1、光电探测器响应时间实验研究摘要近几十年来，光电探测器在光通信、国防探测、信号处理、传感系统和测量系统等高精尖科技领域得到广泛的应用，在信息为导向的时代，时间就是生命，提高速度的需求日益紧迫，提高光电探测器响应速度的努力几乎从诞生它的一刻起就没停止过。本实验主要研究光敏电阻和光电二极管的响应时间。理论分析先从光敏电阻的光谱响应特性、照度伏安特性、频率响应、温度特性和前历效应来考察它的工作影响因素，确定光敏电阻响应时间与其入射光的照度、所加电压、负载电阻及照度变化前电阻所经历的时间的关系。从光电二极管的模型分析，我们知道光电二极管的响应时间有三个方面决定光生载流子在耗尽层附近的扩散时间；光生载流子
2、在耗尽层内的漂移时间；与负载电阻并联的结电容所决定的电路时间常数。文中将详细分析计算对比三个时间的数量级，以确定提高响应速度的最有效途径，并提出改善光电二极管的有效方法和PIN模型。实验研究时，采用近似脉冲的光源，经探测器的输出信号输入快速响应的CS1022型示波器，在示波器上直接读出响应时间，分析实验结果，得出影响探测器响应时间的因素。关键词光电探测器，响应时间，半导体，影响因素ABSTRACTINRECENTDECADES,PHOTOELECTRICDETECTORSHAVEBEENWIDELYUSEDINHIGHTECHAREASSUCHASOPTICALCOMMUNICATIONS,N
3、ATIONALDEFENSEDETECTIONANDSIGNALPROCESSING,SENSINGSYSTEMANDMEASUREMENTSYSTEMINTHEERAWHICHLEADEDBYINFORMATION,TIMEISLIFEIMPROVINGSPEEDINCREASINGLYISURGENTNEEDSOFPHOTOELECTRICDETECTORTOIMPROVETHERESPONSESPEED,EFFORTHAVENTBEENSTOPPEDFROMBIRTHTOITSMOMENTTHISEXPERIMENTMAINLYRESEARCHSPHOTOCONDUCTIVERESIST
4、ANCEANDPHOTOELECTRICDIODERESPONSETIMETHETHEORETICALANALYSISSTUDYSPHOTOCONDUCTIVERESISTANCEPROPERTIES,INTENSITYOFILLUMINATIONVOLTAMPERECHARACTERISTICS,FREQUENCYRESPONSEANDTEMPERATURECHARACTERISTICANDFORMERCALENDAREFFECTTOEXAMINEITSWORKINGINFLUENCEFACTORS,ANDFINDOUTTHEINFLUENCINGFACTORSBETWEENPHOTOCON
5、DUCTIVERESISTANCERESPONSETIMEANDINCIDENTLIGHTINTENSITYOFILLUMINATION,VOLTAGE,LOADRESISTANCEANDTHETIMEEXPERIENCEDBEFOREINTENSITYOFILLUMINATIONCHANGEFROMTHEMODELANALYSISOFTHEPHOTOELECTRICDIODE,WEKNOWTHATTHERESPONSETIMEOFTHEPHOTOELECTRICDIODEHASTHREEASPECTS1THEDIFFUSIONTIMEOFPHOTONGENERATEDCARRIERNEARD
6、EPLETIONLAYER2THEDRIFTTIMEOFPHOTONGENERATEDCARRIERINDEPLETIONLAYER3THECONSTANTOFTHECIRCUITDECIDEDBYJUNCTIONCAPACITORWHICHPARALLELWITHTHELOADRESISTANCETHEDETAILEDANALYSISANDCALCULATIONOFTHEORDEROFMAGNITUDEOFTHREETIMEWILLBECONTRASTEDTODETERMINETHEEFFECTIVEWAYSTOIMPROVEPHOTOELECTRICDIODESREACTIONSPEED,
