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  • 本周小赛给大家主要介绍的是基于肖特基接触类型的MSM型光电探测器的基本原理。众所周知,光探测器可以将光信号转换成电信号;然而,根据光子能量的大小,MSM型光电探测器分为两种工作模式:模式1:当光子能量大于...

    此前,小赛给大家简单普及了金属与半导体之间的两种接触类型:欧姆接触与肖特基接触,二者也凭借各自的优势被研究人员充分应用。本周小赛给大家主要介绍的是基于肖特基接触类型的MSM型光电探测器的基本原理。

    众所周知,光探测器可以将光信号转换成电信号;然而,根据光子能量的大小,MSM型光电探测器分为两种工作模式:

    模式1:当光子能量大于材料的禁带宽度时(hv>Eg),半导体内部会产生大量的电子-空穴对,在电场的作用下形成稳定的光电流,具体如图(a)所示。该工作特点与PIN型光电探测器类似,而且当反向偏压足够大,可以有效提高光生载流子的输运能力,从而显著提升光生电流。

    模式2:当光子能量介于肖特基势垒高度与材料禁带宽度之间时(qφB<hv<Eg),金属电极中的电子将被激发,并可以越过金半接触势垒注入半导体层,具体如图(b)所示,即内部光发射机制,该过程可用于标定肖特基势垒高度和研究金属薄膜中的热电子传输机制。

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    因此,光子能量影响着探测器内部的载流子跃迁行为,而量子效率作为衡量光电探测器重要的表征参数,其公式具体如下:

    168801a6b2d19b390ed94a6cd9df00a5.png

    其中,CF是Fowler发射系数。当对肖特基势垒二极管进行光谱扫描时,只有能量大于qφB且动量方向朝向半导体的载流子会形成光电流,因此,量子效率谱存在明显的阈值qφB,且随光子能量增加而增加[如图(c)所示],当光子能量能够匹配材料禁带宽度时,量子效率迎来突变,这时半导体层产生大量的电子-空穴对,并形成光电流。

    本周的《涨知识啦》就到这啦!最后,值中秋佳节和国庆节之际,小赛在这真挚地祝愿您阖家欢乐、工作顺利!

    以上内容参考S. M. Sze and Kwok K. Ng. Physics of Semiconductor Device, 3rd Edition.

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  • 高能射线穿过固态探测器时与介质晶体之间的相互作用是通过弹性散射、光电吸收、康普顿散射以及附生电子-正电子对四种机制进行的。其中,光电吸收和康普顿散射是较为主要的过程。在这个过程中,入射光子的能量被介质...

    高能射线穿过固态探测器时与介质晶体之间的相互作用是通过弹

    性散射、

    光电吸收、

    康普顿散射以及附生电子

    -

    正电子对四种机制进

    行的。其中,光电吸收和康普顿散射是较为主要的过程。在这个过

    程中,入射光子的能量被介质材料中原子的外层电子所吸收,获得

    能量后的电子由满带跃迁到导带,在导带上产生额外的电子,在满

    带上留下空穴。与此同时,该电子还通过康普顿效应与半导体晶格

    发生相互作用,将能量传递给后者。上述过程会产生大量的电子一

    空穴对。如果此时在介质晶体两端加上足够高的外电场,那么这些

    载流子将分别向两电极漂移,

    从而在探测器电极上形成一个脉冲电

    流。

    该电流经前置放大器放大后产生一个高度与探测器电流的时间积分成正比的输出电压脉冲。

    此电压脉冲通过成形

    放大器转换为高斯脉冲,进一步放大成形,在过滤掉背景噪声后,使信一噪比达到最高,然后将其输入多道脉冲

    幅度分析仪,由其记录在每个道数

    (

    道数表示脉冲的高度

    )

    上所测量到的脉冲数量并分别以数据和图谱的形式呈现

    出来。

    由于射线的能量与所产生的载流子数量成正比,

    而探测器内电流的时间积分又正比于载流子的数量,

    因此

    前置放大器产生的电压脉冲正比于入射射线的能量。最后多道分析仪给出的数据和图谱就表示了射线的能谱。

    (l)

