3.3光探測器性能參數光電特性和光照特性光電特性——當光電器件上的電壓一定時，光電流與入射在光電器件上的光通量之間的關系。光照特性——光電流與入射在光電器件上的光照度之間的關系。線性度——探測器的輸出光電流與輸入光的輻射通量成比例的程度和范圍。線性區的下限由暗電流和噪聲等因素決定，而上限通常由飽和效應可過載決定。（2）光譜特性光譜響應度：就是指不同波長處的響應能力，又稱為光譜靈敏度。如果探測器對波長為λ的光輻射通量Φ產生的輸出電流為Ip，則其光譜響應度為：類似有：光電流或輸出電壓與入射光波長之間的關系。

積分靈敏度指的是在一定條件下，單位光（輻射）量所產生的光電流（電壓）大小。

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。A/lmorA/WorV/W。光譜靈敏度與積分響應度的關系：光譜響應特性曲線光譜響應曲線：或~相對光譜響應曲線：最大值歸一化為1；峰值波長：響應率最大值所對應的波長；截止波長：響應率下降到最大值的一半所對應的波長；它表示探測器適用的波長范圍。(3)

等效噪聲功率和探測率探測器無信號輸入時，也會有噪聲輸出。若假設此有效噪聲值是相當功率的輸入信號造成的，則此功率值可作為探測器的噪聲水平的衡量。是可測的信號功率最小值；是單位信噪比的入射光功率；NEP越小，探測器越靈敏。用NEP的倒數作為衡量探測器最小可探測能力的參數，是單位入射功率相應的信噪比，并稱之為探測度，用D來表示：

為了便于對不同面積和不同工作帶寬的器件進行比較，因此引入歸一化探測率D*（比探測率），其值為

式中：A為器件接收面積，Δf為工作帶寬。

D越高，探測器的靈敏度越高，性能越好。（4）響應時間探測器對變化信號響應快慢的能力。當光輻射突然照射或消失時，探測器的輸出信號不會立即到達最大值或下降為零，而是出現變化緩慢的上升沿和下降沿。上升或下降的時間就是弛豫時間，或稱為響應時間或時間常數（惰性）。這種弛豫現象表現了光電探測器對光強變化反應的快慢。對周期變化的光強，光電器件的弛豫時間如果比周期長得多，那么就不能反映光強的變化。實際器件的響應都具有滯后現象（惰性）。起始弛豫（上升時間）定義為響應值上升至穩定值時所需的時間，此值約為63%；衰減弛豫（下降時間）定義為響應值下降至穩定值的時所需的時間，此值約為37%。這些上升或下降的時間就表示了器件惰性的大小。0.370.631上升時間下降時間（5）探測器的探測能力噪聲N：除探測信號之外的測量值。信噪比：為了提高信噪比，可增大信號值或減小噪聲大小。)(tunt0顯然，無法用預先確知的時間函數來描述它。長時間看，噪聲電壓從零向上漲和向下落的機會是相等的，其時間平均值一定零。所以用時間平均值無法描述噪聲大小。然而，噪聲本身是統計獨立的，所以能用統計的方法來描述。按噪聲產生的原因，可分為以下幾類：

1、外部原因(干擾)：人為噪聲；

自然噪聲。

通過屏蔽、遮光、背景扣除等手段減少

2、內部原因(噪聲)：熱噪聲；散粒噪聲；暗電流噪聲；產生－復合噪聲；1/f噪聲；溫度噪聲；量子（輻射）噪聲；放大器噪聲。幾種常見噪聲的產生原因及其表示方法⒈熱噪聲：熱噪聲是由導體或半導體中載流子隨機熱激發的波動而引起的無偏壓下的起伏電動勢、或起伏電流。[注意]：熱噪聲雖然是溫度T的函數，但并不是溫度變化引起的溫度噪聲。

屬于“白噪聲”。即：熱噪聲的大小與頻率的高低無關。措施：降低溫度T；壓縮帶寬2、散粒噪聲：由于粒子的隨機性出現而構成的噪聲。隨機事件有：物體輻射的或接收的光子數；陰極發射的電子數；半導體中的載流子數；光電倍增器的倍增系數等。散粒噪聲的大小取決于：