7、ANDTHEEFFECTIVEPINMODELINTHEEXPERIMENTALSTUDY,WEUSEAPULSEGENERATORASLIGHTSOURCE,ANDTHEDETECTORPULSEOUTPUTSIGNALINPUTQUICKRESPONSECS1022TYPESCILLOGRAPHSOWECANREADDIRECTRESPONSETIMEINOSCILLOSCOPEDIRECTLY,THENANALYZETHERESULTS,FINDOUTTHEFACTORSWHICHAFFECTTHEPROBERESPONSETIMEKEYWORDPHOTOELECTRICDETECTOR
8、,RESPONSETIME,SEMICONDUCTOR,INFLUENCINGFACTORS目录1绪论111光电探测器发展历程112近年高速探测器的发展成果213光电探测器的分类414光电探测器的物理基础62典型光电探测器响应时间的研究1021光电导探测器10211光电转换原理10212工作特性分析12213时间响应特性及改善1722PN结光伏探测器17221光电转换原理18222光伏探测器的工作模式19223SI光电二极管的构造与特性分析21224频率响应特性及改善探讨243光电探测器响应时间实验研究3231实验原理32311脉冲响应32312幅频特性3332实验仪器3433实验步骤3534
9、实验结果与分析37结论39参考文献40致谢4111绪论自年第一台红宝石激光器问世以来，古老的光学发生了革命性的变化与此同时，电子学也突飞猛进地向前发展。光学和电子学紧密联合形成了光电子学这一崭新的学科。由此发展起来的光电子高新技术，已深入到人们生活的各个领域，从光纤通信，镭射唱盘到海湾战争中的现代化武器，都和光电子技术密切相关。而光电探测器则是光电子系统中不可缺少的重要器件。可以毫不夸大地说，没有光电探测器件，就没有今天的光电子学系统。11光电探测器发展历程1873年，英国W史密斯发现硒的光电导效应，但是这种效应长期处于探索研究阶段，未获实际应用。第二次世界大战以后，随着半导体的发展，各种新的
10、光电导材料不断出现。在可见光波段方面，到50年代中期，性能良好的硫化镉、硒化镉光敏电阻和红外波段的硫化铅光电探测器都已投入使用。60年代初，中远红外波段灵敏的GE、SI掺杂光电导探测器研制成功，典型的例子是工作在35微米和814微米波段的GEAU（锗掺金）和GEHG光电导探测器。70年代，HGCDTE、PBSNTE等可变禁带宽度的三元系材料的研究取得进展。至今，光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。光电导体的另一应用是用它做摄像管靶面。为了避免光生载流子扩散
11、引起图像模糊，连续薄膜靶面都用高阻多晶材料,如PBSPBO、SB2S3等。其他材料可采取镶嵌靶面的方法，整个靶面由约10万个单独探测器组成。同样，光伏探测器等利用不同光电效应、光热效应制成的各种光电探测器也得到飞速的发展。由于体积小，重量轻，响应速度快，灵敏度高，易于与其它半导体器件集成，是光源的最理想探测器，广泛应用于光通信、信号处理、传感系统和测量系统。尤其在近代高速信息传输的需求推动下，光伏探测器的响应频率从几百兆发展到几十吉赫兹，在西方发达国家，甚至几百吉赫兹的超高速通信传输网已投入试验。212近年高速探测器的发展成果为满足超高速光通信、信号处理、测量和传感系统的需要，半导体光电探测器
12、正朝着超高速、高灵敏度、宽带宽以及单片集成的方向发展。以下介绍几种近年来研究最多的几种光电探测器。1、谐振腔增强型RCE光电探测器高带宽的光信号探测，需要光电探测器的最佳典型结构是薄的光吸收区。然而，薄的光吸收层必定导致半导体材料在吸收系数比较小的波长位置的量子时效率减小。虽然带宽超过200GHZ的光电探测器也已研制成功，但带宽效率积仍然受材料特性的限制。在肖特基光电探测器中，金属接触中的光损耗进一步受到顶部照射器件量子效率的限制，增加器件的响应度只靠采用半透明的肖特基接触。最近几年发展的光电子器件新种类谐振腔增强型结构光电探测器，靠有源器件结构内部的法布里泊罗谐振腔，使器件的量子效率在谐振波
13、长位置猛烈增强，带宽效率积惊人地改善，致使允许制作薄的光吸收区。所以，RCE结构探测器方案对肖特基型光电探测器特别有吸引力。2、金属半导体金属行波光电探测器低温生长GAASLTGGAAS基光电探测器（PD）由于它们短的响应时间、高的电带宽、低的暗电流，以及它们能够与其微波器件例如微波天线集成而受到大大关注。然而，LTGGAAS的宽吸收能隙（800NM）限制了它在长波长（13001500NM）光通信的应用。在长波长制式，几个PS的响应时间已从LTGINGAAS基PD得到了，但这比短波长制式的LTGGAAS基PD的亚PS响应时间长得多。近来，有几个研究组在长波长光通信制式使用垂直照射结构或边缘耦合