    原子序数高:

    提高辐射粒子与探测材料原子之间相互作用的效果。

    光电效应截面大小与

    γ

    射线能量和吸收物质的原子序数有关。

    粗略地

    讲,

    随光子能量增大而减小,

    Z

    的增大而增大。

    可由量子力学计算

    公式得到。

    (2)

    禁带宽度大:控制热生电流。可探测到高能射线,提高高能射线

    分辨率。并获得电阻高,漏电流低,从而降低探测器工作时的噪音

    (3)

    高电阻率:高的电阻率可以使得探测器在高电压下具有低的漏电

    流,这对于降低探测器工作噪声,提高能量分辨率。

    (4)

    较高的本征

    μ

    τ

    (

    μ

    载流子迁移率

    ,

    τ

    载流子寿命

    )

    载流子的漂移

    程是由载流子迁移率、

    载流子寿命以及应用电场的乘积所决定的。

    流子在被材料中的缺陷俘获中心俘获前的平均寿命与材料的不完整

    性密切相关。

    而载流子的收集效率则取决于单位时间内光生载流子漂

    移程与介质材料厚度的比例大小。

    理想情况下,

    载流子漂移程应该远

    远大于介质材料的厚度,这样方能保证对载流子有一个完全的收集。

    (5)

    能够制备出大体积的高纯度、

    低缺陷均匀材料。

    这是因为,

    大的探

    测体积有利于接受更多的入射光子,

    这将显著提高探测器的灵敏度和

    收集效率,缩短响应时间,从而提高探测效率。而高的纯度,好的均

    匀性以及低的缺陷密度能够带来低的漏电流,优良的载流子传输特

    性,同时能够避免在探测器两极间产生短路。

    (6)

    易于在材料表面制备无极化效应的欧姆接触或肖特基势垒接触电极。满足该条件的探测器能耐承受高的反向

    偏压,漏电流小且正向电阻也小。

    通常认为,

    Zn

    的掺入量决定了本征

    Cd1-xZnxTe

    晶体的电阻率和禁带

    宽度,即

    Zn

    的掺入量越高,晶体的电阻率越高,禁带宽度越大。因

    此,前人一般倾向于选择高的

    x

    ( x

    = 0.1-0.2)

    来生长晶体,但是大

    x

    值会使晶体的熔点升高,

    加大了晶体生长的难度,

    影响了所获得

    的晶体的质量,晶体偏离了本征态。在熔体法生长

    CdZnTe

    晶体时,

    Zn

    含量的增加,熔点会提高,在熔点温度下,晶体内各组元,尤

    其是镉具有较高的平衡蒸汽压,一部分

    Cd

    从熔体中挥发,在晶体中

    产生大量的镉空位,

    并使富余的

    T

    碲析出形成碲沉淀相,

    破坏了晶体

    的化学计量比。

    Cd

    空位具有受主特性,相当于在晶体中掺杂,因而

    显著提高晶体内载流子浓度,从而降低了电阻率。

    沉淀的碲颗粒作为微观散射中心,

    对在晶体中转播的光有强的散射作用,

    从而极大程度地降低晶体的红外透过率。

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  • 01光电探测器器件结构种类(1)光电导型光电探测器某些半导体在光照条件发生本征吸收或杂质吸收,吸收光子能量后电导率发生改变,这种物理现象叫做光电导效应。光电导器件在光照条件下,产生的光生载流子使得器件的电...

