第二章光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體自然存在的各種物質(zhì)，分為氣體、液體、固體。固體按導(dǎo)電能力可分為：導(dǎo)體、絕緣體和介于兩者之間的半導(dǎo)體。電阻率10-6~10-3

Ω·cm范圍內(nèi)——導(dǎo)體電阻率1012

Ω·cm以上——絕緣體電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間——半導(dǎo)體電阻率ρ=R*S/L

，單位Ω·m

。R為電阻值，S為橫截面積，L為長度。推導(dǎo)出R=ρ*L/S。設(shè)導(dǎo)體橫截面1mm2，長度1m，電阻率10-6

Ω·cm或1012Ω·cm，計算出電阻為0.01Ω或1016Ω2/26/20241半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)一般是負的（溫度升高，電阻下降），而且對溫度變化非常敏感。根據(jù)這一特性，可以制作熱電探測器件。導(dǎo)電性受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化。（純凈Si在室溫下電導(dǎo)率為5*10-6/(歐姆?厘米)。摻入硅原子數(shù)百萬分之一的雜質(zhì)時，電導(dǎo)率為2/(歐姆?厘米))半導(dǎo)體導(dǎo)電能力及性質(zhì)受光、電、磁等作用的影響。2/26/20242本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體就是沒有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體。在純凈的半導(dǎo)體中摻入一定的雜質(zhì)，可以顯著地控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)。摻入的雜質(zhì)可以分為施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)。施主雜質(zhì)為不可移動的帶正電的施主離子，同時提供電子，使半導(dǎo)體成為電子導(dǎo)電的n型半導(dǎo)體。受主雜質(zhì)為不可移動的帶負電的受主離子，同時提供空穴，使半導(dǎo)體成為空穴導(dǎo)電的p型半導(dǎo)體。2/26/20243平衡和非平衡載流子處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，在一定溫度下，載流子濃度一定。這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度，稱為平衡載流子濃度。半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)是相對的，有條件的。如果對半導(dǎo)體施加外界作用，破壞了熱平衡的條件，這就迫使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài)，稱為非平衡狀態(tài)。處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，其載流子濃度也不再是平衡載流子濃度，比它們多出一部分。比平衡狀態(tài)多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子。

2/26/20244非平衡載流子的產(chǎn)生光注入：用光照使得半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子。當光子的能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度（從固定態(tài)到游離態(tài)所需能量）時，光子就能激發(fā)電子移動，產(chǎn)生電子－空穴對，比平衡時多出一部分電子，多出一部分空穴。產(chǎn)生的非平衡電子濃度等于非平衡空穴濃度。光注入產(chǎn)生的非平衡載流子，導(dǎo)致半導(dǎo)體電導(dǎo)率增加。2/26/20245光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和光熱效應(yīng)光電效應(yīng)：物質(zhì)受光照射后，材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化（發(fā)射電子、電導(dǎo)率的改變、產(chǎn)生感生電動勢）現(xiàn)象。

包括：外光電效應(yīng)：產(chǎn)生電子發(fā)射內(nèi)光電效應(yīng)：內(nèi)部電子能量狀態(tài)發(fā)生變化2/26/20246光電效應(yīng)解釋物質(zhì)在光的作用下，不經(jīng)升溫而直接引起物質(zhì)中電子運動狀態(tài)發(fā)生變化，因而產(chǎn)生物質(zhì)的光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和光電子發(fā)射等現(xiàn)象。在理解上述定義時，必須掌握以下三個要點：原因：是輻射，而不是升溫；現(xiàn)象：電子運動狀態(tài)發(fā)生變化；結(jié)果：電導(dǎo)率變化、光生伏特、光電子發(fā)射。簡單記為：輻射→電子運動狀態(tài)發(fā)生變化→光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、光電子發(fā)射。2/26/20247光對電子的直接作用是物質(zhì)產(chǎn)生光電效應(yīng)的起因光電效應(yīng)的起因：在光的作用下，當光敏物質(zhì)中的電子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束縛時，電子就會從基態(tài)被激發(fā)到高能態(tài)，脫離原子核的束縛，在外電場作用下參與導(dǎo)電，因而產(chǎn)生了光電效應(yīng)。這里需要說明的是，如果光子不是直接與電子起作用，而是能量被固體晶格振動吸收，引起固體的溫度升高，導(dǎo)致固體電學(xué)性質(zhì)的改變，這種情況就不是光電效應(yīng)，而是熱電效應(yīng)。2/26/20248光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：光照射的物質(zhì)電導(dǎo)率發(fā)生改變，光照變化引起材料電導(dǎo)率變化。是光電導(dǎo)器件工作的基礎(chǔ)。

