第四章 光电探测器

光电探测器光电探测器通常分为2类: (1)光子探测器(利用各种光子效应);(2)热探 测器(利用温度变化效应)。

光子效应：光电子发射、光电导、光生伏特、光电磁等。光热效应：温差电、电阻率变化、自发极化强度变化、气体体积和压强变化 等。 基于光电子发射效应的器件在吸收了大于红外波长的光子能量以后，器件材 料中的电子能逸出材料表面，这各种器件称为外光电效应器件。 基于光电导、光伏特和光电磁效应的器件，在吸收了大于红外波长的光子能 量以后，器件材料中出现光生自由电子和空穴，这种器件称为内光电效应器 件。

光电子发射探测器：

应用光电子发射效应制成的光电探测器称为光电子发射探测器。在光电子发射探测器中，入射辐射的作用是使电子从光电阴极表面 发射到周围的空间中，即产生光电子发射。产生光电子发射所需光 电能量取决于光电阴极的逸出功。光电子发射的能量转换公式为

h

1 m V 2

2 0

为使价带中的电子能跃迁到导带上，必须使入射光子的能量大于禁 带宽度Eg,即 hc hc 1.24 E g ,即 c m

E

g

E

g

c

hc

1.24

( m)

使材料具有光电发射的截止波长λc

1.光电倍增管的工作原理 下图是光电倍增管的工作原理图。图中K为光电发射阴极，D为聚焦 板，D1~D10为倍增极(或打拿极),A为收集电子的阳极。倍增极 间的电压逐级增加，极间电压约为80~150V。

2.光电倍增管的性能 光电倍增管的性能主要由阴极和倍增极以及极间电压决定。负 电子亲和势材料是目前最好的光电阴极材料。倍增极二次电子 发射特性用二次系数σ描述，即

n

N N

n 1 n

σ 值主要取决于倍增极材料 和极间电压

如果倍增极的总数为n,且各级性能相同，考虑到电子的传输损失， 则光电倍增管的电流增益M为 f为第一倍增极对阴极发射电子的收集 n 率；g为各倍增极之间的电子传递效率， i A M f g 良好的电子光学设计可始f、g值在0.9以 iK 上。n和σ 值愈大，M值就愈高，但过多 的倍增极不仅使倍增管加长，而且使电 子渡越效应变得严重，从而严重影响倍 增管的频率特性和噪声特性。

光电导探测器 下图为光敏电阻(以非本征n型半导体为例)分析模型

1.光电转换规律 图中V表示外加偏置电压，l、b和d分别表示n型半导体的三维 尺寸，光功率P在x方向均匀入射，假定光电导材料的吸收系数 为α,表面反射率为R,则光功率在材料内部沿x方向的变化规 律为

P x Pe相应的光生面电流密度j(x)为

x

1 R

j x evn x d

式中e为

电子电荷，v为电子在外电场方向的漂移速度，n(x) 为在x处的电子密度。流过电极的总电流为

i j x bdx evb n x dx0 0

d

2.光电导探测电路 典型的光电探测器在电路中的连接如下图所示。

电路中的参数Vb和RL 均会影响输出信号的 电压值，那么，如何 选择Vb和RL?

从图可见，负载电阻RL两端的直流压降为

VR

L

V b

R

RL

L

Rd

当光辐射照到探测器上时，探测器电阻Rd就发生变化，负载 电阻RL两端压降也就发生变化，这个电压的变化量就是信号 电压Vs

V V R R RL

s

d

V b

d

R R R L Rd L 2

d

V R

s L

V R R L Rd b d

2 R L 1 2 RL Rd

当上式等于0时，有RL=Rd,信号电压为极大值。

从上图可见，在偏压Vb作用下，通过探测器电流I为I

R

VL

b

R

d

在探测器上消耗的功率P为

P

I R

2

d

经验数据-探测器的功耗不应超过0.1W/cm2,若探测 器的面积为Ad,则消耗功率不应超过0.1Ad,与最大允 许电压关系为： 2

0.1A

d

V R R L Rd b max 2

d

V

b max

Vb,max并不是最佳偏压。

2 R L Rd 0.1Ad Rd

1 2

信号、噪声电压随偏流变化图

3.几种典型的光电导探测器简介 光电导探测器按晶体结构可分为多晶和单晶两类。多晶类多是薄膜型器件，如 PbS、PbSe、PbTe等，单晶类中常见的有锑化铟(InSb)、碲镉汞(HgCdTe)、碲锡铅和掺杂型几种。

CdS和CdSe。这是两种造价低的可见光辐射探测器(CdS:0.3~0.8μm,CdSe:0.3~0.9μm)。它们的主要特点 是高可靠性和长寿命，因而广泛用于自动化技术中。

PbS。这是一种性能优良的近红外辐射探测器，是在室温条件下探测灵敏度最高的一种红外探测器，室温下的 禁带宽度为0.37eV,相应的长波限为3μm。

PbTe。在常温下对4μm以内的红外光灵敏，冷却到90K,可在5μm范围内使用。响应时间约为10-4~10-5s。

InSb。这也是一种良好的近红外(峰值波长约为6μm)辐射探测器。

HgCdTe探测器。HgCdTe是由半导体CdTe和半金属HgTe采用半导体合金法混合而成的合金系统。

不同工作温度下InSb光电导探测器的光谱特性

探测率 定义为 等效噪 声功率 的倒数。

当信号电流或者 电压与噪声的均 方根电流(或均 方根电压)相等 时，对应的入射 辐通量Φe叫做等 效噪声功率

为了提高信噪比，英国首先研 制成 扫积型HgCdTe探测器， 如图。它是由若干小的方形单 元探测器排列成的线阵探测器， 当目标的红外像点沿长条方向 扫过时，外加电场驱使光生载 流子也沿光点扫描方向迁移， 并使迁移速度与像点扫描速度 同步，

这样可使信号积累(积 分输出)。若此扫积探测器由 n个单元组成，信号将是单元 探测器输出的n倍，但由于噪 声的非相关性，噪声只会增加 根号n倍，因此信噪比可提高n1/2倍。

(6)掺杂型光电导探测器。主要是以锗(Ge)为主体材料掺有其它杂质的杂 质半导体。它们主要用于8~14μm长波段内。 下图为掺杂型光电导探测器的光谱特性

表4-5 几种光电导探测器的典型特性

4.3.3 光伏探测器 利用P-N结的光伏效应而制作的光电探测器称为光伏探测器。与光电导探测器不同， 光伏探测器的工作特性要复杂些，P-N结受光照射时，即使没有外加偏压，P-N结 自身也会产生一个开路电压，这时如果将P-N结两端短接，便有短路电流通过回路。 因此利用光生伏特效应制成的结型器件有光电池和光电二极管之分，而光电二 极管又有两种工作模式，光电导和光伏式，它们由外偏压电路决定。 1.两种工作模式 一个P—N结光伏探测器用图4-42(a)中的符号表示，它等效为一个普通二极管和

一个恒流源(光电流源)的并联，如图4-42(b)所示。在零偏压时(图4-42(c)),称为光伏工作模式。当外回路采用反偏压V时(图4-42(d)),即外加p 端为负，n端为正的电压时，称为光导工作模式。