第三章 探测器（3）

null3.3 光探测器性能参数3.3 光探测器性能参数光电特性和光照特性 光电特性——当光电器件上的电压一定时，光电流与入射在光电器件上的光通量之间的关系。光照特性——光电流与入射在光电器件上的光照度之间的关系。线性度——探测器的输出光电流与输入光的辐射通量成比例的程度和范围。线性区的下限由暗电流和噪声等因素决定，而上限通常由饱和效应可过载决定。（2）光谱特性（2）光谱特性光谱响应度：就是指不同波长处的响应能力，又称为光谱灵敏度。 如果探测器对波长为λ的光辐射通量Φ 产生的输出电流为Ip，则其光谱响应度为： 类似有：光电流或输出电压与入射光波长之间的关系。null 积分灵敏度 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。 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示法。A/lm or A/W or V/W。光谱灵敏度与积分响应度的关系：光谱响应特性曲线光谱响应特性曲线null(3) 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。 是可测的信号功率最小值； 是单位信噪比的入射光功率； NEP越小，探测器越灵敏。null用NEP的倒数作为衡量探测器最小可探测能力的参数，是单位入射功率相应的信噪比，并称之为探测度，用D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较，因此引入归一化探测率D* （比探测率），其值为 式中：A为器件接收面积，Δf为工作带宽。 D越高，探测器的灵敏度越高，性能越好。（4）响应时间（4）响应时间探测器对变化信号响应快慢的能力。 当光辐射突然照射或消失时，探测器的输出信号不会立即到达最大值或下降为零，而是出现变化缓慢的上升沿和下降沿。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）。这种弛豫现象表现了光电探测器对光强变化反应的快慢。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的变化。null实际器件的响应都具有滞后现象（惰性）。 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 ，此值约为63%； 衰减弛豫（下降时间）定义为响应值下降至稳定值的 时所需的时间，此值约为37%。 这些上升或下降的时间就表示了器件惰性的大小。（5）探测器的探测能力（5）探测器的探测能力噪声 N：除探测信号之外的测量值。 信噪比： 为了提高信噪比，可增大信号值或减小噪声大小。显然，无法用预先确知的时间函数来描述它。 长时间看，噪声电压从零向上涨和向下落的机会是相等的，其时间平均值一定零。所以用时间平均值无法描述噪声大小。 然而，噪声本身是统计独立的，所以能用统计的方法来描述。null按噪声产生的原因，可分为以下几类： 1、外部原因(干扰)：人为噪声； 自然噪声。 通过屏蔽、遮光、背景扣除等手段减少 2、内部原因(噪声)：热噪声；散粒噪声； 暗电流噪声；产生－复合噪声；1/f噪 声；温度噪声；量子（辐射）噪声；放 大器噪声。 null几种常见噪声的产生原因及其表示方法 ⒈　热噪声：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、或起伏电流。 [注意]：热噪声虽然是温度T的函数，但并不是温 度变化引起的温度噪声。 属于“白噪声”。即：热噪声的大小与频率的高低无关。 措施：降低温度T；压缩带宽null2、散粒噪声：由于粒子的随机性出现而构成的噪声。 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。 散粒噪声的大小取决于： 注意： 属于白噪声。 措施：减小背景光；压缩带宽null3、暗电流噪声 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：场致发射、热激发载流子等。 属于白噪声。 措施：降低温度T；压缩带宽null4、 1/f噪声  　 1/f噪声又称为闪烁或低频噪声。这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在，当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。噪声的电流与电压均方值分别为 ：~2； ：~0.8-1.5; ：比例常数。 工作频率越低，1/f 噪声越大。null3.4 光伏效应及其器件光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半导体中产生光生电子-空穴对，并在空间分开而产生电位差的现象。即将光能转化成电能。 不均匀半导体：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PN结、异质结、肖特基结） 均匀半导体：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，产生的光生电势。如丹倍效应和光磁电效应 。3.4.1 光伏效应null热平衡下P-N结模型及能带图耗尽区、阻挡层空间电荷区、P-N结的形成：（一）热平衡状态下的PN结null PN结的电流方程：(推导过程略) U>0 ,第一项迅速增大，代表正向电流； U=0, 等于零，代表平衡状态； U<0,第一项趋向于零，第二项代表反向饱和电流。Unull（二）光照下的PN结 PN结光伏效应 假定光生电子-空穴对在结区，即耗尽区内产生。由于内建电场作用，电子-空穴对被分离，电子从p区向 n区漂移运动，被内电场分离的电子和空穴就在外回路中形成电流。 null 当P-N结受光照时，只要光子的能量大于禁带宽度,则无论是在P区还是N区,或是结合区,都会产生“光生载流子对”。但在远离结区的光生载流子对只是增加了导电性。