物理本質(zhì)：光照到半導(dǎo)體材料時，晶格原子或雜質(zhì)原子的束縛態(tài)電子吸收光子能量并被激發(fā)為傳導(dǎo)態(tài)自由電子，引起材料載流子濃度增加，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。屬于內(nèi)光電效應(yīng)。

包括：本征和非本征兩種，對應(yīng)本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體材料。2/26/20249本征光電導(dǎo)效應(yīng)本征光電導(dǎo)效應(yīng)：是指本征半導(dǎo)體材料發(fā)生光電導(dǎo)效應(yīng)。

即：光子能量hv大于材料禁帶寬度Eg的入射光，才能激光出電子空穴對，使材料產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)。針對本征半導(dǎo)體材料。即：

hv>Eg即存在截止波長：λ0=hc/Eg=1.24/Eg。（光速c=ν*λ）基本概念：1、穩(wěn)態(tài)光電流：穩(wěn)定均勻光照

2、暗電導(dǎo)率和暗電流3、亮電導(dǎo)率和亮電流4、光電導(dǎo)和光電流2/26/202410基本公式：暗電導(dǎo)Gd=σdS/L暗電流Id=σdSU/L亮電導(dǎo)Gl=σlS/L亮電流Il=σlSU/L光電導(dǎo)Gp=ΔσS/L光電流Ip=ΔσSU/L光電導(dǎo)效應(yīng)示意圖LS本征半導(dǎo)體樣品光U2/26/202411雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)：雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體中施主或受主吸收光子能量后電離中，產(chǎn)生自由電子或空穴，從而增加材料電導(dǎo)率的現(xiàn)象。

雜質(zhì)半導(dǎo)體禁帶寬度比本征小很多，因此更容易電離，響應(yīng)波長比本征材料要長得多。用EI表示雜質(zhì)半導(dǎo)體的電離能，則截止波長：λ0=hc/EI。

特點：容易受熱激發(fā)產(chǎn)生的噪聲的影響，常工作在低溫狀態(tài)。

常用光電導(dǎo)材料：硅Si、鍺Ge及摻雜的半導(dǎo)體材料，以及一些有機物。2/26/202412

光電導(dǎo)效應(yīng)指固體受光照而改變其電導(dǎo)率。此效應(yīng)是最早發(fā)現(xiàn)的光電現(xiàn)象。半導(dǎo)體和絕緣體都有這種效應(yīng)。

電導(dǎo)率正比于載流子濃度及其遷移率的乘積。

入射光的光子能量等于或大于與該激發(fā)過程相應(yīng)的能隙ΔE(禁帶寬度或雜質(zhì)能級到某一能帶限的距離)，也就是光電導(dǎo)有一個最大的響應(yīng)波長，稱為光電導(dǎo)的長波限λC

，若λC

以μm計，ΔE以eV

計，則λC與ΔE的關(guān)系為

λC=1.24/ΔE

就光電器件而言，重要的參數(shù)有靈敏度，弛豫時間和光譜分布。下面討論一下光電導(dǎo)體的這三個參數(shù)。2/26/202413

一、光電導(dǎo)體的靈敏度

靈敏度通常指的是在一定條件下，單位照度所引起的光電流。由于各種器件使用的范圍及條件不一致，因此靈敏度有各種不同的表示法。光電導(dǎo)體的靈敏度表示在一定光強下光電導(dǎo)的強弱。它可以用光電增益G來表示：