    01

    光电探测器器件结构种类

    (1)光电导型光电探测器

    某些半导体在光照条件发生本征吸收杂质吸收,吸收光子能量后电导率发生改变,这种物理现象叫做光电导效应

    光电导器件在光照条件下,产生的光生载流子使得器件的电导率升高,电阻变小。室温激发的载流子在电场的作用下发生定向移动,从而产生电流,在光照条件下电子受到激发,发生跃迁,同时也会在电场的作用下漂移形成了光电流。产生的光生载流子使得器件的电导率升高,从而电阻变小。光电导型的光电探测器在性能上通常会表现出高增益响应度很大,但无法响应高频的光信号,因而响应速度较慢,在某些方面限制了光电导型器件的应用。

    (2)PN结型光电探测器

    PN结是P型半导体材料与N型半导体材料接触形成的,形成接触之前两种材料是处于分离状态,P型半导体中的费米能级的位置靠近价带边缘,N型半导体中费米能级靠近导带边缘,当两种类型的材料接触形成PN结时,位于价带边缘P型材料的费米能级将会不断上移,与此同时,位于导带边缘 N 型材料的费米能级不断下移,直到两种材料的费米能级在同一位置为止。导带和价带位置的变化,也同时伴随着能带的弯曲。此时PN结处于平衡状态,且有统一的费米能级。从载流子的方面分析,P型材料中多数载流子为空穴,N 型材料中多数载流子是电子,当两种材料接触时,由于载流子浓度差,N型材料中的电子会向P型中扩散,而N型材料的电子向着与空穴相反的方向扩散,电子和空穴扩散之后留下未被补偿的区域则形成一个内建电场,而内建电场又会趋势载流子漂移,漂移的方向与扩散的方向刚好相反,意味着内建电场的形成阻止了载流子的扩散,PN结内部同时存在着扩散和漂移,直至两种运动平衡为止,使静载流子流为零,内部达到动态平衡

    当PN结受到光辐射之后,光子的能量传递给载流子,产生光生载流子即光生电子-空穴对,在电场的作用下,电子和空穴分别向N区和 P区漂移,光生载流子的定向漂移现象产生光电流。这也就是PN结光电探测器的基本原理。

    (3)PIN结型光电探测器

    PIN 结光电二极管是在P型材料和N型材料之间加入I层,I层的材料一般是本征或低掺杂的材料。其工作机理与PN结类似,当PIN结受到光辐射后,光子将能量传递给电子,产生光生载流子,而内建电场外部的电场会将耗尽层的光生电子-空穴对分开,发生漂移的载流子在外部电路形成电流。

    I层在其中起到的作用就是扩大了耗尽层的宽度,在很大的偏压下I 层会完全变为耗尽层,所产生的电子-空穴对会被迅速分离,因此 PIN结型光电探测器的响应速度一般要快于 PN 结型探测器。I层之外的载流子也会通过扩散运动的方式被耗尽层收集,形成扩散电流。I层的厚度一般很薄,其目也是为了提高探测器的响应速度。

    (4)APD雪崩光电二极管

    雪崩光电二极管的工作机理与PN结类似。APD利用重掺杂的PN 结,基于APD探测的工作电压较大,当加较大的反向偏压时APD 内部会发生碰撞电离和雪崩倍增,探测器的性能表现是光电流增大。当APD处于反向偏压模式时,在耗尽层的电场会很强,光照产生的光生载流子会被迅速分离,并在电场作用下快速漂移。在此过程中电子有概率会撞到晶格,导致晶格中的电子被电离。该过程不断被重复,晶格中被电离的离子也会碰撞晶格,致使APD中载流子的数量不断增加,从而产生很大的电流。正是 APD内部这种独特的物理机制,基于APD的探测器一般具有响应速度快,电流值增益大以及灵敏度高等特点。相比于PN结和PIN结,APD有更快的响应速度,是目前的光敏管当中响应速度最快的。

