第四章 光辐射探测技术
外 光 电 效 应 是指在光照情况下，电子逸出电子表 面的现象。 可制作：光电管和光电倍增管。 指在光照情况下，物质内部原
光 电 效 应
内 光 电 效 应
光电导效应 子释放的电子留在内部而使物 体的导电性能增加，电阻值减 小的现象，大多数高电阻的半 导体都具有这种现象。 光生伏特效应：产生一定方向电动势的现象。
表示是以５００k黑体为目标，调制频率为８００ＨＺ， 带宽为１ＨＺ的条件下所获得的值．
【3 光敏电阻材料】
1） Cds和CdSe Cds和CdSe这两种器件是用于可见光和红外区域最广泛 的光电导器件。CdS光敏电阻可在人视觉接近的范围内
灵敏地工作，其线性度和温度特性都很好，但缺点是响
应速度不快，约几十毫秒。 CdS常用于照相机或专门的 测光表中。 而CdSe的响应与白炽灯或氖灯的光源的输出具有良 好的匹配，线性度和温度特性都不太好，但其响应速度
快，几个毫秒。所以CdSe光敏电阻常用作光电开关使用
。
2）PbS 和 PbSe 在波长范围为1 ~ 5m 的近红外线范围内应用。
这两者的特点是：都是本征光电导器件，检测精度高，
可在室温下使用，所以被广泛地应用。 此外，还有应用于低温环境下的，如：本征型半导 体：HgCdTe ；掺杂型的： Ge：Au、Ge：Zn 、Si：Ga 等。
（2）光谱响应特性和光电灵敏度
（3）伏安特性 （V/R—V为直流负载线）
（4）频率响应特性
频率特性好,适宜于快速变化的光信号探测。
光电二极管的频率特性响应主要由三个因
素决定：(a)光生载流子在耗尽层附近的扩散 时间；(b)光生载流子在耗尽层内的漂移时间； (c)与负载电阻RL并联的结电容Ci所决定的电 路时间常数。
Iv
RIv I / (A / Lm)
光照-电阻特性
光照特性
伏安特性
３) 光谱响应 光敏器件对某个波长光辐射的响应度或灵敏度叫做单色 灵敏度或光谱灵敏度。而把光谱灵敏度随波长的关系曲线叫 做光谱响应或光谱特性。
４) 量子效率
光敏器件的量子效率是指器件吸收辐射后，产生的光生 载流子数与入射辐射光子数之比
光子照射
产生
电子-空穴对，当pn结反向电压足
够高时，它们在结内高电场作用下，获得足够高的动 能，在定向运动过程中与晶体原子碰撞产生新的电子 -空穴对，新产生的电子和空穴又在电场中获得足够 能量，通过碰撞再产生电子和空穴……如此下去，像
雪崩一样迅速反应而激发出大量的载流子，使初始的
光电流大大增加。
4.2.4硅光电池
穴向负电极方向运动称为漂移。
讨论漂移运动的重要参量： 迁移率μ（电子迁移率μn，空穴迁移率μp），μ的大小 主要决定于晶格振动及杂质对载流子的散射作用。
上图为光注入，非平衡载流子扩散示意图。光在受照表 面很薄一层内即被吸收掉。受光部分将产生非平衡载流子， 其浓度随离开表面距离x的增大而减小，因此非平衡载流子 就要沿x方向从表面向体内扩散，使自己在晶格中重新达到 均匀分布。
光电流的形成
光电流由两部分组成：1）光照下，在I区产生
电子-空穴对，电子和空穴在强电场下分离，电子
向n区移动 而空穴向p区移动，并以光电流形式向 外流出； 2）还有一部分光电流是由于光进入到了n区里 ，产生了空穴，空穴进入I层内，同样也产生漂移
【4.2.3 雪崩二极管】
它是利用pn结当加的反向偏压接近击穿时， 发生载流子碰撞雪崩电离，以获得光生载流子
N型半导体
i u M 2 u p p eN l

tn
【2光电导器件的各种参数】
１) 光特性
表征光照下光敏器件的输出量，如电阻、电压或电流 等量与入射辐射之间之间的关系。该特性将指导我们在选 用光敏器件时，确定其工作点和线性范围。
２) 灵敏度
又称为响应度。它表示器件将光辐射能转化成电能的 能力。具体定义为：器件产生的输出电信号与引起该信号 的输入光辐射通量之比。输出电信号由器件及偏置电路的 特性决定，既可以是电流，也可以是电压，如电流表示的 光灵敏度 R 为：
4.2 光伏效应
光电二极管和光电导器件都是利用内光电效应的光
接收器件，所不同的是：光电二极管是利用PN结在光辐
射作用下产生的光伏效应制成的。而光电导器件是利用 光生载流子引起的电流变化作为了电信号附加在外部偏 压上而被检测出来。 主要有光电池、光电二极管、光电三极管等。对于 二极管而言，由于它利用的是PN结的内部电场，所以往 往使用反向电压。
其中，q为电子电荷大小；
电导率的变化，引起通过其的电流大小的变化。
A i u l
u为加在器件两端的电压。
n
N n Al
N p p Al
带入可得：
eNu i uG 2 ( n n p p ) l