G=βτ/tL

：

（1）

式中β為量子產(chǎn)額，即吸收一個光子所產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)；τ為光生載流子壽命；tL為載流子在光電導(dǎo)兩極間的渡越時間，一般有(μ為遷移率)

tL

=l/μE=l2/μU（2）將式（1）代入式（2）可得

G=βτμU/l22/26/202414式中l(wèi)為光電導(dǎo)體兩極間距；μ為遷移率（遷移率是指載流子（電子和空穴）在單位電場作用下的平均漂移速度，即載流子在電場作用下運動速度的快慢的量度，運動得越快，遷移率越大）；E為兩極間的電場強度（E=U/l）；U為外加電源電壓。可知，光電導(dǎo)體的非平衡載流子壽命τ越長，遷移率μ越大，光電導(dǎo)體的靈敏度（光電流或光電增益）就越高。而且，光電導(dǎo)體的靈敏度還與電極間距l(xiāng)的平方成反比。如果在光電導(dǎo)體中自由電子與空穴均參與導(dǎo)電，那么，光電增益的表達式為

G=β(τnμn+τpμp)U/l2

式中τn和τp分別為自由電子和空穴的壽命；μn和μp分別為自由電子和空穴的遷移率。2/26/2024152、光電導(dǎo)弛豫過程

光電導(dǎo)效應(yīng)是非平衡載流子效應(yīng)，因此存在一定的弛豫現(xiàn)象，即光電導(dǎo)材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流需要一定的時間。同樣光電流的消失也是逐漸的。弛豫現(xiàn)象說明了光電導(dǎo)體對光強變化的反應(yīng)快慢程度，稱為惰性。EtOi(%)tO1006337τrτf矩形光脈沖光電導(dǎo)對光強變化反應(yīng)的惰性引起光電流變化的延遲

當輸入功率按照正弦規(guī)律變化時,輸出光電流與光功率調(diào)制頻率變化關(guān)系是一低通特性。2/26/2024163、光電導(dǎo)增益光電導(dǎo)增益是表征光電導(dǎo)器件特性的一個重要參數(shù)，表示長度為L的光電導(dǎo)體在兩端加上電壓U后，由光照產(chǎn)生的光生載流子在電場作用下形成的外電流與光生載流子在內(nèi)部形成的光電流之比。可表示為:

M=τ/τdr

τ為器件的時間響應(yīng)

τdr為載流子在兩極間的渡越時間光電導(dǎo)器件常做成梳狀電極，光敏面做成蛇形，即保證了較大的受光表面，又可減小電極間距離，從而減小載流子的有效極間渡越時間，也利于提高靈敏度.光電導(dǎo)器件的光電導(dǎo)增益與帶寬積為一常數(shù)，即MΔf=常數(shù)。表明，光電導(dǎo)增益越大，光電靈敏度越高，而器件的帶寬越低。反之亦然。這一結(jié)論對光電效應(yīng)現(xiàn)象有普遍性。2/26/2024174、光電導(dǎo)的光譜分布

半導(dǎo)體的光電導(dǎo)與光照的波長有密切關(guān)系。測量光電導(dǎo)的這種光譜分布是確定半導(dǎo)體材料光電導(dǎo)特性的一個重要方向，它是針對不同實際需要研制材料的一項重要依據(jù)。如PbS（硫化鉛），PbSe（硒化鉛），PbTe（碲化鉛）可以有效地利用到10μm的紅外光波段，而CdS（硫化鎘）可以有效地利用到X光的短波范圍。2/26/202418

光生伏特效應(yīng)達到內(nèi)部動態(tài)平衡的半導(dǎo)體PN結(jié)，在光照的作用下，在PN結(jié)的兩端產(chǎn)生電動勢，稱為光生電動勢。這就是光生伏特效應(yīng)。也稱光伏效應(yīng)。物理本質(zhì)：PN結(jié)內(nèi)建電場使得載流子（電子和空穴）的擴散和漂移運動達到了動態(tài)的平衡，在光子能量大于禁帶寬度的光照的作用下，激發(fā)出的電子空穴對打破原有平衡，靠近結(jié)區(qū)電子和空穴分別向N區(qū)和P區(qū)移動，形成光電流，同時形成載流子的積累，即光生電動勢。2/26/202419IpPN____VD光照形成過程：空穴電子注意：光伏效應(yīng)與光照相聯(lián)系的是少數(shù)載流子的行為，少數(shù)載流子的壽命通常很短。所以以光伏效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測器件比以光電導(dǎo)效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測器件有更快的響應(yīng)速度。PN結(jié)擴散形成勢壘eVd2/26/202420與光電效應(yīng)的區(qū)別：光電效應(yīng)中，光子能量直接變?yōu)楣怆娮拥哪芰浚鉄嵝?yīng)中，光能量與晶格相互作用使其運動加劇，造成溫度的升高，從而引起物質(zhì)相關(guān)電學(xué)特性變化。光熱效應(yīng)可分為:熱釋電效應(yīng)、輻射熱計效應(yīng)及溫差電效應(yīng)1、熱釋電效應(yīng)