14、行波结构，演示了LTGGAAS基PIN/NIN和MSMPD。通过使用内部能隙对导带的欠态跃迁，在LTGGAAS中得到了低于带隙的光子吸收。然而，由于低于能隙的吸收系数比准能带能带吸收系数小得多，用常规的垂直照射PD结构，得到的量子效率是极低的（约为06MA/W）。边缘耦合的PIN/NIN行波PD结构，低效率问题可以靠增加器件的吸收长度克服。虽然最大输出功率可随器件吸收长度而增加，但电带宽将严重地降低。3、分离吸收梯度电荷和倍增雪崩光电探测器雪崩光电二极管（APD）是092165M波长范围工作的现代长拖曳高比特速率光通信系统最广泛使用的光电探测器。在各种APD结构中，分离吸收梯度电荷和倍增3（S
15、AGCM）结构是最有前途的APD结构之一。它具有高的性能例如高的内部增益、可靠性改善，以及超过100GHZ的高增益带宽积。4、集成微镜的INGAAS光电探测器光耦合在光通信的器件特性中是很重要的。使用折射微镜可以增加光耦合效率和耦合容差。因此，它的应用随光电子器件封装微型化而被广泛接受。聚合物微镜已用于MSM光电探测器和光发射二极管。半导体材料有比较高的折射率，符合需要大合成数值孔径的微镜。至今，对半导体微镜的研究方法包括光致抗蚀剂回流干腐蚀、表面微机械和投影掩模再生长等。然而，这些方法需要多工艺步骤和高价的工艺设备。2002年，韩国SAMSUNG电子公司光电子部的SRCHO等人，研制了与半导
16、体微镜集成的INGAASPIN光电探测器。这种PIN光电探测器具有典型的外延层结构。它由NINP缓冲层、NINGAAS吸收层和NINP项层组成。全部外延层用金属有机气相外延（MOVPE）技术生长在NINP衬底上。然后，P区用SIN掩蔽的后置生长ZN扩散工艺选择形成。圆形微镜制作在INPINGAASINPPIN光电探测器的后部，这是INP晶体。在微镜制作之前，INP衬底减薄到120M并且抛光。测量结果表明，这种与半导体微镜集成的INGAASPIN光电探测器的光纤耦合容差提高超过50。5、量子阱红外光电探测器量子阱红外光电探测器（QWIP）受到许多商业、工业和军事应用的关注，因为它们的性能可以与传
17、统的HGCDTE探测器竞争。目前，大多数QWIPS是生长在GAAS（GSASALGAAS材料系统）和INP（INGAASINP材料系统）衬底上，基于这些QWIPS的大制式焦平面阵列（FPA）摄像机已经研制成功了。但是，FPA的读出集成电路（ROIC）是硅基的，复杂的技术象倒装晶片焊接技术使FPA与硅基ROIC混合集成为必需的技术。2002年，IEEE会员JJIANG等人，用SI作衬底研制了INGAASINP量子阱红外光电探测器。使用低温成核层技术和厚缓冲层材料生长技术在SI上生长INP。使用现场热循环退火技术减少INP在SI上的线错密度。使用这个方法，使探测器的暗电流减小2个数量级，在77K和
18、79M波长范围得到探测灵敏度高达23109CMHZ1/2/W。6、高速叉指式GEPIN光电探测器工作在13M波长，用于高速和长拖曳光传输的光电探测器是光传输系统广泛研究的主题。至今，许多这个工作都集中在族化合物半导体的长波长光电探测器。GE4被认为是代替材料，因为它有适合于13M波长的带隙，间接带隙067EV，直接带隙081EV。GE有达到高速性能的潜力，因为它在电信波长有高的电子迁移率和高的光吸收系数。此外，GE有希望应用于例如微波和毫米波光子系统，这种需要高的光电流和高的线性度的系统。近来GE在SI衬底上外延层的沉积工艺技术使GE更有吸引力，因为它容易与SI集成电路技术兼容。已有报道用在S
19、I衬底外延生长的GE制作金属半导体金属（MSM）光电探测器。为了得到高的响应度，使用叉指式的平面结构。平面结构的MSM光电探测器已广泛应用，因为它比较容易制作和具有低的电容。然而，MSM探测器与PIN探测器比较，量子效率低，暗电流大。7、位敏探测器位敏探测器（PSDS）是一种重要的光传感器。薄膜型晶硅基分离器件具有许多优点，其中主要优点是有潜力制作大面积器件而没有内部中断或分界面，以便它们对光输入信息提供连续的传感。PSD用于准直、光处理和机器人视觉系统等。2001年，澳大利亚西部大学电气与电子工程学院的JHENRY等人，用新的氢化非晶硅（ASIH）肖特基势垒结构制作的薄膜位敏探测器PSD与常
