光电导探测器 Photoconductive detectors

2022-11-01 09:56:43 浏览:411

定义

光电探测器,其由入射光引起的电阻降低。

光电导探测器是一种基于光电导半导体材料的光电探测器。 在这里,入射光的吸收会产生非平衡的电载流子,从而降低两个电极上的电阻。 还有一些具有负光导率的奇特情况,即由照明引起的电阻增加。

光导探测器的替代术语是光敏电阻器、光相关电阻器和光电管。

虽然对于可见光的检测,人们通常更喜欢光电二极管,因为它们具有明显的优越性能(有时在成本关键型应用中除外),但光电导探测器通常用作红外探测器。

原则上,人们可以认为光电二极管是光电导体,至少在光电导模式下使用时,即具有负偏置电压。 然而,在本文中,我们假设感光体是没有p-n结的器件。 电气特性与光电二极管截然不同;例如,可以得到光电流对施加的偏置电压的实质性依赖性。

光电导天线通常用于检测太赫兹辐射。 虽然这种设备也可以称为光电导探测器,但在本文中,我们只考虑光探测器,即具有更高光学频率的电磁辐射。

内外光导体

一个重要的区别是内在和外在感光导体之间的区别:

内在材料

在本征材料中,人们利用带间跃迁,即从价带到导带的带隙上的光学跃迁。 这只有在光子能量高于带隙能量时才有可能,即对于足够短的光波长。

例如,铅盐、硫化镉和硒化镉汞探测器就是基于这种工作原理的。

外在材料

在杂质带检测器的外在材料中,人们利用杂质引入的额外能级。 这些是通过掺杂其他化学物质引入的,并提供额外的激发途径。 高掺杂浓度最好以获得强吸收,以便可以使用相当薄的层;只是,对于过高的掺杂,暗电流和噪声特性会降低。

为了允许特别高的掺杂浓度,已经开发了封闭杂质带(BIB)检测器,除了重掺杂的活性层外,它还包含一个额外的本征层,称为封闭层。 本征层具有抑制杂质带跳跃载流子的功能。

外在材料的例子是硅和锗,掺杂了砷、铜、金或铟。 它们主要用于检测波长特别长的红外光,并且在超过20μm的应用中占主导地位。

设备设计

光电导检测器可以简单地由一块半导体材料组成,并附有两个用于感测电阻的金属电极。 通常不是简单地将两个电极连接到半导体芯片的相对两侧,而是将蛇形电极应用于半导体芯片的表面并照亮它们之间的区域。 如果照明来自电极的侧面,则照射到电极的光就会丢失。 但是,也可以使用反向照明,即将电极位于与光进入半导体的电极相反的一侧。 通常,人们试图保持较小的电极距离(原因在下面变得明显),并且对于较大的有效区域,因此需要蛇形电极结构。

由于通常具有很强的光吸收,相当薄的半导体层(例如厚度仅为几微米)就足够了。 它可以是用简单的蒸发技术沉积的多晶层。

与光电二极管相比,更简单的器件设计和制造是光电导概念的一个优势。

与光电二极管相比,不需要p–n结,因此光敏电阻的器件设计更简单。 也没有必要应用高纯度半导体材料的外延生长;制造多晶层通常就足够了。 因此,可以使用几乎不适合制造光电二极管的材料来实现光电导检测器。 特别是,这包括适合在相对较长的光学波长下检测红外光的材料;请参阅有关红外探测器的文章。

热激发问题

特别是对于只需要小激发能量的感光体,如检测长波红外光所需的,热激发可以产生额外的载流子,由此产生的信号当然可以掩盖来自入射光的真实信号。 不仅要获得额外的恒定电流,还要获得相应的噪声。

这个问题通常可以通过在低温下操作来缓解。 在某些情况下,使用帕尔贴(热电)冷却器适度降低温度就足够了——有时主要用于消除温度变化的影响——而其他设备则在大幅降低的温度下运行,例如 100 K,在极端情况下甚至 4 K。 在某些情况下,不仅探测器芯片需要冷却,还需要冷却红外滤光片,否则滤光片的热辐射可能会在检测器中产生不需要的信号。

通过冷却探测器或过滤器无法解决的问题是来自被观察物体附近物体的背景热辐射。 例如,当检测到来自天空的微弱红外信号以及来自大气的红外辐射时,这是一个问题。

响应度和带宽

光导探测器的响应度与产生的载流子的平均寿命成正比:这种载流子的寿命越长,它对光电流的贡献就越长。 另一方面,光电流与载流子的传输时间成反比:载流子通过器件结构的速度越快,它对电流的贡献就越大(这意味着每单位时间的电荷)。 通过一个相当简化的物理模型,可以证明响应度(光电流与入射光功率的比率)由下式给出

其中第一项与光电二极管相同,并且比率τr / τt复合时间和传输时间称为光导增益 Gp,这取决于施加的电压U和载流子迁移率μ:

其中d是电极距离。 光导增益可以大大大于单位增益,这意味着对于给定的光功率(即响应度)获得的光电流可以远大于光电二极管的光电流。 这之所以有可能,是因为到达电极的少数载流子可以导致注入额外的多数载流子;否则,激发的载流子对光电流的贡献时间不会超过其传输时间。

通过使用具有长载流子复合时间和更高载流子迁移率的光导材料可以实现高响应度。 此外,电极距离应该很小,因为较大的距离不仅会增加载流子必须行进的距离,而且还会减少内部电场。

