Transcript 第2章光电检测器件工作原理及特性

第2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
一、光电检测中的基础知识
二、半导体基础知识
一.光电检测中的基础知识
1. 辐射度学和光度学基本概念
辐射度学：研究各种电磁辐射的传播和量度
光度学：仅可见光波的传播和量度，必须考虑人眼的响应，包
含了生理因素
1) 辐射能和光能
辐射能：以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐（射）
能，用符号Qe 表示，其计量单位为焦耳（J）。
光能：光通量在可见光范围内对时间的积分，以Qv表示，其
计量单位为流明秒（lm·s）。
2) 辐射功率（或称辐射通量）和光通量
辐射功率是单位时间内通过某一截面的辐射能，以符号  e 表
示， 其计量单位为瓦（W），即
e 
dQ e
dt
为了从数量上描述电磁辐射对
视觉的刺激强度，引入光通量 v
定义：
 v  CV   e
其 中 ： C—— 比 例 系 数 ， 683
lm/W，V  ——视见函数，描
述人眼对各种波长辐射能的相
对敏感度， e 即辐射通量.
对光通量：  v  dQ v
dt
3）辐射出(射)度和光出(射)度
辐射出射度：面辐射源单位面积上辐射的辐射通量，即
Me 
d e
dS
光出射度：面光源从单位面积上辐射的光通量，即
Mv 
d v
dS
4) 辐(射)强度和发光强度
对点光源在给定方向的立体角元dΩ内发射的辐通量dΦe，
与该方向立体角元dΩ之比定义为点光源在该方向的辐(射)强度
Ie，即
Ie 
d e
dA
d
θ
点光源的发光强度：
Iv 
d v
dS
N
d
一般点光源是各向异性的，其发光强度分布随方向而异。
发光 强度 的单 位是 坎德 拉（candela）， 简称 为坎 [cd]。
1979年第十六届国际计量大会通过决议，将坎德拉重新定义为：
在给定方向上能发射540×1012Hz的单色辐射源，在此方向上的
辐强度为（1/683）W/sr，其发光强度定义为一个坎德拉[cd]。
5） 辐(射)亮度和亮度
光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐强度除以该面元
在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称为辐射亮度Le，即
Le 
dI e
dS cos 
2

d e
d  dS cos 
式中，为所给方向与面元法线之间的夹角。辐亮度Le的计量单位
为瓦（特）每球面度平方米[W／（sr·m2 ）]。
对可见光，亮度Lv 定义为光源表面某一点处的面元在给定
方向上的发光强度除以该面元在垂直给定方向平面上的正投影
面积，即
2
d v
Lv 