20、规的晶体硅器件位敏探测器进行了比较研究。测得ASIH结构的器件输出线性相关系数为R09830997，晶硅器件如PT/CSI和AUIN/CSI器件的R近似为1。另外ASIH结构器件的空间分辨小于50M，而晶硅（CSI）结构器件的空间分辨小于10M。13光电探测器的分类我们知道，要探知一个客观事物的存在及其特性，一般都是通过测量对探测者所引起的某种效应来完成的。在光电子技术领域，也常把光辐射量转换成电量来测量。电量不仅最方便，而且最精确。即便直接转换量不是电量，通常也总是把非电量（如温度、体积等）再转换为电量来实施测量，因此，凡是把光辐射量转换为电量（电流或电压）的光探测器，都称为光电探测器。很自
21、然，了解光辐射对光电探测器产生的物理效应是了解光探测器工作的基础。光电探测器的物理效应通常分为两大类光子效应和光热效应。在每一大类中，又可分为若干细目，如表11所列。5表11（A）光子效应分类效应相应的探测器外光电效应（1）光阴极发射光电子正电子亲和势光阴极负电子亲和势光阴极（2）光电子倍增气体繁流倍增打拿极倍增通道电子倍增光电管充气光电管光电倍增普像增强普内光电效应（1）光电导（本征和非本征）（2）光生伏特PN结和PIN结（零偏）PN结和PIN结（反偏）雪崩肖特基势垒异质结（3）光电磁光子牵引光导管或光敏电阻光电池光电二极普雪崩光电二极普肖特基势辛光电二极管光电磁探测器光子牵引探测器表11（
22、B）光热效应分类效应相应的探测器（1）测辐射热计负电阻温度系数正电阻温度系数超导（2）温差电（3）热释电（4）其它热敏电阻测辐射热训金属测辐射热计超导远红外探测器热电偶、热电堆热释电探测器高莱盒，液晶等6光子效应。是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后。直接引起原子或分子内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。因为光子能量是，所以光子效应就对光波频率表现出选择性在光子直接与电子相互作用的情况下，其响应速度一般比较快。光热效应则完全不同。探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，
23、引起探测器元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其它物理性质发生变化。所以，光热效应与单光子能量的大小没有直接关系。原则上，光热效应对光波频率没有选择性，只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就越强烈，所以广泛用于对红外辐射的探测。因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。值得注意的是，谓热释电效应是响应与材料的温度变化率，比其它光热效应的响应速度要快得多，并己获得日益广泛的应用。14光电探测器的物理基础1、光电发射效应在光照下，物体向表面以外空间发射电子（即光电子）的现象称为光电发射效应。能产生光电发射效应的物体称为光电发射
24、体，在光电管中又称为光阴极。著名的爱因斯坦方程描述了该效应的物理原理和产生条件。爱因斯坦方程是式中，是电子离开发射体表面时的动能，M是电子质量，是电子离开时的速度；是光子能量；是光电发射体的功函数。该式的物理意义是如果发射体内的电子所吸收的光子的能量H大于发射体的功函数的值，那么电子就能以相应的速度从发射体表面逸出。光电发射效应发生的条件为7用波长表示时有或式中大于和小于表示电子逸出表而的速度大于零，等号则表示电子以零速度逸出，即静止在发射体表而上。这里和分别称为产生光电发射的入射光波的截止频率和截止波长。可见，小的发射体才能对波长较长的光辐射产生光电发射效应。2、光电导效应光电导效应只发生在
25、某些半导体材料中。半导体和金属的导电机构完全不同，在0K时，导电载流子浓度为零。在0K以上，由于热激发而不断产生热生载流子（电子和空穴），它在扩散过程中又受到复合作用而消失。在热平衡下，单位时间内热生载流子的产生数目正好等于因复合而消失的数目。在外电场E的作用下，载流子产生漂移运动。图11说明光电导用图参看图11，光辐射照射外加电压的半导体。如果光波长满足如下条件8式中，是禁带宽度，是杂质能带宽度。那么光子将在其中产生出新的载流子（电子和空穴）。这就使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了一个量N和P。这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载流子，我们现在称之为光生载流子。显然，P和N将使半