介質(zhì)溫度在光照作用下溫度發(fā)生變化，介質(zhì)的極化強度隨溫度變化而變化，引起表面電荷變化的現(xiàn)象。2/26/202421

物理本質(zhì)：極化晶體極化晶體：在外電場和應(yīng)力為零情況下自身具有自發(fā)極化的晶體，原因是內(nèi)部電偶極矩不為零(正負電荷中心不重合)，表面感應(yīng)出束縛電荷。+-+-+-+-+-+-______P(T1)P(T2)+-+-+-+-+-+-___j工作溫度T1（左）和工作溫度T2>T1（右）極化晶體表面束縛電荷，被周圍自由電荷不斷中和，表面無電荷。光照時，晶體溫度升高，電偶極子熱運動加劇，極化強度減弱，表面感應(yīng)電荷數(shù)減小，但中和過程（達數(shù)秒）要遠大于極化強度的響應(yīng)過程（10-12s），相當于釋放了一些電荷，對外表現(xiàn)為電流。可以在這些電荷被中和之前測量到。2/26/202422熱釋電應(yīng)用紅外感應(yīng)器通常采用熱釋電元件,這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡,向外釋放電荷,后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生報警信號。通過透鏡和放大電路，可將信號放大70分貝以上，這樣就可以測出10~20米范圍內(nèi)人的行動。人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會發(fā)出特定波長10微米左右的紅外線。人體不動時，熱釋電釋放電荷會被空氣中和，傳感器沒有輸出，適用于檢測人體的活動傳感。2/26/202423熱釋電現(xiàn)象中：溫度對自發(fā)極化強度的影響。TcPTOTcPTO極化晶體的極化強度與溫度T的關(guān)系：一級相變（左）和二極相變（右）隨著溫度的升高，自發(fā)極化強度越來越弱，當達到一定溫度時，自發(fā)極化強度為零，極化晶體發(fā)生相變?yōu)榉菢O化晶體。2/26/2024242、輻射熱計效應(yīng)入射光照射材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象稱為輻射熱計效應(yīng)。由溫度引起電阻率變化。阻值與溫度變化關(guān)系：ΔR=αTRΔTαT為電阻溫度系數(shù)R為元件電阻當溫度變化足夠小時，αT=1/R*dR/dT對金屬材料，R=BT（溫度越高，電阻越大），則αT=1/T，呈反比關(guān)系。對半導(dǎo)體材料，R與T具有指數(shù)關(guān)系，αT=-B/T2。說明溫度越高，電阻溫度系數(shù)越小。B為常數(shù)，典型值3000K。2/26/2024253、溫差電效應(yīng)

由兩種不同材料制成的結(jié)點由于受到某種因素作用而出現(xiàn)了溫差，就有可能在兩結(jié)點間產(chǎn)生電動勢，回路中產(chǎn)生電流，這就是溫差電效應(yīng)。當有光照其中一個結(jié)點1，使其與另一個結(jié)點2產(chǎn)生溫差，就會產(chǎn)生溫差電現(xiàn)象。溫差電動勢來源于結(jié)點處不同材料電子擴散形成的電動勢和導(dǎo)體兩端溫度不同形成的電動勢。xyT1T212導(dǎo)體a導(dǎo)體b2/26/2024262.2光電檢測器件的特性參數(shù)

