光电检测器件工作原理及特点

《光电检测器件工作原理及特点》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第二章光电检测器件工作原理及特性2.1光电检测器件的物理基础光电效应光热效应光物质光电效应光热效应能量转换电热信息检测一、光电效应光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生感应电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生变化的现象称为光电效应。光电效应包括外光电效应和内光电效应外光电效应：物体受光照后向外发射电子——多发生于金属和金属氧化物内光电效应：物体受到光照后，内部电子能量状态产生变化，但不存在表面发射电子的现象——多发生在半导体和绝缘体上内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加

2、而电阻减少的现象1本征光电导效应本征光电导是指只有光子能量hv大于材料禁带宽度Eg的入射光，才能发出电子空穴对，使材料产生光电导效应的现象。用公式表示为因此，本征光电导材料的截止波长为亦即只有波长小于的入射辐射才能产生本征光电导。把普朗克常数及光速代入式（2-2）有（2-1）（2-2）（2-3）本征半导体的光电效应如图2-1所示当在垂直于电场方向有均匀光照入射到样品表面，且入射光通量恒定时，样品中流出的光电流称为稳态光电流。无光照时，半导体材料在常温下具有一定的热激发载流子浓度,此时材料处于暗态，具有一定的暗电导率。暗态下样品的电导可以表示为（2-4）式中：Gd为样品的电

3、导，下标d代表暗态，σ为半导体材料的电导率，S为样品横截面的面积，L为样品的长度。L光本征半导体样品图2-1如果记样品外加电压为U，通过的电流为暗电流，可表示为（2-5）有光照时，样品吸收光子能量产生光生载流子，此时材料处于亮态，具有亮电导（2-6）亮态下，样品在外加电压下流出的电流称为亮电流，即（2-7）式中：I为电流，下标l代表亮态，亮电导Gl与暗电导Gd之差称为光电导Gp即（2-8）式中，Δσ为光致电导率的变化量。亮电流与暗电流之差称为光电流，即（2-9）2光电导弛豫过程0τ图2-2弛豫现象反映了光电导体对光强变化的反应快慢程度。矩形脉冲光照下光电导弛豫过程如图2-

4、2所示。常用上升时间常数τr和下降时间常数τf来描述弛豫过程的长短。3710063τfτr当输入光功率按照正弦规律变化时，输出光电流（对应光生载流子浓度）与光功率调制频率变化的关系是一个低通特性，说明光电导的弛豫特性限制了器件对调制频率高的光功率的响应。i/(%)3光电导增益它表示长度为L的光电导体在两端加上电压U后，由光照产生的光生载流子在电场作用下形成的外电流与光生载流子在内部形成的光电流之比。可表示为（2-10）式中：M为光电导增益；τ为器件的时间响应；tdr为载流子在两极间渡越时间。电极绝缘衬底引线引线光电导材料图2-3光电导器件常作成如图2-3所示的梳状电极，光

5、敏面做成蛇形。常数4杂质光电导效应杂质光电导效应是指杂质半导体中的施主或者受主吸收光子能量后电离，产生自由电子或空穴，从而增加材料电导率的现象。由于杂质光电导器件中施主或受主的电离能级比同材料的本征半导体的禁带宽度要小很多，因此响应波长也要比本征半导体材料的工作波长要长很多。因杂质的电离能很小，为了避免热激发的载流子产生的噪声超过光激发的信号载流子，多数杂质半导体光电导器件都必须工作在低温状态。光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属—半导体接触面上时，会在PN结或金属—半导体接触面的两侧产生光生电动势。PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于扩散及内建场的

6、作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于PN结上加一个正电压V，则PN结的势垒由原有的eVD降为eVD-eV。在形成光生电动势的过程中，内部电流（光生电流）的方向由N区到P区，光生电动势的存在使P区与N区之间出现正向电压并产生正向注入电流，方向由P区指向N区，其值为5光生伏特效应（2-11）PNeVDeVDPNPNeVDPNeV如果PN结有外接回路，则流经外回路的总电流与光生电流和结电流之间的关系为（2-12）式中：V是PN结两端电压（包括外加电压或光生电压）。PN结开路时，I=0，求得开路电压（2-13）如果负载接入外回路，电流为I，则PN结两端的

7、电压为（2-14）如果PN结短路，则V=0，求的短路电流就是光电流在没有光照时，Ip=0，外加正向电压为V时，有（2-16）（2-15）二、光热效应光热效应：材料受光照射后，由于温度变化而造成材料性质发生变化的现象称为光热效应。在光热效应中，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生变化．热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化，引起表面电荷变化的现象．辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象．温差电效应：由两种材料制成的结点出现温差而在两结点间产生电动势，回路中产生电流．1、热释电效应