26、导体的电导增加一个量G，我们称之为光电导效应。3、光伏效应如果光导现象是半导体材料的体效应，那么光伏现象则是半导体材料的结效应。也就是说，实现光伏效应需要有内部电势垒，当照射光激发出电子一空穴对时，电势垒的内建电场将把电子一空穴对分开，从而在势垒两侧形成电荷堆积，形成光生伏特效应。我们知道，PN结的基本特征是它的电学不对称性，在结区有一个从N侧指向P侧的内建电场存在。热平衡下，多数载流子（N侧的电子和P侧的空穴）的扩散作用与少数载流子（N侧的空穴和P侧的电子）由于内电场的漂移作用相互抵消，没有净电流通过PN结。此为零偏状态，如果照射光的波长满足条件（16）那么，无论光照N区或P区，都会激发出光
27、生电子一空穴对。例如光照P区，如图12所示。由于P区的多数载流子是空穴，光照前热平衡空穴浓度本来就比较大，因此光生空穴对P区空穴浓度影响很小。相反地，光生电子对P区的电子浓度影响很大，从P区表面（吸收光能多，光生电子多）向区内自然形成电子扩散趋势。如果P区的厚度小于电子扩散长度，那么大部分光生电子都能扩散进PN结，一进入PN结，就被内电场扫向N区。这样，光生电子一空穴对就被内电场分离开来，空穴留在P区，电子通过扩散流向N区。这时用电压表就能量出P区正N区负的开路电压，称为光生伏特效应。9图12光生伏特效应以上我们说明了三种光子效应，下面我们再说明两种常用的光热效应。4、温差电效应当两种不同的配
28、偶材料（可以是金属或半导体），两端并联熔接时，如果两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电效应。5、热释电效应当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷。这种由于热变化而产生的电极化现象称为热释电效应。102典型光电探测器响应时间的研究光电导探测器和光生伏特器件是国防、空间技术、工农业科学技术中得到广泛应用的光电探测器，也是本次实验研究用到的两类探测器，下面将详述其构造、工作原理与特性。21光电导探测器利用光电导效应原理而工作的探测器称为光电导探测器，又称光敏电阻或光导管。本征型光敏电阻一般在室温下工作，适用于可见光和近红外辐射探测；非本征型光敏电阻通常必须在低
29、温条件下工作，常用于中、远红外辐射探测。由于光敏电阻没有极性，只要把它当作阻值随光照强度而变化的可变电阻来对待即可，因此在电子电路、仪器仪表、光电控制、计量分析以及光电制导、激光外差探测等领域中获得了十分广泛的应用。常用的光敏电阻有CDS，CDSE，PBS，INSB以及TECDHG等。其中CDS是工业应用最多的，而PBS主要用于军事装备。211光电转换原理以非本征N型材料为例，分析模型如图21所示。图中U表示端电压，L、W、H分别表示材料的尺寸，光功率P在X方向均匀入射。现在我们来求在上述条件下它所产生的光电流I等于多少。如果光电导材料的吸收系数为A，表而反射率为R，那么光功率在材料内部沿X方
30、向的变化规律为因为端而光照均匀。所以光生面电流密度J在X方向变化11图21光敏电阻分析模型式中，E是电子电荷，是电子在外电场方向的漂移速度，为电子在X处的体密度。流过电极的总电流I为利用稳态下电子产生率和复合率相等即可求出。如果电子的平均寿命为，那么电子的复合率为，而电子的产生率等于单位体积、单位时间吸收的光子数乘以量子效率，即，于是把式代入式，有式中，12其中，是有效量子效率，M为电荷放大系数，亦称光电导体的光电流内增益，是载流子平均寿命与载流子渡越时间之比。内增益M的大小主要由探测器类型、端电压U和结构尺寸L决定。光电导探测器的实际结构如图22所示。掺杂导体薄膜淀积在绝缘基底上，然后在薄膜
31、而上蒸镀金或钢等金属，形成梳状电极结构。这种排列使得间距很近（即L小、M大）的电极之间具有较大的光敏而积，从而获得高的灵敏度为了防止潮湿对灵敏度的影响，整个带子采用密封结构。1一光电导体；2一电极；3一绝缘基底；4导电层（A）梳状式；（B）刻线式；（C）夹层式图22光敏电阻结构示意图212工作特性分析光敏电阻的性能可依据其光谱响应特性、照度伏安特性、频率响应和温度特性来判别。依据这些特性，在实际应用中就可以有侧重，从而合理地选用光敏电阻。1、光谱响应特性光敏电阻对各种光的响应灵敏度随入射光的波长变化而变化的特性称为光谱响应特性。光谱响应特性通常用光谱响应曲线、光谱响应范围以及峰值响应波长来描述