而在结区附近的光生载流子对将打破原有的动态平衡。 由于PN结区存在较强的内建电场（由N指向P），光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即电子空穴对被内建电场分离。 在光照下，PN结区将产生一个由N区指向P区的光生电流，与漂移电流同向，使PN结两侧的空间电荷被中和掉一部分，导致结区宽度变窄，从而使扩散电流增大。 当光生电流与漂移电流之和等于扩散电流时，PN结两端建立起一个稳定的电势差。 null光照下光电流的产生动态图null实际上，并非所产生的全部光生载流子都对光生电流有贡献。设N区中空穴在寿命τp的时间内扩散距离为Lp，P区中电子在寿命τn的时间内扩散距离为Ln。Ln+Lp=L远大于P-N结本身的宽度。 故可以认为在结附近平均扩散距离L内所产生的光生载流子都对光电流有贡献。而产生的位置距离结区超过L的电子空穴对，在扩散过程中将全部复合掉，对P-N结光电效应无贡献。 null 光照下PN结的电流方程 null开路电压 一般地， ， 短路电流 结论: Uoc与Isc是光照下P-N结的两个重要参数，在一定温度下，开路电压Uoc与光电流（照度或光 通量）的对数成正比，但最大值不超过接触电势差UD。弱光照下，Isc与E有线性关系。 null光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加偏压就能将光能转化成电能的光电器件。简单的说，其本质就是一个PN结。 3.4.2 光伏型探测器——结型光电器件一、光电池按用途 太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低） 测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等） 按材料 硅光电池：PN结型，光谱响应宽，频率特性好 硒光电池：金属-半导体接触型，波谱峰值位于人 眼视觉内 薄膜光电池：CdS增强抗辐射能力 紫光电池：PN结0.2~0.3 µm,短波峰值600nm 砷化镓光电池、锗光电池null按基底材料不同分(硅光电池) 2DR（P型Si为基底） 2CR（N型Si为基底） 按形状分 阵列式：分立的受光面 象限式：参数相同的独立光电池 阵列式 象限式 null1. 硅光电池的基本结构 如图（a）所示为2DR型硅光电池，它是以P型硅为衬底(即在本征型硅材料中掺入三价元素硼或镓等)，然后在衬底上扩散磷而形成N型层并将其作为受光面。 硅光电池的受光面的输出电极多做成如图（b）所示，图中所示的梳齿状或“E”字型电极，其目的是减小硅光电池的内电阻。null2. 硅光电池工作原理 如图所示，当光作用于PN结时，耗尽区内的光生电子与空穴在内建电场力的作用下分别向N区和P区运动，在闭合的电路中将产生如图所示的输出电流IL，且负载电阻RL上产生电压降为U。显然，PN结获得的偏置电压U与光电池输出电流IL与负载电阻RL有关，即 U=ILRL当以输出电流的IL为电流和电压的正方向时，可以得到伏安特性曲线。null光照特性3. 基本特性 开路电压即为光电动势，与光照度成对数关系； 短路电流与照度成线性关系，用于光电测量。null伏安特性：表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。一般硅光电池工作在第四象限。负载电阻越小，光照线性越好。null光谱特性：短路电流随波长变化情况，取决于所用材料与工艺。硅光电池的响应峰值接近于太阳的光谱分布峰值，常用作太阳能的直接转换。 null频率特性 光电池接收正弦型光照时 常用频率特性曲线表示。 负载大时频率特性变差；减小负载可减小时间常数，提高频响； 但负载电阻的减小会使输出电压降低。 null温度特性 开路电压具有负温度系数，即随着温度的升高UOC值反而减小； 短路电流具有正温度系数，即随着温度的升高ISC增大。 null4. 基本电路 符号 连接电路 等效电路 U=ILRL自偏置电路（负载上的压降作为光电池的正向偏压）null零伏偏置电路（负载为零，故无自给正向偏压）短路工作情况：短路电流与照度成线性关系。电路见P91：图3.40例：已知光电池2CR21在入射照度E1=300 lx时，开路电压Uoc1=310mV。求入射照度E2=400 lx时的开路电压Uoc2=？解：Ip=SIE1 >>I0时，室温时 ，null光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结,利用光生伏特效应制成。二、光电二极管在无光照时，若给PN结加上一个适当的反向电压，则反向电压加强了内建电场，使PN结空间电荷区拉宽，势垒增大； 当被光照时，在结区产生的光生载流子被加强了的内建电场拉开，光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，于是形成了以少数载流子漂移运动为主的光电流。E反E内null与普通二极管相比: 共同点：一个PN结，单向导电性 不同点： （1）受光面大，PN结面积更大，PN结深度较浅 （2）表面有防反射的SiO2保护层 （3）外加负偏压 null与光电池相比： 共同点：均为一个PN结，利用光生伏特效 应， SiO2保护膜 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—1016~1019原子数/cm3，硅光电二极管偏低—10121013原子数/cm3 。 （3）光电池的电阻率低（0.1~0.01/cm),而硅光电二极管的电阻率较高，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下工作。null分类 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。 按结特性：PN结（扩散层、耗尽层）、PIN结 、异质结、肖特基结 按结构分，也有同质结与异质结之分。其中最典型的还是同质结硅光电二极管。 