    (5)肖特基结型光电探测器

    肖特基结型光电探测器的基本结构是一个肖特基二极管,其电学特性与前面所述的PN结类似,具有正向导通、反向截止的单向导电性。当功函数高的金属功函数低的半导体形成接触时,就形成会形成肖特基势垒,形成的结就是肖特基结。主要的机理和PN结有些类似,以N型半导体为例,当两种材料形成接触时,由于两个材料电子浓度不同,半导体内的电子会向金属一侧扩散。扩散的电子在金属一端不断累积,从而破坏了金属原本的电中性,在接触面形成从半导体指向金属的内建电场,电子在内电场的作用下会发生漂移,载流子的扩散运动和漂移运动同时进行,经过一段时间达到动态平衡,最终形成肖特基结。在光照条件下,势垒区直接吸收光并产生电子-空穴对,而PN结内部的光生载流子需穿过扩散区才能到达结区。相比于PN结,基于肖特基结光电探测器有更快的响应速度,响应速度甚至可达到ns级别。[1]

    下面这一部分是另一种更加全面的分类方式,半导体为钙钛矿。

    • 光电导型探测器

    光电导型探测器的工作原理基于光电导效应,在半导体材料两端加上叉指或条状电极构成光敏电阻,通常具有共面结构。半导体材料吸收入射光子的能量产生本征吸收或杂质吸收,形成非平衡载流子,而载流子浓度增大使材料电导率增大,当光敏电阻的两端加上适当的偏置电压,便有电流流过回路。光电导型器件光电流大小正比于器件有效光照面积,从而正比于电极间距。但是为了高效地收集载流子,电极间距应小于载流子传输距离,即使得光生载流子渡越时间小于光生载流子寿命。光生载流子寿命与渡越时间之比被定义为光电导增益因子,对于载流子迁移率大的半导体材料,当电极间距很小时,增益可以远超过100%。光电导型钙钛矿光电探测器较之其他两种常见类型,制作步骤最为简单。

    • 光伏型探测器

    光伏型探测器又称为结型光电探测器,最简单的器件由一个透明顶电极、一层钙钛矿及一个不透明的底金属电极构成。光伏效应可以发生在半导体和半导体形成的异质结,也可以产生于金属和半导体形成的肖特基结处。结区存在内建电场,光照射到结区后能量大的光子能够产生载流子,在内建电场或外加偏压作用下产生光电流。半导体和半导体形成的异质结形式多样,包含了p-n结、p-i-n结、体异质结等不同类型。光伏型探测器通常具有垂直型结构,并且会引入缓冲层或阻挡层以改善载流子传输或电荷阻挡特性,进一步提高探测器综合性能。

    对于共面型金属/半导体/金属(MSM)器件,当金属与半导体接触势垒为肖特基接触时,实际上是两个背靠背的结型探测器串联 在一起。对 于MSM器 件,当半导体不吸光时,光电探测是基于金属吸光产生的光伏效应;当入射光波长位于半导体材料吸收的波段内时,由半导体吸光产生光电导效应明显强于金属吸光产生的光伏效应,故光电导效应在探测中起决定性作用。与光电导型器件相比,光伏型器件可以工作在低偏压(包含零偏压)下,响应速度快。通常为了改善器件性能,还会在顶/底电极与钙钛矿层之间引入界面修饰层。

    • 晶体管型光电探测器

    光电导型探测器由于存在增益,量子效率可远超过100%,相应的响应率也非常大,但是它们的暗电流偏大,在一定程度上限制了它们的应用。至于光伏型探测器,可以通过引入载流子阻挡机制将暗电流降得很低,大部分光伏型探测器具有垂直型结构,它们的载流子传输距离由半导体的膜厚决定,最小可以达到纳米尺度,相应地,载流子渡越时间非常短,器件响应速度被大幅度加快。只是,它们依赖于光伏效应,量子效率较光电导型偏低,通常低于100%,因而响应率较低。

