光电子技术第六章.ppt

6.1 光探测器性能参数 6.2 光电探测方式 6.3 光电探测的物理效应 6.4 典型光电探测器 6.1光探测器性能参数和噪声 6.2 光电探测方式 6.3 光电探测的物理效应 6.3.1 外光电效应——光电发射效应 6.3.2 内光电效应 6.3.3 光热效应 6.4 光电探测器 6.4.2 几种典型光电探测器 1. 光电倍增管 (1)光谱响应宽，从近紫外、可见光到近红外均可覆盖（应选择不同的阴极材料）； (2)高电流增益和低噪声，是最灵敏的探测器之一，可探测低达10-19 W的微弱光信号； (3)电阴极尺寸可做到很大，因而可用作大面积信息传输。 光电倍增管由光电阴极C、一系列倍增电极D、收集阳极A三大部分密封在真空外壳中组成。倍增电极，即能发射二次电子的电极，其电位与阴极相比逐渐升高，一般极间电位差为V。光电阴极是光电倍增管的关键部分，它将入射光转换为电流，收集阳极用来汇总经一系列光电倍增阴极作用而在最后一级倍增阴极产生出数目巨大的二次电子。 光电倍增管需要稳压、抗干扰措施（光和电干扰）。 普通光电倍增管频率范围在 区间，通过改进可达 MHz以上，甚至更高。 如果 ， ， 则 光照下，光电阴极发射出来的电子聚焦后射到第一倍增极D1，引起D1表面二次电子发射，使初始电流成倍增加之后，再射向D2、D3，……。设每一级平均二次发射放大倍数为g，倍增电极共N个，则阴阳极间总电流倍增数G为： 2. 硅光电二极管 光电二极管是一种工作在反向偏置下的结型半导体二极管。具有量子效率高、噪声低、响应快、动态工作范围大、体积小、寿命长等优点，在微弱、快速光信号探测方面应用最多。制造一般光电二极管的材料大多是Si单晶或Ge单晶，其中前者暗电流和温度系数都更好，且制作工艺容易精确控制，因而应用最广。 （1）伏安特性 （2）光信号探测 （a）慢变化光功率探测 重要的是确定电路的最佳负载电阻。 当光信号功率由 变到 时，其输出光电流应与入射光功率呈线性关系变化。 如果要求输出电压最大，输出电压和负载电导（ 的倒数）分别为： 式中， 为光电二极管的电流灵敏度；g是光电二极管的内电导，其值等于管子内阻的倒数； 是光电二极管的临界电导， 是负载电阻的倒数。 （b）交变光信号探测 假设光信号功率为正弦脉动，所关心的问题是：相应于给定的入射光功率，给定反偏压时的最佳功率输出的条件。理论上给出最大输出功率的条件是（在允许范围内尽量增大V值）： 反偏压V时，最大输出功率的条件是： （3）硅光电二极管结构 Si光电二极管工作于反偏模式，其典型结构如图所示，图中还给出了它在电路中的符号与偏置电路，以及外形。 Si光电二极管结构与外形示意图 b a n+ Si光电二极管的光谱响应范围为0.4-1.1?m，峰值响应波长为0.9?m，峰值波长处量子效率大于50%，灵敏度?0.4A/W。 a图是采用n型单晶硅和硼扩散工艺的p+n结构，型号是ZCU；b图是采用p型单晶硅和磷扩散工艺的pn+结构，型号是ZDU。光敏区外侧的n+区为保护区，目的是切断表面层漏电流，使暗电流明显减小。n侧电极为前极，p侧为后极，如果不想用环极可空着。 入射窗口有透镜和平面镜之分。凸透镜有聚光作用，可提高灵敏度，还可减小杂散光的干扰，但灵敏度随方向而变。平面镜易受杂散光影响。 如：夹角10度时，凸透镜灵敏度降到50%； 平面镜仍有95%。 普通Si光电二极管的频率响应与光生载流子在阻挡层附近的扩散时间（10-9s）和阻挡层内的漂移时间（10-9s）有关。为了提高频率响应特性，在p区和n区间加入一个本征层，制作了PIN型Si光电二极管。引入的本征层电阻率很高，厚度较大，是强电场区，对光生载流子起加速作用，提高响应速度和响应频率； 3.PIN光电二极管(PIN-PD） 正面入射的PIN-PD 光电导效应 当光入射到本征半导体材料上时，入射光子将电子从价带激发到导带，使导电电子、空穴数量变化，从而引起电导率变化 ： 以n型半导体为例，V为外加偏压， 为负载电阻，L、W、d分别为样品模型的长、宽、高，则探测器电极面积A=Wd。若光功率P沿 x 方向均匀入射，光电导材料吸收系数为 ，则入射光功率在材料内部沿 x 方向的变化为： 光生电子在外电场作用下的漂移电流密度为： 式中 为x 处光生载流子密度，