响应性和带宽之间存在内在的权衡。

不幸的是,较长的载波弛豫时间(对于获得高响应度很有用)也会导致较小的检测带宽。 然而,人们经常使用具有相当长的载体弛豫时间的材料。

光电导探测器的响应通常是非线性的,与光电二极管的响应形成鲜明对比。 这主要是由于载流子寿命的作用,它受到重组速率的限制,而重组速率取决于载流子密度。 为了量化这种非线性,一些制造商根据针对两个不同照度值(例如 10 lux 和 100 lux )测量的电阻值指定γ = lg(R10 lux / R100 lux ) ,这将是线性响应的统一。 例如,硒化镉光敏电阻的γ值约为0.6至0.8。

暗电阻

希望光导检测器具有高暗电阻,即仅表现出低电导率而没有入射光。 暗电阻可以是 10 量级18某些检测器(例如高质量CdS探测器)Ω甚至更高,而其他探测器(例如低质量CdS)则要低得多。 暂时,长波长探测器的它较低。

术语暗电流在光电导探测器中并不常见;这取决于施加的偏置电压。

噪声

不同类型的噪声会影响光电导探测器的输出信号:

  • 有一种热噪声,也称为约翰逊噪声,是由载流子的热运动引起的。 其强度取决于电阻和工作温度。
  • 载流子的产生和重组会产生噪声。
  • 此外,还有一定量的1 / f噪声,主要在低频时受到伤害。

当然,前置放大器可能会产生额外的噪声,但对于高质量的放大器来说,这通常可以忽略不计。

常见感光体

主要使用以下半导体材料:

镉基探测器

硫化镉(CdS)探测器主要对蓝绿色光谱区域的光做出反应。 它们已广泛用于各种消费类设备,例如相机(如测光表)、自动光控制设备和作为光栅中的探测器,主要是因为它们相当便宜。 然而,它们的使用越来越受到限制,例如通过RoHS镉禁令;它们通常可以很容易地被其他器件取代,例如硅光电二极管。

硫化镉检测器的响应时间在毫秒范围内,例如在 5 到 100 ms 之间。 此外,还有明显的记忆效应,即响应在很大程度上取决于照明历史,即使在几秒钟的时间尺度上也是如此。 这种现象可以用涉及不同类型的复合中心和捕获中心的物理模型来解释,这些复合中心是由晶体缺陷引入的。

在某些情况下,CdS的低响应已在电子电路中得到利用,例如用于动态响度压缩器。

可以制造更高质量的硫化镉探测器,其中薄的CdS膜沉积在蓝宝石衬底上。 使用此类设备,可以获得非常高的暗电阻并检测皮瓦级的光功率。

类似的检测器可以用硒化镉(CdSe)制成,其在较长的波长(约0.7μm)下具有峰值光谱响应。 也可以使用三元化合物CdSx硒1−x具有中间属性。

铅盐

硫化铅(PbS)很早就被认为是红外光的光导材料,适用于波长高达≈3μm。 亚碲矿铅(PbTe)是一种类似的材料,但带隙较窄,因此允许操作高达≈7μm。 这两种材料都是在第二次世界大战期间及之后主要用于军事应用(例如热寻的导弹)而开发的。 后来,它们在很大程度上被碲化镉汞取代(见下文)。

碲化镉汞

碲化镉汞(MCT、汞)x镉1−xTe,但有些非化学计量)是一种本征材料,即使在相对较长的红外波长超过 10 μm 时也能提供良好的性能。 通过成分参数x,可以在从0.8μm(CdTe)到基本为零的宽范围内调整带隙能量,因为HgTe是一种半金属(没有带隙)。 具有合适成分的 MCT 可用于 3–5 μm 和 8–12 μm 的大气窗口。 后一个波长范围非常适合在低温和高精度下进行热成像。

MCT 探测器通常在运行过程中冷却,大多低于 200 K 甚至低于 100 K,但低于其他一些类似长波长的探测器材料(例如外征硅)。 通常使用斯特林冷却器。 开启后几分钟内即可达到所需的工作温度。

碲化镉汞当然是一种相当有毒的物质,因此存在问题。 不幸的是,在某些应用程序中很难更换。 因此,它们是一些临时例外,例如在欧洲RoHS法规中,允许将该材料用于某些应用。

对于一些常见的应用,如建筑物的热成像,通常不使用MCT,而是使用基于微测辐射热计的设备,尽管它们无法达到相同的性能水平。

外在硅和锗

硅不仅被广泛用作光电二极管的本征材料,而且还以外征材料的形式用于长波红外检测。 在后一种情况下,它大量掺杂了砷、铜、金或铟。 然后,它适用于非常长的波长,部分甚至超过200μm波长。 它需要冷却到非常低的温度(例如,液氦为4 K),因为否则热激发会掩盖任何红外光信号。

一个有趣的方面是,外征硅探测器可以用CMOS和CCD技术制造,因此可以很好地用于红外图像传感器。 在这种情况下,它们通常作为电荷转移器件运行,基本上与传统的CCD芯片一样工作。 它们也以焦平面阵列的形式实现。 然而,所需的极低工作温度部分导致对碲化镉汞的偏好,除了非常长的波长区域。

锗同样可以用作外在材料,并且在很长的波长下具有一些优点。 然而,它不如硅受欢迎 - 部分原因是它对杂质的溶解度要低得多,也因为硅技术通常要发达得多。

光检测和表征

作          者: 泮桥成像光电商城

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