dS cos 
d  dS cos 
dI v
Lv 的计量单位是坎德拉每平方米[cd／m2]。
6) 辐[射]照度与光照度
辐射照度表示每单位面积接受的辐射通量，即：
Ee 
d e
dS
无需考虑dS所接受的辐射通量的方向，与dS的取向无关。单位：
W/m2。
入射到单位面积上的光通量为光照度，即：
Ev 
d v
dS
单位：lx(勒克斯）。1lx=1lm/m2。
辐射度系统参量和光度系统参量
辐射度系统参量
名称
符号
辐射能
Qe
辐射功率
(辐射通量)
Фe
辐射强度
Ie
辐射出射度
Me
辐射亮度
Le
辐射照度
Ee
定义
e 
e 
Me 
dQ e
单位
名称
符号
J
光能
Qv
W
光功率
(光通量)
Фv
发光强度
Iv
dt
d e
W/sr
d
d e
W/m2
光出射度
Mv
dS
2
d e
Le 
d  dS cos 
Ee 
光度系统参量
d e
dS
W/sr·
m2
光亮度
Lv
W/m2
光照度
Ev
定义
单位
lm·s
v 
v 
Mv 
dQ v
dt
d v
cd
d
d v
lm/m
2
dS
2
d v
Lv 
d  dS cos 
Ev 
lm
d v
dS
cd/m2
lx
2. 半导体基础知识
原子的电子壳层交叠
电子的共有化
3s
3s
3s
2p
2p
2p
原子能级
允带
禁带
允带
原子中的电子轨道
禁带
允带
能带
Ee导带
ΔEd
禁带
Ed 施主能级
ΔEa
Ev
价带
本征半导体
本征吸收
Ec
Ec
Ev
Ev
P型半导体
N型半导体
杂质吸收
Ea受主能级
1) 载流子的扩散
当半导体材料的局部位置（如表面）收到光照时，使得局
部位置的光生载流子浓度比平均浓度高，此时电子会从浓度高
的点向浓度低的点运动，称为扩散。扩散有一定的方向，可形
成电流——扩散电流。
扩散电流密度JD：在扩散过程中，流过单位面积的电流。
J nD  qD n
J
pD
  qD
dn
dx
dp
p
dx
（2-1）
（2-2）
其中：Dn、Dp为电子和空穴的扩散系数。
2）载流子的漂移
E
根据欧姆定律，沿x方向： J x   E x (2-3)
J的大小与载流子浓度和载流子沿电场的漂移速
度成正比，对N型半导体：
J x  qnv x
(2-4)
(2-5)
而 vx  nE x
(2-6)
则 J x  qn  n E x
联立（2-3）、（2-6）得：   nq  n
（2-7）
  pq  p
（2-8）
同理，对P型半导体有：
则漂移产生的电子电流密度和空穴电流密度为：
J nE  nq  n E x
J
pE
 pq  p E x
（2-9）
（2-10）
当扩散和漂移同时存在时，总的电子电流密度和空穴电流密度为：
J n  J nD  J nE  nq  n E x  qD n
J
p
 J
pD
J
pE
 pq  p E x  qD
总电流密度：J  J n  J p
dn
dx
dp
p
dx
（2-11）
（2-12）
（2-13）
二. 光电检测器件的物理基础
1. 光电导效应
光电效应：物质受到光辐射后，其电学性质发生了变化的现象。
外光电效应：物质受到光辐射作用后，产生电
子发射的现象。
光电效应
内光电效应：物质受到光辐射作用后，内部电
子的能量状态发生变化，但不从
表面发射电子的现象。
光电导效应：在光辐射的作用下产生半导体电导率变化的现象。
光照
束缚态电子激发
载流子浓度增加
电导率增大
1）本征光电导效应
光电导效应
本征光电导效应：在光的作用下由本征吸收引起
的半导体电导率变化的现象。
杂质光电导效应
价带中的电子
吸收光子能量
导带
本征吸收
光生自由空穴
激发条件：h   E g（禁带宽度）
光生自由电子
截止波长  0 
hc
Eg

1 . 24
Eg
注意单位！
光
无光照时，常温激发——暗态
暗电导：
本征半导体样品
S
Gd   d
L
S
L
dark
样品外加电压U，暗电流：I d  G d U   d
SU
L
无光照时，光生载流子——亮态
亮电导：
Gl   l
light
S
L
亮电流： I l  G l U   l
SU
L
定义：光电导 G p  G l  G d 
 l   d 
光电流：I p  I l  I d  G l  G d U   
2）光电导弛豫
矩形脉冲光照下光电导驰豫过程
i(%)
100
63
37
0
τr
上升时间常数
τf
t
下降时间常数
S
L
 