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。 2CU系列以N-Si为衬底， 2DU系列以P-Si为衬底。null结构2DU管加环极的目的是为了减少暗电流和噪声。用高阻N（P）型硅作为基片，其电阻率约为1K∙cm，然后在基片表面进行P掺杂（N掺杂：用磷扩散）形成NP结构。P（N）区扩散得很浅约为1m左右，而空间电荷区较宽，故保证了大部分光子入射到耗尽层内。在光敏面上涂上一层硅油保护膜，既可保护光敏面又可增加对光的吸收率。null光电二极管的电路 光电二极管的用法只能有两种。 一种是不加外电压，直接与负载相接。 另一种是加反向电压，如图所示。 a) 不加外电源  b) 加反向外电源  c) 2DU环极接法 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。 null基本特性 光照特性伏安特性光电流与照度的关系; 线性好; 光电流较小; 灵敏度低。15V反向偏压时的光照特性曲线反向偏压与光电流之间的关系;null频率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： 结电容（小于20µµF) 和杂散电容； 光生载流子在薄层中的扩散时间及PN结中的漂移时间 ;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；null象限探测器 利用集成电路光刻技术,将一个圆形或方形的光敏面窗口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，在理想情况下，每个光电器件应有完全相同的性能参数。 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。 特殊结型光电二极管nullPIN型光电二极管 PIN管又称快速光电二极管。在原理上和普通光电二极管一样，都是基于PN结的光电效应工作的。所不同的是它的结构，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。 这样，PN结的内电场就基本上全集中于I层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。由于工作在反偏，随着反偏电压的增大，结电容变得更小。null由式τ = CfRL与f = 1/2πτ知，Cf小，τ则小，频带将变宽。因此，这种管子的特点是： 频率响应快，目前PIN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1-3ns，最高达0.1ns； 频带宽，可达10GHz； 因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。； I层较厚，又工作在反偏，使结区耗尽层厚度增加，提高了对光的吸收和光电变换区域，使量子效率提高； 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0.4-1.1µm。null雪崩型光电二极管（avalanche photodiode) APD是具有内部倍增放大作用的光电二极管，利用PN结势垒区的高反向电压下强电场作用产生载流子的雪崩倍增而得到。工作过程： 光子入射到耗尽区后激发出电子-空穴对，被激发的电子和空穴在在强电场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，使晶格原子电离产生二次电子空穴对，称为碰撞电离过程。此过程多次重复，象“雪崩”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形成血本倍增效应。 当电压等于反向击穿电压时(约100～200V) ，电流增益可达106，即产生所谓的自持雪崩。 null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，保证较高的电场强度这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。但噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。null紫外光电二极管 困难：紫外光是高频电磁波，频率越高吸收越大，大多数紫外光生载流子产生在材料的表面附近，还没到达结区就被复合掉。 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。 190-1100nm 肖特基结光电二极管 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。 当光子入射到耗尽层上，激发电子空穴对时，在势垒场作用下，被移向两侧，产生光生电势差。能吸收相当一部分蓝、紫光和几乎所有的紫外线。 金或铝+Si、Ge、GaAs、GaAsP、GaPnull结构：有NPN型——3DU型（Si） PNP型——3CU型（Si） 光电三极管和普通三极管类似，也有电流放大作用。只是它的集电极电流不只是受基极电路的电流控制，也可以受光的控制。 光电晶体管的外形，有光窗、集电极引出线、发射极引出线和基极引出线（有的没有）。注意：不要与光电二极管混淆，2DU型光电二极管不要与光电三极管混淆。光电三极管null光电晶体管原理性结构如图 正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结为反偏置，发射结为正偏置，集电结为光电结。 null工作原理分为两个过程： 光电转换和光电流放大。 光电转换过程与一般光电二极管相同，在集-基结区（c-b）内进行。光激发电子-空穴对，电子流向集电区被集电极所收集，而空穴流向基区作为基极电流被晶体管放大。 其放大原理与一般晶体管相同，所不同之处是一般晶体管是由基极向发射结注入载流子控制发射区扩散电流；而光电晶体管是由光生载流子注入到发射结控制发射区的扩散电流。最后，集-基结区产生的光电流被晶体管放大倍。