注意：

屬于白噪聲。

措施：減小背景光；壓縮帶寬3、暗電流噪聲許多傳感器，即使沒有信號輸入，也有電流輸出。產生的機理隨器件不同而不同，如：場致發射、熱激發載流子等。

屬于白噪聲。

措施：降低溫度T；壓縮帶寬4、1/f噪聲

1/f噪聲又稱為閃爍或低頻噪聲。這種噪聲是由于光敏層的微粒不均勻或不必要的微量雜質的存在，當電流流過時在微粒間發生微火花放電而引起的微電爆脈沖。噪聲的電流與電壓均方值分別為：~2；：~0.8-1.5;：比例常數。工作頻率越低，1/f噪聲越大。3.4光伏效應及其器件光生伏特效應是光照使不均勻半導體或均勻半導體中產生光生電子-空穴對，并在空間分開而產生電位差的現象。即將光能轉化成電能。不均勻半導體：由于半導體對光的吸收，內建電場使載流子定向運動而產生電位差。（像PN結、異質結、肖特基結）均勻半導體：無內建電場，半導體對光的吸收后，由于載流子的擴散速度不同，導致電荷分開，產生的光生電勢。如丹倍效應和光磁電效應。3.4.1光伏效應熱平衡下P-N結模型及能帶圖耗盡區、阻擋層空間電荷區、擴散內建電場漂移P-N結的形成：（一）熱平衡狀態下的PN結

PN結的電流方程：(推導過程略)

U>0,第一項迅速增大，代表正向電流；U=0,等于零，代表平衡狀態；U<0,第一項趨向于零，第二項代表反向飽和電流。光子電極電極耗盡層SiO2p+nn+U（二）光照下的PN結PN結光伏效應假定光生電子-空穴對在結區，即耗盡區內產生。由于內建電場作用，電子-空穴對被分離，電子從p區向

n區漂移運動，被內電場分離的電子和空穴就在外回路中形成電流。

EcEFEv光生空穴----++++++-pnxoLpn光子Ei電離受主電離施主光生電子耗盡層-

當P-N結受光照時，只要光子的能量大于禁帶寬度,則無論是在P區還是N區,或是結合區,都會產生“光生載流子對”。但在遠離結區的光生載流子對只是增加了導電性。而在結區附近的光生載流子對將打破原有的動態平衡。由于PN結區存在較強的內建電場（由N指向P），光生電子被拉向N區，光生空穴被拉向P區，即電子空穴對被內建電場分離。在光照下，PN結區將產生一個由N區指向P區的光生電流，與漂移電流同向，使PN結兩側的空間電荷被中和掉一部分，導致結區寬度變窄，從而使擴散電流增大。當光生電流與漂移電流之和等于擴散電流時，PN結兩端建立起一個穩定的電勢差。

光照下光電流的產生動態圖實際上，并非所產生的全部光生載流子都對光生電流有貢獻。設N區中空穴在壽命τp的時間內擴散距離為Lp，P區中電子在壽命τn的時間內擴散距離為Ln。Ln+Lp=L遠大于P-N結本身的寬度。故可以認為在結附近平均擴散距離L內所產生的光生載流子都對光電流有貢獻。而產生的位置距離結區超過L的電子空穴對，在擴散過程中將全部復合掉，對P-N結光電效應無貢獻。

表示電子表示空穴

光照下PN結的電流方程表示電子表示空穴IDIpIL開路電壓一般地，

，短路電流結論:

Uoc與Isc是光照下P-N結的兩個重要參數，在一定溫度下，開路電壓Uoc與光電流（照度或光通量）的對數成正比，但最大值不超過接觸電勢差UD。弱光照下，Isc與E有線性關系。3.4.2光伏型探測器——結型光電器件一、光電池光電池是一種利用光生伏特效應制成的不需加偏壓就能將光能轉化成電能的光電器件。簡單的說，其本質就是一個PN結。按用途太陽能光電池：用作電源（效率高，成本低）測量用光電池：探測器件（線性、靈敏度高等）按材料硅光電池：PN結型，光譜響應寬，頻率特性好硒光電池：金屬-半導體接觸型，波譜峰值位于人眼視覺內薄膜光電池：CdS增強抗輻射能力紫光電池：PN結0.2~0.3μm,短波峰值600nm