SU
L
S
L
3) 光电导增益
光电导增益M:在电场作用下，光生载流子形成的外电流与光
生载流子在半导体内部形成的电流之比。
M 
载流子的寿命

 dr
载流子在两极间的渡越时间
光电导器件结构：
电极
引线
引线
光导电材料
绝缘衬低
2. 杂质光电导效应
截止波长  0 
hc
 E d  E a 
3. 光生伏特效应
光生伏特效应是基于半导体PN结
基础上的一种将光能转换成电能的
效应。当入射辐射作用在半导体
PN结上产生本征吸收时，价带中
的光生空穴与导带中的光生电子在
PN结内建电场的作用下分开，并
分别向两个方向运动，形成光生伏
特电压或光生电流的现象。
4. 光热效应
① 热释电效应：
极化晶体
“释放电荷” 温度高：自发极化强度小，
温度低：自发极化强度大，
表面感应电荷少
表面感应电荷多
+
+
+
+
+
_
_
_
_
_
_
+ + + + + +
(a)
_
_
+
+
+
+
+
+
_
_
_
_
_
_
j
+
_
P(T2)
P(T1)
_ _ _ _ _ _
+
+
+
(b)
② 辐射热计效应
光照射
材料温度变化
电阻率变化
③ 温差电效应
光照射
两种不同材料的结点
温差
温差电动势
光电管
光电倍增管
真空光电器件 真空摄像管
变像管
像增强器
2.2 光电检测器件的特性参数
光敏电阻
光电池
光电检测器
固体光电器件
光辐射检测器
光电二极管
光电三极管
光电耦合器
光导纤维与光纤维传感器
位置传感器PSD
电荷耦合器件CCD
自扫描光电二极管列阵CCD
热电偶和热电堆
热电检测器
热辐射计和热敏电阻
热释电探测器
光电检测器件的特性参数：
一、响应特性
二、噪声特性
三、线性度
四、工作温度
一、响应特性
１．响应度（或称灵敏度）：光电检测器输出信号与输入光
功率之比。
描述光电检测器件的光-电转换效率。
• 电压响应度
光电检测器输出电压V0 与入射光功率P 之比
SV 
V0
P
• 电流响应度
光电检测器输出电流I0 与入射光功率P 之比
SI 
I0
P
常用响应度参数：
• 光电导灵敏度
光电检测器的光电导G与输入光功率P或光照度E之比
Sg 
或
Sg 
Gp
P
Gp
Ev
响应度是随入射光波长变化而变化的
2. 光谱响应度：光电检测器的输出信号与入射的单色辐射通量
（光通量）之比。
SV   
S I   
V0
  
I0
  
(V / W )
( A /W )
3. 积分响应度：光电检测器的输出信号与入射光通量之比。
描述检测器对各种波长的光连续辐射通量的反应程度。
S 

o 
S 
1

0
   d 
   d 
4. 响应时间：光入射到光电检测器或入射被中断后，光电检测
器的输出信号上升到稳定值或下降到光照射前初
始值所需的时间。
描述光电检测器对入射光响应的快慢
入射光
t
I
1
0.9
0.1
0
上升时间τr
t
下降时间τf
二、噪声特性
背景
目标 光学系统
探测器
前放
光子噪声
探测器噪声
信号
处理
信号放大及处理电路噪声
信号辐射噪声
热噪声 散粒
噪声
背景辐射噪声
显示
产生-复合 1/f 噪声 温度
噪声
噪声
1. 热噪声：载流子热运动引起的电流起伏或电压起伏。
起伏的电流或电压按时间取的平均值为零，但均方根不为零。
▪ 热噪声均方电流：
2
I NT

4 kT  f
R
2
▪ 热噪声均方电压： U NT  4 kTR  f
测量系统的噪声带宽
（频率范围）
检测器件电阻
热噪声正比于温度
2. 散粒噪声：载流子的随机涨落造成的噪声。
随机涨落：入射的光子、表面逸出的光电子、
PN结中通过结区的载流子
2
散粒噪声均方电流：I NSh
 2 qI DC  f
器件电流的直流分量平均值
3. 信噪比：在负载电阻上产生的信号功率与噪声功率之比。
判断噪声大小的参数
若负载电阻为RL：
S
N

PS
2

PN
I S RL
2
IN
RL
2

IS
2
IN
以分贝表示：
2
IS
IS
 S 
 10 lg 2  20 lg


 N  dB
IN
IN
( dB )
三、线性度
线性度：光电检测器输出的电流或电压与输入的光通量成比
例的程度和范围。
若在某一规定范围内光电检测器件的响应度是常数，则这
一范围为线性区。
线性区的下限
光电器件的暗电流和噪声决定
线性区的上限
饱和效应或过载决定
四、工作温度
光电检测器件的工作温度：最佳工作状态时的温度
五、光电检测器件的合理选择
1. 根据待测光信号的大小，确定检测器的动态范围；
2. 检测器的光谱响应范围是否与待测光信号的光谱匹配；
3. 检测器的最小分辨率、信噪比；
4. 当待测光信号功率变化时，检测器的线性度；
5. 检测器的稳定性、测量精度、测量方式等因素。