性耗尽层中的漂移时间

dr0.05ns。五、光电探测器光伏探测器-光电二极管（PD）结电容效应（

c）PD对外电路显示出一个与结有关的结电容Cj。对于突变结：A：结面积频率响应特性五、光电探测器光伏探测器-光电二极管（PD）如果：A=1mm2，r=11.7，Nd=1021m-3，V=10V，则Cj=30pF假定|V|V0，且对p+n结，Na>>Nd，则频率响应特性结电容效应（

c）五、光电探测器光伏探测器-光电二极管（PD）如果：Cj=30pF，RL=50，则

c=3.5ns如果入射光功率P=P0+Pmsint，则负载电阻RL上输出电压的有效值为：电路时间常数：c=RLCj频率响应特性结电容效应（

c）五、光电探测器光伏探测器-光电二极管（PD）载流子输运典型时间：

dif3.7ns

dr0.05ns

c

3.5ns决定PD响应速度的主要因素：载流子扩散时间，电路时间常数。频率响应特性五、光电探测器光伏探测器-光电二极管（PD）SiPD的局限性从响应时间来说，响应时间取决于光生载流子扩散到结区所需时间和结电容，限制了PD在高速光通信系统中的应用。考虑采取的措施减小光生载流子扩散距离（浅结）减小PN结面积增加势垒区宽度适当增加工作电压为了适应高速响应，必须改善频率响应特性，措施：PINPD五、光电探测器光伏探测器-光电二极管（PD）结构和电场分布PINSi-PD结构示意图PINSi-PD电场分布PIN：P-Intrinsic-N五、光电探测器光伏探测器-PIN光电二极管（PIN-PD）若用=103

cm的单晶Si片，在稍高于10V的反向偏压下就可使I层变为耗尽层，可以把I层厚度看成耗尽层宽度。PINPD结构特点：P区很薄，I区足够厚，保证大部分入射光子在I区中吸收。五、光电探测器光伏探测器-PIN光电二极管（PIN-PD）PINPD中I层的作用耗尽层加宽，增大了光电转换的有效工作区域，提高了器件灵敏度。I层的存在，使击穿电压不再受基体材料的限制，用低电阻基体材料就可取得高的反向击穿电压，而器件的串联电阻可大大减小。结电容减小，一般在10pF量级。提高了器件的响应速度。五、光电探测器光伏探测器-PIN光电二极管（PIN-PD）PINPD的性能特点频带宽，可达10GHz。1PINPD在光通信、光雷达以及其它快速光电自动控制领域得到了非常广泛的应用。2五、光电探测器光伏探测器-PIN光电二极管（PIN-PD）尽管PIN比PD有所改进，但由于耗尽区加宽而且所加反向偏压又不能很高，故载流子的漂移时间势必要拉长，从而影响响应速度的进一步提高。PIN光电流很微弱，使用时须多次放大，不可避免引入放大器噪声，降低接收机的信噪比。光生电流在其内部先进行放大，具有雪崩增益作用。PINPD的局限性：措施五、光电探测器光伏探测器-PIN光电二极管（PIN-PD）APD：AvalanchePhotodiode基于载流子雪崩效应，从而提供电流内增益的光电二极管。偏压要求：一般PN结PD：几十伏以下APD：几百伏左右。材料要求：高纯度、高电阻率、均匀性非常好的硅或锗单晶材料。五、光电探测器光伏探测器-光电二极管-APD雪崩倍增效应五、光电探测器光伏探测器-光电二极管-APDAPD的结构当反向偏压增大到雪崩击穿电压的90%~95%时，耗尽层的宽度刚好“拉通”到几乎整个本征的区。

五、光电探测器光伏探测器-光电二极管-APDAPD的特性（1）增益特性：灵敏度高，输出电流是普通PD的M倍。M：雪崩电流增益因子（产生雪崩倍增时的光电流Is与无雪崩倍增时的光电流Is0之比。V—APD工作时的反向偏压Vbr—APD的雪崩击穿电压d—与材料掺杂情况有关的系数n+p结：d=2，p+n结：d=4五、光电探测器光伏探测器-光电二极管-APDAPD的特性（2）频率响应特性：响应时间短，频带可达100GHz。是目前响应最快的一种光电二极管。适用于光纤高速通信、激光测距及其它微弱光的探测等。（3）噪声特性：散粒噪声和热噪声APD在雪崩过程中它的电离是随机的，电离后电子、空穴的运动方向、运动速度也是随机的，因而散粒噪声比普通PD来的大。（4）APD在接近击穿时，有暗电流迅速变大的缺陷。五、光电探测器光伏探测器-光电二极管-APD结构和作用原理：Si光电三极管的结构使用电路等效电路PD实现内增益的途径：APD：利用载流子雪崩效应光电三极管：利用一般晶体三极管的电流放大原理。五、光电探测器光伏探测器-光电三极管光电三极管等效于一个光电二极管与一个一般晶体管的基极、集电极并联。集电极—基极光电二极管：产生光电流，输入到共发射三极管的基极再得到放大。集电极起双重作用：光信号变成电信号起光电二极管作用；使光电流再放大起一般晶体管的集电极作用。灵敏度是PD的数十倍，输出电流比PD大得多，一般为mA级。多用作光电开关或光电逻辑元件。五、光电探测器光伏探测器-光电三极管光热探测器是以光辐射能与半导体材料中晶格相互作用为基础的一种器件。种类：热敏电阻测辐射热计热电偶（堆）探测器热释电探测器五、光电探测器光热探测器光热探测器的信号形成过程：第一阶段：辐射能

热能 由探测器的温度变化可确定所吸收的辐射能。第二阶段：热能

电能 由探测器的输出电信号可确定探测器的温度变化。光热探测器的核心部件：响应元作用：吸收入射光辐射实现热电转换五、光电探测器光热探测器所有光热探测器，第一阶段相同，第二阶段不同光辐射探测器温度变化电阻率变化（电阻温度效应）热敏电阻测辐射热计温差电动势变化（温差电效应）热电偶、热电堆探测器自发极化强度变化（热释电效应）热释电探测器五、光电探测器光热探测器第一阶段的过程描述：环境T0热导G探测器热容C、质量m、比热Cp光辐射T0T0+

T0求：|

T|与什么因素有关？五、光电探测器光热探测器第一阶段的过程描述：环境T0热导G探测器热容C、质量m、比热Cp光辐射T0T0+

T0探测器的热能对时间的变化率应等于单位时间内产生的热量及流失的热量之差。即：—探测器材料的吸收率—光辐射调制频率P0—经过调制后的辐射功率的振幅每秒向外界放出的热量每秒吸收辐射产生的热量五、光电探测器光热探测器第一阶段的过程描述：上式可写成：探测器的热时间常数环境T0热导G探测器热容C、质量m、比热Cp光辐射T0T0+

T0五、光电探测器光热探测器第一阶段的过程描述：结论：高的灵敏度，要求尽量小的C和G；响应元一般做成小面积的薄片状态，目的：减小C。一般采用尽量小的支架，目的：减小G。在C已经很小的情况下，G又不可能做得太小，因此

H变得较长，所以一般H在ms~s之间。光热探测器一般是慢响应探测器。环境T0热导G探测器热容C、质量m