石巖PIN光電探測(cè)器設(shè)計(jì)

雪崩光電二極管（APD）當(dāng)二極管PN結(jié)上加上足夠強(qiáng)的反向電壓的時(shí)候，耗盡區(qū)存在一個(gè)很強(qiáng)的場(chǎng)，足夠使強(qiáng)電場(chǎng)飄移的光生載流子獲得充分的動(dòng)能來(lái)通過(guò)晶格原子碰撞產(chǎn)生新的載流子，新的載流子再次碰撞形成更多載流子，這樣就實(shí)現(xiàn)了雪崩式的載流子倍增。但這同時(shí)也會(huì)造成噪聲的放大當(dāng)入射光功率腳較小時(shí)，多采用APD，此時(shí)引入的噪聲不大，在入射光功率較大時(shí)，雪崩增益引起的噪聲貢獻(xiàn)占主要優(yōu)勢(shì)，可能帶來(lái)光電流的失真，采用APD帶來(lái)的好處不大，采用PIN更為合適。光電導(dǎo)效應(yīng)是指在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)度到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化的象。石巖PIN光電探測(cè)器設(shè)計(jì)

在光照射下，半導(dǎo)體PN結(jié)中的原子因吸收光子而受到激發(fā)。光子能量大于禁帶時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的非平衡載流子，在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下空穴移向P區(qū)，電子移向N區(qū)，形成與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)，于是在P區(qū)和N區(qū)間建立了光生電動(dòng)勢(shì)。這種光照無(wú)偏置的PN結(jié)所產(chǎn)生的光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特的效應(yīng)，相當(dāng)于在PN結(jié)兩端施加正向電壓。與光電導(dǎo)效應(yīng)相反，光伏效應(yīng)是一種少數(shù)載流子過(guò)程，少數(shù)載流子壽命通常短于多數(shù)載流子，也因此光伏效應(yīng)的光電探測(cè)器通常比用相同材料制成的光電導(dǎo)探測(cè)器響應(yīng)更快。石巖PIN光電探測(cè)器設(shè)計(jì)當(dāng)光在半導(dǎo)體中傳輸時(shí)，光波的能量隨著傳播會(huì)逐漸衰減。

光電探測(cè)器必須和光信號(hào)的調(diào)制形式、信號(hào)頻率及波形相匹配，以保證得到?jīng)]有頻率失真的輸出波形和良好的時(shí)間響應(yīng)。這種情況主要是選擇響應(yīng)時(shí)間短或上限頻率高的器件，但在電路上也要注意匹配好動(dòng)態(tài)參數(shù)；光電探測(cè)器必須和輸入電路在電特性上良好地進(jìn)行匹配，以保證有足夠大的轉(zhuǎn)換系數(shù)、線性范圍、信噪比及快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等；為使器件能長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地工作，必須注意選擇好器件的規(guī)格和使用的環(huán)境條件，并且要使器件在額定條件下使用。

在動(dòng)態(tài)特性（即頻率響應(yīng)與時(shí)間響應(yīng)）方面，以光電倍增管和光電二極管（尤其是PIN管與雪崩管）為比較好；在光電特性（即線性）方面，以光電倍增管、光電二極管和光電池為比較好；在靈敏度方面，以光電倍增管、雪崩光電二極管、光敏電阻和光電三極管為比較好。值得指出的是，靈敏度高不一定就是輸出電流大，而輸出電流大的器件有大面積光電池、光敏電阻、雪崩光電二極管和光電三極管；外加偏置電壓比較低的是光電二極管、光電三極管，光電池不需外加偏置；在暗電流方面，光電倍增管和光電二極管較小，光電池不加偏置時(shí)無(wú)暗電流，加反向偏置后暗電流也比光電倍增管和光電二極管大；長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性方面，以光電二極管、光電池為比較好，其次是光電倍增管與光電三極管；在光譜響應(yīng)方面，以光電倍增管和CdSe光敏電阻為較寬，但光電倍增管響應(yīng)偏紫外方向，而光敏電阻響應(yīng)偏紅外方向。光電二極管的工作原理同光電池一樣，都是基于PN結(jié)的光伏效應(yīng)工作的。

1873年，英國(guó)W.史密斯發(fā)現(xiàn)硒的光電導(dǎo)效應(yīng)，但是這種效應(yīng)長(zhǎng)期處于探索研究階段，未獲實(shí)際應(yīng)用。第二次世界大戰(zhàn)以后，隨著半導(dǎo)體的發(fā)展，各種新的光電導(dǎo)材料不斷出現(xiàn)。在可見光波段方面，到50年代中期，性能良好的硫化鎘、硒化鎘光敏電阻和紅外波段的硫化鉛光電探測(cè)器都已投入使用。60年代初，中遠(yuǎn)紅外波段靈敏的Ge、Si摻雜光電導(dǎo)探測(cè)器研制成功，典型的例子是工作在3～5微米和8～14微米波段的Ge:Au（鍺摻金）和Ge:Hg光電導(dǎo)探測(cè)器。60年代末以后,HgCdTe、PbSnTe等可變禁帶寬度的三元系材料的研究取得進(jìn)展。工作原理和特性光電導(dǎo)效應(yīng)是內(nèi)光電效應(yīng)的一種。當(dāng)照射的光子能量hv等于或大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg時(shí)，光子能夠?qū)r(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生導(dǎo)電的電子、空穴對(duì),這就是本征光電導(dǎo)效應(yīng)。這里h是普朗克常數(shù)，v是光子頻率,Eg是材料的禁帶寬度（單位為電子伏）。因此，本征光電導(dǎo)體的響應(yīng)長(zhǎng)波限λc為λc=hc/Eg=1.24/Eg(μm)式中c為光速。本征光電導(dǎo)材料的長(zhǎng)波限受禁帶寬度的限制。光電探測(cè)器必須和光信號(hào)的調(diào)制形式、信號(hào)頻率及波形相匹配。石巖PIN光電探測(cè)器設(shè)計(jì)

探測(cè)器表面存在一定寬度的接觸摻雜區(qū)域，其中也會(huì)產(chǎn)生光子的消耗。石巖PIN光電探測(cè)器設(shè)計(jì)

器件靈敏度用一定偏壓下每流明輻照所產(chǎn)生的光電流的大小來(lái)表示。例如一種CdS光敏電阻,當(dāng)偏壓為70伏時(shí)，暗電流為10-6～10-8安，光照靈敏度為3～10安/流明。CdSe光敏電阻的靈敏度一般比CdS高。光敏電阻另一個(gè)重要參數(shù)是時(shí)間常數(shù)τ，它表示器件對(duì)光照反應(yīng)速度的大小。光照突然去除以后，光電流下降到最大值的1/e（約為37%）所需的時(shí)間為時(shí)間常數(shù)τ。也有按光電流下降到最大值的10%計(jì)算τ的;各種光敏電阻的時(shí)間常數(shù)差別很大。CdS的時(shí)間常數(shù)比較大（毫秒量級(jí)）。紅外波段的光電導(dǎo)探測(cè)器PbS、Hg1-xCdxTe的常用響應(yīng)波段在1～3微米、3～5微米、8～14微米三個(gè)大氣透過(guò)窗口。由于它們的禁帶寬度很窄，因此在室溫下，熱激發(fā)足以使導(dǎo)帶中有大量的自由載流子，這就快速降低了對(duì)輻射的靈敏度。石巖PIN光電探測(cè)器設(shè)計(jì)

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