砷化鎵光電池、鍺光電池按基底材料不同分(硅光電池)2DR（P型Si為基底）

2CR（N型Si為基底）按形狀分陣列式：分立的受光面象限式：參數相同的獨立光電池

陣列式象限式1.硅光電池的基本結構如圖（a）所示為2DR型硅光電池，它是以P型硅為襯底(即在本征型硅材料中摻入三價元素硼或鎵等)，然后在襯底上擴散磷而形成N型層并將其作為受光面。

硅光電池的受光面的輸出電極多做成如圖（b）所示，圖中所示的梳齒狀或“E”字型電極，其目的是減小硅光電池的內電阻。2.硅光電池工作原理

如圖所示，當光作用于PN結時，耗盡區內的光生電子與空穴在內建電場力的作用下分別向N區和P區運動，在閉合的電路中將產生如圖所示的輸出電流IL，且負載電阻RL上產生電壓降為U。顯然，PN結獲得的偏置電壓U與光電池輸出電流IL與負載電阻RL有關，即U=ILRL當以輸出電流的IL為電流和電壓的正方向時，可以得到伏安特性曲線。3.基本特性

光照特性開路電壓即為光電動勢，與光照度成對數關系；短路電流與照度成線性關系，用于光電測量。伏安特性：表示輸出電流和電壓隨負載電阻變化的曲線。一般硅光電池工作在第四象限。RL=0RL=RL1RL2RL3RL4負載電阻越小，光照線性越好。光譜特性：短路電流隨波長變化情況，取決于所用材料與工藝。硅光電池的響應峰值接近于太陽的光譜分布峰值，常用作太陽能的直接轉換。頻率特性光電池接收正弦型光照時常用頻率特性曲線表示。負載大時頻率特性變差；減小負載可減小時間常數，提高頻響；但負載電阻的減小會使輸出電壓降低。RL=1kRL=10kRL=100k頻率/Hz102103104相對響應/%100806040200溫度特性開路電壓具有負溫度系數，即隨著溫度的升高UOC值反而減小；短路電流具有正溫度系數，即隨著溫度的升高ISC增大。符號連接電路等效電路4.基本電路

U=ILRL自偏置電路（負載上的壓降作為光電池的正向偏壓）零伏偏置電路（負載為零，故無自給正向偏壓）短路工作情況：短路電流與照度成線性關系。電路見P91：圖3.40例：已知光電池2CR21在入射照度E1=300lx時，開路電壓Uoc1=310mV。求入射照度E2=400lx時的開路電壓Uoc2=？解：Ip=SIE1

>>I0時，室溫時，光電二極管和光電池一樣，其基本結構也是一個PN結,利用光生伏特效應制成。二、光電二極管在無光照時，若給PN結加上一個適當的反向電壓，則反向電壓加強了內建電場，使PN結空間電荷區拉寬，勢壘增大；當被光照時，在結區產生的光生載流子被加強了的內建電場拉開，光生電子被拉向N區，光生空穴被拉向P區，于是形成了以少數載流子漂移運動為主的光電流。IpE反E內與普通二極管相比:共同點：一個PN結，單向導電性不同點：（1）受光面大，PN結面積更大，PN結深度較淺（2）表面有防反射的SiO2保護層（3）外加負偏壓與光電池相比：共同點：均為一個PN結，利用光生伏特效應，SiO2保護膜不同點：

（1）光敏面面積比光電池的小，因此光電流比光電池的小，一般為數微安到數十微安。（2）制作襯底材料的摻雜濃度：光電池較高—1016~1019原子數/cm3，硅光電二極管偏低—10121013原子數/cm3。（3）光電池的電阻率低（0.1~0.01/cm),而硅光電二極管的電阻率較高，為1000/cm