    晶体管型光电探测器结合了光电导型探测器光伏型探测器的优势,既能够实现较低的暗电流,也可以在不牺牲响应速度的前提下获得非常高的量子效率及响应率。简言之,和两端器件相比,晶体管型三端器件可以通过减少噪声放大信号两个方面来保证光电探测器的优良性能。对于场效应晶体管型光电探测器,在栅极半导体层之间有一层薄的绝缘层,通过栅极所施加电压的大小来调节电荷在半导体中的传输特性。它们既可以工作在积累模式(p型),也可以工作在相反模式下(n型)。积累模式的工作原理具体如下。当栅极加正向偏压时,会在源极和漏极之间感应形成一条电子的导电通道,导电沟道中的电子来源于半导体区域,这样与光电导型器件相比,暗态下参与导电的载流子数减少,因而其暗电流得以降低。光照射到半导体区域后产生的电子同样会在导电沟道中积累,而只有光生空穴被束缚在半导体区域。从而降低了光生电子空穴对的复合,大大延长了载流子的寿命,最终使得器件的响应率优于光电导型器件。

    • 光电倍增型探测器

    不同于光电导型探测器能够实现高的光电增益,具有垂直结构的光伏型探测器,其量子效率通常小于100%,相应的响应率也偏低。光电倍增型探测器与光伏型探测器结构类似,同样具有垂直形式,但是却可以实现高的光电增益,带来响应率的大幅度改善。针对有机光电倍增型探测器的研究已经较为广泛,其基本原理为陷阱辅助的载流子隧穿行为。近年来,人们发现在钙钛矿光电探测器中同样也可以实现光电倍增效应,并且相比于同类型有机器件而言,它们所需施加的偏压较低,响应速度更快。[2]

    02

    光电探测器的基本参数

    • 响应度

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    Ilight:光照之后探测器的光电流

    Idark:黑暗条件下的暗电流

    Pλ:入射光功率

    EQE:外量子效率

    h:普朗克常数

    λ:入射光波长

    c:光速

    G:探测器内部的增益

    • 外量子效率

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    h:入射光子能量

    e:单电子电荷

    • 增益

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    τ1:空穴寿命

    τt:电子载流子输运时间

    d2:器件厚度

    μ:载流子迁移率

    V:偏压

    • 比探测率

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    Δf:带宽

    A:器件的工作面积

    NEP:等效噪声功率

    当整个探测器的噪声主要来源为暗电流噪声时,可以简化如下:

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    • 瞬态响应时间

    探测器输出的电流从最大值的10%上升到最大值的90%:上升时间

    探测器输出的电流从最大值的90%下降到最大值的10%:下降时间[1]

    • 线性动态范围

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    分子:光电流密度

    分母:暗电流密度[3]

    • 带宽

    当入射光信号的频率逐渐增大时,探测器输出的电信号会逐渐变形最后失真,一般定义输出信号衰减到最大值的1/(√2)时,认为信号失真,此时入射光信号的频率称为截止频率 fH,即为带宽。[1]

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    参考文献

    [1]王迪. 高性能的PdSe2/锗纳米锥异质结光电探测器[D].合肥工业大学,2019.

    [2]刘艳珍,李国辉,崔艳霞,冀婷,郝玉英.钙钛矿光电探测器的研究进展[J].激光与光电子学进展,2019,56(01):9-28.

    [3]董钰蓉,张树宇.基于钙钛矿材料的光电探测器研究综述[J].光源与照明,2018(03):11-17.

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  • 光电探测器作为人类感知和获取光波信息的重要工具,可将光信号转化为可被解析的电信号,从而实现对其信息的感知。光电探测技术已在通讯、传感、影像、无人驾驶、人工智能、大数据等涉及人类生活的众多领域被广泛应用...
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    光电探测器作为人类感知和获取光波信息的重要工具,可将光信号转化为可被解析的电信号,从而实现对其信息的感知。光电探测技术已在通讯、传感、影像、无人驾驶、人工智能、大数据等涉及人类生活的众多领域被广泛应用。因此,与光电探测技术相关的材料、物理及器件研究一直是相关领域学者关注的研究热点,以下是一些常见的光电探测器类型及其原理。