32、。峰值波长取决于制造光敏电阻所用半导体材料的禁带宽度。其值可由下式估算13式中为峰值响应波长（NM），为禁带宽度（EV）。峰值响应波长的光能把电子直接由价带激发到导带。实际光电半导体中，由于杂质和晶格缺陷所形成的能级与导带间的禁带宽度比价带与导带间的主禁带宽度要窄得多，因此波长比峰值波长长的光将把这些杂质能级中的电子激发到导带中去，从而使光敏电阻的光谱响应向长波方向有所扩展。另外，光敏电阻对波长短的光的吸收系数大，使得表面层附近形成很高的载流子浓度。这样一来，自由载流子在表面层附近复合的速度也快。从而使光敏电阻对波长短于峰值响应波长的光的响应灵敏度降低。综合这两种因素，光敏电阻总是具有一定响应
33、范围的光谱响应特性。利用半导体材料的掺杂以及用两种半导体材料按一定比例混合并烧结形成固溶体的技术，可使光敏电阻的光谱响应范围和峰值响应波长获得一定程度的改善，从而满足某种特殊需要。图23给出了CDS、CDSE、PBS光敏电阻的典型光谱响应特性曲线。图23二种光敏电阻的光谱响应特性光电特性和伏安特性2、照度伏安特性式（25）是理想情况下的光敏电阻的光电转换关系式。由于许多实际因素的影响，光敏电阻（在一定端偏压U条件下）的光照特性呈非线性关系，即式中均为常数。K与器件的材料、尺寸、形状以及载流子寿命有关；电压指数的值一般在1012之间，在烧结体中主要受接触电阻等因素影响；是照度指14数，由杂质的种
34、类及数量决定，其值约在050之间。在低偏压（几伏到几十伏）、弱光照条件下。通常可取于是式变为这样无论是光电特性（IP关系）还是伏安特性（IU关系）都认为是线性特性。图24光敏电阻工作电路图所示的电路中，省掉了极间电容，所以上述分析只适用于低频情况。当入射光功率变化频率较高时，在等效电路中一定不能省去。从前而的讨论知道，为了得到较大的电流增益M，总是设法减小极间距离L。但这又使增大。导致器件时间常数增大，使响应频率减小。所以一般说，光敏电阻的响应频率比较低，响应时间比较长，这也是它的不利因素之一。3、前历效应前历效应是指光敏电阻的时间特性与工作前历史有关的一种现象。前历效应有暗态前历与亮态前历之
35、分。暗态前历效应是指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后表现为暗态。前历越长，光电流上升越慢。其效应曲线如下图所示。一般，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重。151黑暗放置3分钟后2黑暗放置60分钟后3黑暗放置24小时后图25硫化镉光敏电阻的暗态前历效应曲线亮态前历效应，指光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象，其效应曲线如下图所示。一般，亮电阻由高照度状态变为低照度状态达到稳定值时所需的时间要比由低照度状态变为高照度状态时短。图26硫化镉光敏电阻亮态前历效应曲线4、稳定特性一般来说，光敏电阻的阻值随温度变化而变化的变化
36、率在弱光照和强光照时都较大，而在中等光照时则较小。例如，CDS光敏电阻的温度系数在10LX照度时约为0；照16度高于10LX时，温度系数为正；小于10LX时，温度系数反而为负。照度偏离10LX愈多，温度系数也愈大。另外。当环境温度在060的范围内时，光敏电阻的响L命速度几乎不变；而在低温环境下，光敏电阻的响应速度变慢。例如，30时的响应时间约为十20时的2倍。最后，光敏电阻的允许功耗随着环境温度的升高而降低。这些特性都是实际使用中应注意到的。5、噪声特性光电导探测器的噪声主要是由三个噪声源所贡献的，它们是产生一复合（GR）噪声、热噪声和1/F噪声。总的均方噪声电流可写为它的有效值为式中，为载流
37、子寿命，为探测器的等效电阻。当F时，产生一复合噪声项不再与频率有关；当F时。产生一复合噪声明显减小。1/F噪声项中的比例系数A，当F1KHZ时，这一噪声项可以忽略不计。最后一项是探测器的热噪声。光电导探测器这三种噪声源的噪声功率谱在频带中的相对贡献如图所示。图27相对噪声功率谱17213时间响应特性及改善光敏电阻受光照后或被遮光后，回路电流并不立即增大或减小，而是有一段响应时间。图28显示出了光敏电阻响应速度的测定电路及其示波器波形。光敏电阻的响应时间常数是由电流上升时间和衰减时间表示的。图28中给出了和的定义。通常，CDS光敏电阻的响应时间约为几十毫秒到几秒；CDSC光敏电阻的响应时间约为S
