《光电导探测器》ppt课件

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1、光电信号检测第四章光电导探测器利用光电导效应制作的光探测器称为光电导探测器，简称PC(Photoconductive)探测器，通常又称为光敏电阻。光电导效应：光子作用于光电导材料，形成本征吸收或杂质吸收，产生附加的光生载流子，从而使半导体的电导率发生变化，这就是光电导效应。光电导效应是半导体材料的一种体效应，不需形成pn结，故又常称为无结光电探测器。与一般电阻器不同，它是有源器件，工作时要加以适当的偏流或偏压。光电导探测器可根据不同类型的光电导效应和材料差异分为本征型、杂质型、薄膜型和扫积型光电导探测器。概述7/1/20212一、光电导效应光电导效应只发生在某些半导体

2、材料和绝缘体材料中，金属没有光电导效应。金属之所以导电，是由于金属原子形成晶体时产生了大量的自由电子。自由电子浓度是个常量，不受外界因素影响。半导体在0K时，导电载流子浓度为0。在0K以上，由于热激发而不断产生热生载流子(电子和空穴)，它在扩散过程中又受到复合作用而消失。在热平衡下，单位时间内热生载流子的产生数目正好等于因复合而消失的数目。因此在导带和价带中维持着一个热平衡的电子浓度n和空穴浓度p，它们的平均寿命分别用τn和τp表示。§4-1光电导探测器的工作原理7/1/20213入射光辐射与晶格原子或杂质原子的束缚电子相互作用，光子将激发出新的载流子【自由电子－空穴

3、对（本征光电导）、自由电子或空穴（非本征光电导）】，这就使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了一个量Δn和Δp，新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载流子，又称之为光生载流子。显然，Δp和Δn将使半导体的电导增加一个量ΔG，称之为光电导。使半导体材料的电导增加的效应为光电导效应。7/1/202147/1/20215本征光电导：长波阈：短波阈：价带底到导带顶间的能量差。非本征光电导：Ei：杂质电离能导带价带光激发电子空穴受主能级施主能级非本征光电导导带价带光激发电子空穴本征光电导7/1/20216lwdxVARLPI如果半导体的截面积是A，则其电导(亦称为热平衡暗电导

4、)G为所以半导体的电阻Rd(亦称暗电阻)为载流子浓度载流子浓度载流子迁移率：在外电场E作用下，载流子产生漂移运动，漂移速度v和电场E之比定义为载流子迁移率。载流子的漂移运动效果用半导体的电导率来描述：7/1/20217二、光电导探测器的光电转换原理LwdxVARLPI光电导材料的吸收系数为α，表面反射率为R，入射光功率在材料内部沿x方向的变化为P(x)7/1/20218LwdxPIdx于是平均光电流为：x处的光生载流子密度载流子在外电场作用下的漂移速度电极面积（Ad=wd）电极面积元dA=wdxμn:电子的迁移率x处的光生面电流密度为：漂移速度v又可以表示为：7/1/

5、20219现在来求光生载流子的浓度n(x)。稳态时单位时间单位体积内的产生率＝复合率，则于是载流子平均寿命7/1/202110现在来处理积分式。当P全部被吸收时（α＝1），平均光生载流子浓度为：则，入射光功率全部被吸收产生的光电流为：定义量子效率7/1/202111于是其中，τd＝L/v渡越时间；G＝τ0/τd内增益，表示一个光生载流子对探测器外回路电流的有效贡献。表明光电导探测器是一个具有内增益的器件。7/1/202112关于G的讨论：当G＝1时，表示光生载流子平均寿命τ0刚好等于它在电极间的渡越时间τd，每产生一个光电子对外回路电流正好提供一个电子的电荷e。当G<

6、1时，表示τ0小于τd，显然每个光电子对外回路电流的贡献将小于一个电子的电荷e。7/1/202113对G>1的情况，似乎光电子已渡越完毕，但其平均寿命却还未中止。这种现象可以解释为：光生电子向正极运动，空穴向负极移动，空穴在移动过程中很容易被半导体内晶体缺陷和杂质形成的陷阱所俘获。因此，当光电子在阳极消失时，空穴仍留在体内，它将负极的电子感应到半导体中来，感应到体内的电子又在电场中运动到正极，如此循环，直到正电中心（被俘获的空穴）消失。显然，这种效应相当于一个光子激发，可以有多个电子相继通过电极，因而在外回路对总的光电流的贡献将多于一个电子，相当于光电流被放大。由于载

7、流子平均寿命τ0是一个统计平均值，故光电导探测器的内增益G也是一个统计平均量。7/1/202114结论：光电导探测器是一个具有内增益的器件。内增益G与器件的材料、结构尺寸及外加偏压（偏流）有关。对于光生载流子平均寿命长、迁移率大的光电导材料，极间距离小的光电导探测器，G值可达到几百。7/1/202115三、光电导探测器的工作模式及等效电路结构形式：偏置电路形式：入射光电极引线电极引线金属电极半导体材料光电导探测器结构示意图偏置电源Rd（光电导器件）RL光电导探测器偏置电路7/1/202116等效电路：IpRdCdRiCi放大器Vso(a)交流等效电路