    (1)光电导型光电探测器

    某些半导体在光照条件发生本征吸收或杂质吸收,吸收光子能量后电导率发生改变,这种物理现象叫做光电导效应。

    光电导器件在光照条件下,产生的光生载流子使得器件的电导率升高,电阻变小。室温激发的载流子在电场的作用下发生定向移动,从而产生电流,在光照条件下电子受到激发,发生跃迁,同时也会在电场的作用下漂移形成了光电流。产生的光生载流子使得器件的电导率升高,从而电阻变小。光电导型的光电探测器在性能上通常会表现出高增益,响应度很大,但无法响应高频的光信号,因而响应速度较慢,在某些方面限制了光电导型器件的应用。

    (2)PN结型光电探测器

    PN结是P型半导体材料与N型半导体材料接触形成的,形成接触之前两种材料是处于分离状态,P型半导体中的费米能级的位置靠近价带边缘,N型半导体中费米能级靠近导带边缘,当两种类型的材料接触形成PN结时,位于价带边缘P型材料的费米能级将会不断上移,与此同时,位于导带边缘 N 型材料的费米能级不断下移,直到两种材料的费米能级在同一位置为止。导带和价带位置的变化,也同时伴随着能带的弯曲。此时PN结处于平衡状态,且有统一的费米能级。从载流子的方面分析,P型材料中多数载流子为空穴,N 型材料中多数载流子是电子,当两种材料接触时,由于载流子浓度差,N型材料中的电子会向P型中扩散,而N型材料的电子向着与空穴相反的方向扩散,电子和空穴扩散之后留下未被补偿的区域则形成一个内建电场,而内建电场又会趋势载流子漂移,漂移的方向与扩散的方向刚好相反,意味着内建电场的形成阻止了载流子的扩散,PN结内部同时存在着扩散和漂移,直至两种运动平衡为止,使静载流子流为零,内部达到动态平衡。

    当PN结受到光辐射之后,光子的能量传递给载流子,产生光生载流子即光生电子-空穴对,在电场的作用下,电子和空穴分别向N区和 P区漂移,光生载流子的定向漂移现象产生光电流。这也就是PN结光电探测器的基本原理。

    (3)PIN结型光电探测器

    PIN 结光电二极管是在P型材料和N型材料之间加入I层,I层的材料一般是本征或低掺杂的材料。其工作机理与PN结类似,当PIN结受到光辐射后,光子将能量传递给电子,产生光生载流子,而内建电场或外部的电场会将耗尽层的光生电子-空穴对分开,发生漂移的载流子在外部电路形成电流。

    I层在其中起到的作用就是扩大了耗尽层的宽度,在很大的偏压下I 层会完全变为耗尽层,所产生的电子-空穴对会被迅速分离,因此 PIN结型光电探测器的响应速度一般要快于 PN 结型探测器。I层之外的载流子也会通过扩散运动的方式被耗尽层收集,形成扩散电流。I层的厚度一般很薄,其目也是为了提高探测器的响应速度。

    (4)APD雪崩光电二极管

    雪崩光电二极管的工作机理与PN结类似。APD利用重掺杂的PN 结,基于APD探测的工作电压较大,当加较大的反向偏压时APD 内部会发生碰撞电离和雪崩倍增,探测器的性能表现是光电流增大。当APD处于反向偏压模式时,在耗尽层的电场会很强,光照产生的光生载流子会被迅速分离,并在电场作用下快速漂移。在此过程中电子有概率会撞到晶格,导致晶格中的电子被电离。该过程不断被重复,晶格中被电离的离子也会碰撞晶格,致使APD中载流子的数量不断增加,从而产生很大的电流。正是 APD内部这种独特的物理机制,基于APD的探测器一般具有响应速度快,电流值增益大以及灵敏度高等特点。相比于PN结和PIN结,APD有更快的响应速度,是目前的光敏管当中响应速度最快的。