38、；PBS的响应时间约为S。值得注意的是，光敏电阻的响应时间随入射光的照度、所加电压、负载电阻及照度变化前电阻所经历的时间（称为前历时间）等因素有关。一般来说，照度愈强，响应时间愈短；负载电阻愈大，愈短、愈长；暗处放置时间愈长，响应时间也相应愈长。实际应用中，尽量提高使用照明度，降低所加电压，施加适当偏置光照，使光敏电阻不是从完全暗状态开始受光照，都可以使光敏电阻的时间响应特性得到一定改善。图28响应特性测定电路及其波形。22PN结光伏探测器利用PN结的光伏效应而制做的光电探测器称为光伏探测器。18221光电转换原理为了便于理解在后而将要引入的光伏探测器的等效电路，我们先讨论一下光伏探测器的光电
39、转换规律。PN结光伏探测器的典型结构及作用原理如图29所示。为了说明光功率转换成光电流的关系，设想光伏探测器两端被短路，并用一理想电流表记录光照下流过回路的电流，这个电流常常称为短路光电流。假定光生电子一空穴对在PN结的结区，即耗尽区内产生。由于内电场的作用，电子向N区、空穴向P区漂移运动，被内电场分离的电子和空穴就在外回路中形成电流。就光电流形成的过程而言，光伏探测器和光电导探测器有十分类似的情况。为此，我们把讨论光电导探测器光电转换关系所导出的式（23一3）改写为式中Q是光电导探测器中一个光生电子所贡献的总电荷量。从上式可见，除了Q项外，光伏和光导的其它物理量都可以用同一种形式描述。（A）
40、典型结构；（B）作用原理图29光伏探测器典型结构和作用原理19222光伏探测器的工作模式光伏探测器和光电导探测器不同，光伏探测器的工作特性要复杂一些。光伏探测器通常有光电池和光电二极管之分。也就是说，光伏探测器有着不同的工作模式。因此在具体讨论光伏探测器的工作特性之前，首先必须弄清楚它的工作模式问题。PN结光伏探测器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210（B）所示。它的工作模式则由外偏压回路决定，在零偏压时（见图210（C）称为光伏工作模式。当外回路采用反偏压V时（见图210（D），即外加P端为负、N端为正的电压时，称为光导工作模式。图210（A）伏探测器的符弓；（B）
41、等效电路；（C）光伏工作模式；（D）光导工作模式我们知道，普通二极管的伏安特性为因此，光伏探测器的总伏安特性应为和之和，考虑到二者的流动方向，我们有式中，I是流过探测器的总电流，E是电子电荷，U是探测器两端电压，是玻耳兹曼常数，T是器件的绝对温度。20以式（215）中I和U为纵横坐标绘制曲线，就是光伏探测器的伏安特性曲线，如图211所示。从图可见，第一象限是正偏压状态，本来就很大，所以光电流不起重要作用。作为光电探测器，工作在这一区域没有意义。第三象限是反偏压状态，这时，它是普通二极管中的反向饱和电流，现在称为暗电流（对应于光功率P0），数值很小，这时的光电流（等于）是流过探测器的主要电流，这
42、对应于光导工作模式。通常把光导工作模式的光伏探测器称为光电二极管，因为它的外回路特性与光电导探测器十分相似。在第四象限中外偏压为零。流过探测器的电流仍为反向光电流，随着光功率的不同，出现明显的非线性。这时探测器的输出是通过负载电阻上的电压或流过上的电流来体现的，因此称为光伏工作模式。通常把光伏工作模式的光伏探测器称为光电池。应特别注意，光电流总是反向电流，而光电流在上的电压降对探测器产生正向偏置称为自偏压，当然要产生正向电流。最终两个电流抵消，伏安曲线中比于横轴上。光电池和光电二极管的工作特性有着明显的差别，详细情况将在下而两节中专门讨论。21图211光伏探测器的伏安特性223SI光电二极管的
43、构造与特性分析以光导模式工作的结型光伏探测器称为光电二极管，它在微弱、快速光信号探测方面有着非常重要的应用。为了提高它的工作性能，人们做了大量的研究工作，出现了许多性能优良的新品种。概括起来，有SI光电二极管、PINSI光电二极管、雪崩光电二极管（记为APD），肖特基势垒光电二极管、HGCDTE光伏二极管、光子牵引探测器以及光电二极管等等。下面主要介绍SI光电二极管。制造一般光电二极管的材料几乎全部选用硅或锗的单晶材料。由于硅器件较之锗器件暗电流温度系数小得多，加之制作硅器件采用的平面工艺使其管芯结构很容易精确控制，因此硅光电二极管得到了广泛应用。1、结构原理硅光电二极管的两种典型结构如图21
44、2所示。其中图（A）是采用N型单晶硅和扩散工艺，称N结，它的型号是2CU型。而图（B）是采用P型单晶和磷扩散工艺，称P结，它的型号为2DU型。光敏芯区外侧的环区称为保护环，其目的是切断感应表面层漏电流。使暗电流明显减小。硅光电二极管的电路中的符号及偏置电路也在图212中一并画出，一律采用反向电压偏置。有环极的光电二极管有三根引出线，通常把N侧电极称为前极，P侧电板称为后极。环极接偏置电源的正极。如果不用环极，则把它断开，空着即可。（A）2CU型；（B）2DU型22图212硅光电二极管两种典型结构2、光谱响应特性和电流灵敏度SI光电二极管具有一定的光谱响应范围。图213给出了SI光电二极管的光谱
