光電導(dǎo)探測器時間常數(shù)對比

利用內(nèi)光電效應(yīng)制成的光子型探測器，是用半導(dǎo)體材料制成的固態(tài)電子器件，主要包括光電導(dǎo)探測器和光伏型探測器等。

光伏型探測器通常由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)成，其原理是利用PN結(jié)的內(nèi)建電場將光生載流子掃出結(jié)區(qū)而形成信號。當(dāng)探測器受到光照(輻照)、體內(nèi)發(fā)生本征光吸收時，產(chǎn)生兩種帶相反電荷的光生載流子（電子和空穴）。這兩種光生載流子一開始僅局限于光照區(qū)，隨后由于存在濃度梯度，其中一部分?jǐn)U散到PN結(jié)區(qū)，在PN結(jié)內(nèi)建電場的作用下，分別聚集到結(jié)的兩端，形成電壓信號。如PN結(jié)兩端連成一個回路，則形成電流信號。

光子型探測器是有選擇性響應(yīng)波長的探測器件。只有當(dāng)入射光子能量大于光敏材料中的電子激活能E時,探測器才有響應(yīng)。對于外光電效應(yīng)器件，如光電管和光電倍增管，E等于電子逸出光電陰極時所要作的功,此數(shù)值一般略大于1電子伏。因此,這類探測器只能用于探測近紅外輻射或可見光。對于光伏型探測器和本征光導(dǎo)型探測器,E等于半導(dǎo)體的禁帶寬度；對于非本征光導(dǎo)型探測器,E等于雜質(zhì)電離能。由于禁帶寬度和雜質(zhì)電離能這兩個參數(shù)都有較大的選擇余地，因此，半導(dǎo)體光子型探測器的響應(yīng)波長可以在較大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，用本征鍺做成的光導(dǎo)型探測器，對近紅外輻射敏感；而用摻雜質(zhì)的鍺做成的光導(dǎo)型探測器，既能對中紅外輻射敏感（如鍺摻汞探測器），也能對遠(yuǎn)紅外輻射敏感（如鍺摻鎵探測器）。

1、響應(yīng)率

光伏探測器的響應(yīng)率與器件的工作溫度及少數(shù)載流子濃度和擴(kuò)散有關(guān)，而與器件的外偏壓無關(guān)，這是與光電導(dǎo)探測器的不相同的。

2、噪聲

光伏探測器的噪聲主要包括器件中光生電流的散粒噪聲、暗電流噪聲和器件的熱噪聲，其均方噪聲電流為：

式中，為流過P-N結(jié)的總電流，它與器件的工作及光照有關(guān)，為器件電阻，因反偏工作時相當(dāng)大，熱噪聲可忽略不計(jì)，故光電流和暗電流引起的散粒噪聲是主要的.

下面著重討論光伏探測器在有無光照情況下的暗電流噪聲

a、光照時

通過器件的電流只有熱激發(fā)暗電流?！⊥?，可以寫出負(fù)偏壓工作的光伏探測器的暗電流噪聲，顯然它只有零偏壓工作時的一半。

b、無光照時

3、比探測率

光伏探測器工作于零偏時，比探測率與成正比。當(dāng)入射波長一定，器件量子效率相同時，越大，就越高。所以，零偏電阻往往也是光伏探測器的一個重要參數(shù)，它直接反應(yīng)了器件性能的優(yōu)劣。當(dāng)光伏探測器受熱噪聲限制時，提高探測率的關(guān)鍵在于提高結(jié)電阻和界面積的乘積和降低探測器的工作溫度，同時式也說明，當(dāng)光伏探測器受背景噪聲限制時，提高探測率主要在與采用減小探測器視場角等辦法來減少探測器接收的背景光子數(shù)。

4、光譜特性

和其他選擇性光子探測器一樣，光伏探測器的響應(yīng)率隨入射光波長而變化。

通常用硅能很好的光伏探測器。但其最佳響應(yīng)波長在0.8-1.0,對于1.3或1.55紅外輻射不能響應(yīng)。鍺制成的光伏探測器雖能響應(yīng)到1.7,但它的暗電流偏高，因而噪聲較大，也不是理想的材料。對于接收大于1的輻射需要采用Ⅲ—Ⅴ和Ⅱ—Ⅵ族化合物半導(dǎo)體。

擴(kuò)散時間

假設(shè)光從P-N結(jié)的N側(cè)垂直入射，且穿透深度不超過結(jié)區(qū)，則光電流主要是N區(qū)及結(jié)區(qū)光生空穴電流所成。N區(qū)光生空穴擴(kuò)散至結(jié)區(qū)所需要的時間與擴(kuò)散長度和擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)。以N型硅為例，當(dāng)空穴擴(kuò)散距離為幾微米時，則需擴(kuò)散時間約s。對于高速響應(yīng)器件，這個量是不能滿足要求的。因此，在制造工藝上將器件光敏面作得很薄，以便得到更小的擴(kuò)散時間。

耗盡層中的漂移時間

由半導(dǎo)體物理學(xué)可知，耗盡層中截流子的漂移速度與耗盡層寬度及其間電場有關(guān)。在一般的光電二極管中，不是限制器件頻率響應(yīng)特性的主要因素。

5、頻率響應(yīng)及響應(yīng)時間

光伏探測器的頻率響應(yīng)主要有三個因素決定(1)光生截流子擴(kuò)散至結(jié)區(qū)的時間;(2)光生截流子在電場作用下通過結(jié)區(qū)的漂移時間;(3)由結(jié)電容與負(fù)載電阻所決定的電路常數(shù)。

6、溫度特性

光伏探測器和其他半導(dǎo)體器件一樣，其光電流及噪聲與器件工作溫度有密切關(guān)系。