（4）光電池在零偏壓下工作，光電二極管更常在反偏壓下工作。分類按材料分，光電二極管有硅、砷化稼、銻化錮、鈰化鉛光電二極管等許多種。按結特性：PN結（擴散層、耗盡層）、PIN結、異質結、肖特基結按結構分，也有同質結與異質結之分。其中最典型的還是同質結硅光電二極管。國產硅光電二極管按襯底材料的導電類型不同，分為2CU和2DU兩種系列。2CU系列以N-Si為襯底，2DU系列以P-Si為襯底。結構2DU管加環極的目的是為了減少暗電流和噪聲。用高阻N（P）型硅作為基片，其電阻率約為1K?cm，然后在基片表面進行P摻雜（N摻雜：用磷擴散）形成NP結構。P（N）區擴散得很淺約為1m左右，而空間電荷區較寬，故保證了大部分光子入射到耗盡層內。在光敏面上涂上一層硅油保護膜，既可保護光敏面又可增加對光的吸收率。光電二極管的電路

光電二極管的用法只能有兩種。一種是不加外電壓，直接與負載相接。另一種是加反向電壓，如圖所示。

a)不加外電源

b)加反向外電源

c)2DU環極接法實際上，不是不能加正向電壓，只是正接以后就與普通二極管一樣，只有單向導電性，而表現不出它的光電效應。

基本特性光照特性伏安特性光電流與照度的關系;線性好;光電流較小;靈敏度低。15V反向偏壓時的光照特性曲線反向偏壓與光電流之間的關系;頻率特性溫度特性是半導體光電器件中最好的一種，與下列因素有關：結電容（小于20μμF)和雜散電容；光生載流子在薄層中的擴散時間及PN結中的漂移時間;硅光電二極管的光電流和暗電流隨溫度的變化而變化；溫度升高，信噪比降低；象限探測器

利用集成電路光刻技術,將一個圓形或方形的光敏面窗口分隔成幾個面積相等、形狀相同、位置對稱的區域（背面仍為整片），每一個區域相當于一個光電器件，在理想情況下，每個光電器件應有完全相同的性能參數。作用：確定光點在二維平面上的位置坐標，一般用于準直、定位、跟蹤等方面。

特殊結型光電二極管PIN型光電二極管

PIN管又稱快速光電二極管。在原理上和普通光電二極管一樣，都是基于PN結的光電效應工作的。所不同的是它的結構，在P型半導體和N型半導體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導體。

這樣，PN結的內電場就基本上全集中于I層中，從而使PN結雙電層的間距加寬，結電容變小。由于工作在反偏，隨著反偏電壓的增大，結電容變得更小。由式τ=CfRL與f=1/2πτ知，Cf小，τ則小，頻帶將變寬。因此，這種管子的特點是：頻率響應快，目前PIN光電二極管的結電容一般為零點幾到幾個微微法，響應時間為1-3ns，最高達0.1ns；頻帶寬，可達10GHz；因為I層很厚，在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。；

I層較厚，又工作在反偏，使結區耗盡層厚度增加，提高了對光的吸收和光電變換區域，使量子效率提高；增加了對長波的吸收，提高了長波的靈敏度，其響應波長范圍0.4-1.1μm。雪崩型光電二極管（avalanchephotodiode)APD是具有內部倍增放大作用的光電二極管，利用PN結勢壘區的高反向電壓下強電場作用產生載流子的雪崩倍增而得到。工作過程：光子入射到耗盡區后激發出電子-空穴對，被激發的電子和空穴在在強電場的作用下獲得很大的動能，其在高速運動過程中與晶體的晶格原子碰撞，使晶格原子電離產生二次電子空穴對，稱為碰撞電離過程。此過程多次重復，象“雪崩”一樣繼續下去。如此電離產生的載流子數遠遠大于初始光激發產生的載流子數，從而反向電流也迅速增大形成血本倍增效應。當電壓等于反向擊穿電壓時(約100～200V)，電流增益可達106，即產生所謂的自持雪崩。結構：為了實現雪崩過程，基片雜質濃度很高，使之容易碰撞電離；片子厚度較薄