光電檢測器件利用物質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件，它的性能對光電檢測系統(tǒng)影響很大。根據(jù)工作機理的不同，可分為光子檢測器件和熱電檢測器件。熱電檢測器件熱釋電檢測器（熱釋電效應(yīng)）熱敏電阻（輻射熱計效應(yīng)）熱電偶和熱電堆（溫差電效應(yīng)）分類2/26/202427光子檢測器件電真空或光電發(fā)射型檢測器件固體或半導(dǎo)體光電檢測器件光電管光電倍增管光導(dǎo)型：光敏電阻光伏型：光電池光電二、三極管光子檢測器件（即通常意義上的光電檢測器件）分類：2/26/202428熱敏檢測器件的特點：

1、響應(yīng)波長無選擇性。對各種波長具有相同的敏感性。

2、響應(yīng)慢。即吸收輻射后產(chǎn)生信號所需時間長，在毫秒量級光子檢測器件的特點：

1、響應(yīng)波長有選擇性。存在截止波長。

2、響應(yīng)快。一般為納秒到幾百微秒2/26/202429特性參數(shù)1、響應(yīng)度（或稱靈敏度）S電壓響應(yīng)度：SV=Vo/Pi電流響應(yīng)度：SI=Io/Pi其中：Vo和Io分別為光電檢測器輸出電壓和輸出電流。P為入射光功率（或用通量Φ表示）。2、光譜響應(yīng)度S(λ)光譜響應(yīng)度：S(λ)=Vo/Φ(λ)

(V/W)S(λ)=Io/Φ(λ)

(A/W)Φ(λ)為入射的單色輻射通量或光通量。2/26/2024303、積分響應(yīng)度S

表示檢測器對各種波長的輻射光連續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度，光電檢測器件輸出的電流或電壓與入射光通量之比。先計算各種輻射波長的總光通量Φ再計算光電檢測器的長波限（工作區(qū)最長波長）和短波限光輻射引起的總輸出光電流I0則積分響應(yīng)度S=總輸出光電流I0/總光通量Φ

2/26/2024314、響應(yīng)時間τ：

響應(yīng)時間是描述光電檢測器對入射輻射響應(yīng)快慢的參數(shù)。即入射光輻射到檢測器后或入射光被遮斷后，光電檢測器件輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需要的時間。當一個輻射脈沖照射光電檢測器時，如果這個脈沖上升和下降時間很短，則光電檢測器由于惰性而有延遲。上升時間τr和下降時間τf矩形光脈沖入射光tOτrτfI光tO10.10.92/26/2024325、頻率響應(yīng)S(f)：

由于光電檢測器信號的產(chǎn)生和消失存在著一個滯后過程，所以入射光輻射的頻率對光電檢測器的響應(yīng)將有很大的影響，把光電檢測器的響應(yīng)隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)。頻率響應(yīng)關(guān)系：S(f)=S0/[1+(2πfτ)2]1/2

S0為頻率是零時的響應(yīng)度；τ為時間常數(shù)。

可求得檢測器的上限截止頻率：f上=1/（2πτ）可見：光電檢測器電路時間常數(shù)決定了頻率響應(yīng)帶寬2/26/2024336、熱噪聲：

當入射輻射功率很低時，輸出只是些雜亂無章的變化信號，無法肯定是否為入射輻射信號，這是檢測器固有的噪聲引起的。其時間平均值為零，但均方根不等于零，即存在瞬時電流擾動。這個均方根電壓（或電流）即為噪聲電壓（流）。熱噪聲是由載流子無規(guī)則運動造成的。熱噪聲電壓和電流均方值為：U=4kTRΔfI=4kT(Δf/R)

其中R為導(dǎo)體電阻，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為導(dǎo)體的熱力學(xué)溫度，Δf為測量系統(tǒng)的噪聲帶寬。熱噪聲存在于任何電阻中，與溫度成正比，包含各種頻率，說明熱噪聲是由各種頻率分量組成，可稱為白噪聲。白噪聲圖像：電視無臺的雪花白噪聲聲音：對講機監(jiān)聽模式2/26/2024347、散粒噪聲：即穿越勢壘的載流子的隨機漲落（統(tǒng)計起伏）所造成的噪聲。理論表明，在每個時間段內(nèi)，穿越勢壘區(qū)的載流子數(shù)或從