45、响应曲线。常温下，SI材料的禁带宽度为112EV峰值波长约为09M，长波限约为11M。由于入射波长愈短，管芯表面的反射损失就愈大，从而使实际管芯吸收的能量愈少，因而就产生了短波限问题。SI光电二极管的短波限约为04M。SI光电二极管的电流灵敏度主要决定于量子效率。在峰值波长09M条件下，50。电流灵敏度A/。3、光电变换的伏安特性分析图213SI光电二极管的光谱响应曲线我们己经知道，光电二极管是一种以光导模式工作的光伏探测器，其等效电路己在图210中给出。因为光电二极管总是在反向偏压下工作，所以。和都是反向电流。为了符合人们通常的观察习惯，我们将图24一2（B）中，的I和U方向倒转，就可以在第
46、一象限位置表示第二象限（光导模式工作区）的伏安特性，如图26一2（A）所示。其中，弯曲点所对应的电压值称为曲膝电压。为了分析方便，经线性化处理后的特性曲线如图26一2（B）所示。其中，Q为直流工作点，G、和23为各斜线与水平轴夹角的正切，意义是是光电二极管的内电导，其值等于管子内阻的倒数；是光电二极管的饱和电导，显然，如果光电二极管的内电导超过值，则表明光电二极管己进入饱和导通的工作状态；为负载电导，其值等于负载电阻值的倒数。（A）伏安特性；（B）线性化处理图214光电二极管的伏安特性和线性化处理4、噪声特性由于光电二极管常常用于微弱光信号的探测，因此了解它的噪声性能是十分必要的。图215是硅
47、光电二极管的噪声等效电路。对高频应用，两个主要的噪声源是散粒噪声和电阻热噪声。输出噪声电流的有效值相应的噪声电压式中，分别是信号电流、背景光电流和反向饱和暗电流的平均值。由上式可见，从材料及制造工艺上尽量减小，并合理选取负载电阻是合理减小噪声的有效途径。24图215光电二极管的噪声等效电路224频率响应特性及改善探讨硅光电二极管的频率特性是半导体光电器件中最好的一种，因此特别适宜于快速变化的光信号探测。光电二极管的频率响应主要由二个因素决定光生载流子在耗尽层附近的扩散时间；光生载流子在耗尽层内的漂移时间；与负载电阻并联的结电容所决定的电路时间常数。1、扩散时间由半导体物理可知，扩散是个慢过程，
48、扩散时间式中D是扩散进行的距离，是少数载流子的扩散系数。如果以P型SI为例。电子扩散进行距离为5M，扩散系数为34X，式（218）给出的37XS。作为高速响应来说，这是一个很可观的时间。因此在制造工艺上应尽量减小这个时间。一般把光敏面做得很薄。由于硅材料对光波的吸收与波长有明显关系，所以不同光波长产生的光生载流子的扩散时间变得与波长有关。在光谱响应范围内，长波长的吸收系数小，入射光可透过PN结而到达体内N区较深部位，它激发的光生载流子要扩散到PN结后才能形成光电流。这一扩散时间限制了对长波长光的频率响应。波长较短的光生载流子大部分产生在PN结内，没有体内扩散问题，因25而频率响应要好得多。对S
49、I光电二极管来说，由波长不同引起的响应时间可相差倍。为了改善长波长的频率响应，出现了PIN硅光二极管。这将在后面讨论。2、耗尽层中的漂移时间为了估计漂移时间的量级，参看图216，图中和分别表示P区和N区内耗尽层宽度，耗尽层的总宽度式中，为材料介电常数，和分别为材料中受主和施主的杂质浓度，U为端电压，这里假定端电压U比零偏内结电压高得多，而且是突变结。图216耗尽层的电场分布为了充分吸收入射光辐射，总是希望W比较宽些，一般都要求式中是波长的吸收系数。在W内由于高电场存在，载流子的漂移速度趋于饱和。实际情况都满足这个条件。我们可以把载流子的漂移速度用一个固定的饱和速度来估计，于是26对硅光电二极管，耗尽层中电场取2000V/M，载流子饱和速度取M/S，取W5M，则S。3、结电容效应由于结区储存电荷的变化，光电二极管对外电路显示出一个与电压结有关的结电容。对突变结式中，A是结而积，其它参量的意义与式（220）和（221）中的说明相同。如果假定|U|（U本身为负值），且对N结构，则式（224）可以简化为（225）式中，。若A1，117，10V，则30PF。对实际使用来说，要想得到小的电容，应尽可能地选取较高的反偏压。考虑到光电二极管的电容效应，它的高频等效电路如图217所示。其中图（A）是比较完全的等效电路，是光电二极管的内阻，亦