电流增益：
M i u 2 (un n u p p ) eN l
５) 光敏器件的噪声 当器件无光照时，输出电压或电流的均方值或均方 根值叫噪声。 ６) 噪声等效功率D
噪声等效功率（noise equivalent power，ＮＥＰ）
又称为等效噪声输入．它的值等于信噪比等于１时的入 射光功率的大小．它标志器件探测光辐射的极限水平． ７) 光敏器件的探测率 该特性也是光敏器件探测极限水平的表示形式，它
1.24 (um) Ei (eV )
光照下的伏安特性
I I s {e
qV kT
1} I
图4-5 光电二极管的电压-电流特性
4.2.1光电二极管
反偏电压pn结光伏探测器——光导工作模 式 ——光电二极管 常见的光电二极管有：Si 光电二极管， PIN光电二极管,雪崩光电二极管（APD） 肖特基势垒光电二极管等。
强内部电场的区域，减小了载流子的渡越时间；
②通过加入这个高阻层I层，扩大了携带电信号
的光生载流子的产生空间，从而提高了灵敏度；
③降低了影响频率响应的pn结的电容量，
即降低了回路的时间常数，从而提高了其
频响速度。实际应用中决定光电二极管的
频率响应的主要因素是电路的时间常数。
合理选择负载电阻是一个很重要的问题。 PIN光电二极管在光通信、光雷达和快速光 电自动控制领域有着广泛的应用。
【1结构与符号】
【2光生伏特效应】
载流子的输运—扩散与漂移 一定温度下半导体中电子和空穴的热运动是不能引起
载流子净位移，从而也就没有电流。但漂移和扩散可使载
流子产生净位移，从而形成电流。
（1）扩散
载流子因浓度不均匀而发生的从浓度高的点向浓度低的 点运动。
（2）漂移
载流子在外电场作用下，电子向正电极方向运动，空
【 光谱、频率响应及温度特性】
光电池的频率特性不太好,原因有二： 一是光电池的光敏面一般做的很大，导致 结电容较大；二是光电池的内阻较低，而 且会随输入光功率的大小变化。
在强光照射或聚光照射情况下，必须考
虑光电池的工作温度及散热措施。通常Si 光电池使用的温度不允许超过125℃。
【4.2.2. PIN硅光电二极管】 要改善硅光电二极管的频率特性，由 前面分析可知：应设法减小载流子的扩散 时间和结电容。 PIN硅光电二极管就是在P区和N区之 间加上一本征层（I层）光电二极管。
P I N
高阻层起的作用
I层载流子浓度非常低是一个高阻层。
①在pn结上加上反向偏压后，它将成为具有较
N ( x) N0e
x / L
光注入，非平衡载流子扩散示意图
对于漂移
在电场中多子、少子均作漂移运动，因多子数目
远比少子多，所以漂移流主要是多子的贡献 。
对于扩散
在扩散情况下，如光照产生非平衡载流子，此时非
平衡少子的浓度梯度最大，所以对扩散流的贡献主要是
少子。
【3 PN结光伏效应的产生】
1）内电场的形成 ① 电中性的P型半导体 电中性N型半导体
【1.Si光电二极管】 （1）结构原理
Si光电二极管有两种：
采用N型单晶硅和扩散工艺获得p+n结构硅光电二 极管(2CU)； 采用P型单晶硅和磷扩散工艺获得n+p结构硅光电 二极管（2DU）。
一律采用反偏。
p+n结构硅光电二极管(2CU)
n+p结构硅光电二极管（2DU）：
光敏区外侧有保护环（ n+ 环区），其目的是表面层 漏电流，使暗电流明显减少。其有三根引出线，n侧的 电极称为前极， n侧的电极称为后极，环极接电源偏置 正极，也可断开，空着。
零偏压pn结光伏探测器——光伏工作模式——光电 池 硅光电池的用途：光电探测器件，电源。
【 短路电流和开路电压】
光 电 池 等 效 电 路
短路电流——RL=0，开路电压——RL=∞。 单片硅光电池的开路电压约为0.45～0.6V，短路 电流密度约为150～300A/m2。
【测量方法】
在一定光功率（例如1kW/m2）照射下，使 光电池两端开路，用一高内阻直流毫伏表或 电位差计接在光电池两端，测量出开路电压； 在同样条件下，将光电池两端用一低内阻 （小于1Ω）电流表短接，电流表的示值即 为短路电流。
vn vn l n E u
半导体的电导率：
p
vp E

v pl u
enn ep p
半导体的电导：
A G l
在光照情况下，光生载流子率分别为： n 和 p
则：
qne qph
e 、h 为电子和空穴的迁移率； n, p 分别为电子和空穴产生的速率。
是噪声等效功率的倒数.
D 1 / NEP
8) 光敏器件的归一化探测率 D
由于器件特性与其光敏面面积大小、检测电路的带 宽等因素有关，为将光敏器件特性建立在统一比较的基 础上，引入“归一化探测率”的概念，又称“比探测率 ”。