    (5)肖特基结型光电探测器

    肖特基结型光电探测器的基本结构是一个肖特基二极管,其电学特性与前面所述的PN结类似,具有正向导通、反向截止的单向导电性。当功函数高的金属和功函数低的半导体形成接触时,就形成会形成肖特基势垒,形成的结就是肖特基结。主要的机理和PN结有些类似,以N型半导体为例,当两种材料形成接触时,由于两个材料电子浓度不同,半导体内的电子会向金属一侧扩散。扩散的电子在金属一端不断累积,从而破坏了金属原本的电中性,在接触面形成从半导体指向金属的内建电场,电子在内电场的作用下会发生漂移,载流子的扩散运动和漂移运动同时进行,经过一段时间达到动态平衡,最终形成肖特基结。在光照条件下,势垒区直接吸收光并产生电子-空穴对,而PN结内部的光生载流子需穿过扩散区才能到达结区。相比于PN结,基于肖特基结光电探测器有更快的响应速度,响应速度甚至可达到ns级别。

    下面这一部分是另一种更加全面的分类方式,半导体为钙钛矿。

    光电导型探测器

    光电导型探测器的工作原理基于光电导效应,在半导体材料两端加上叉指或条状电极构成光敏电阻,通常具有共面结构。半导体材料吸收入射光子的能量产生本征吸收或杂质吸收,形成非平衡载流子,而载流子浓度增大使材料电导率增大,当光敏电阻的两端加上适当的偏置电压,便有电流流过回路。光电导型器件光电流大小正比于器件有效光照面积,从而正比于电极间距。但是为了高效地收集载流子,电极间距应小于载流子传输距离,即使得光生载流子渡越时间小于光生载流子寿命。光生载流子寿命与渡越时间之比被定义为光电导增益因子,对于载流子迁移率大的半导体材料,当电极间距很小时,增益可以远超过100%。光电导型钙钛矿光电探测器较之其他两种常见类型,制作步骤最为简单。

    光伏型探测器

    光伏型探测器又称为结型光电探测器,最简单的器件由一个透明顶电极、一层钙钛矿及一个不透明的底金属电极构成。光伏效应可以发生在半导体和半导体形成的异质结,也可以产生于金属和半导体形成的肖特基结处。结区存在内建电场,光照射到结区后能量大的光子能够产生载流子,在内建电场或外加偏压作用下产生光电流。半导体和半导体形成的异质结形式多样,包含了p-n结、p-i-n结、体异质结等不同类型。光伏型探测器通常具有垂直型结构,并且会引入缓冲层或阻挡层以改善载流子传输或电荷阻挡特性,进一步提高探测器综合性能。

    对于共面型金属/半导体/金属(MSM)器件,当金属与半导体接触势垒为肖特基接触时,实际上是两个背靠背的结型探测器串联 在一起。对 于MSM器 件,当半导体不吸光时,光电探测是基于金属吸光产生的光伏效应;当入射光波长位于半导体材料吸收的波段内时,由半导体吸光产生光电导效应明显强于金属吸光产生的光伏效应,故光电导效应在探测中起决定性作用。与光电导型器件相比,光伏型器件可以工作在低偏压(包含零偏压)下,响应速度快。通常为了改善器件性能,还会在顶/底电极与钙钛矿层之间引入界面修饰层。

    晶体管型光电探测器

    光电导型探测器由于存在增益,量子效率可远超过100%,相应的响应率也非常大,但是它们的暗电流偏大,在一定程度上限制了它们的应用。至于光伏型探测器,可以通过引入载流子阻挡机制将暗电流降得很低,大部分光伏型探测器具有垂直型结构,它们的载流子传输距离由半导体的膜厚决定,最小可以达到纳米尺度,相应地,载流子渡越时间非常短,器件响应速度被大幅度加快。只是,它们依赖于光伏效应,量子效率较光电导型偏低,通常低于100%,因而响应率较低。

    晶体管型光电探测器结合了光电导型探测器与光伏型探测器的优势,既能够实现较低的暗电流,也可以在不牺牲响应速度的前提下获得非常高的量子效率及响应率。简言之,和两端器件相比,晶体管型三端器件可以通过减少噪声和放大信号两个方面来保证光电探测器的优良性能。对于场效应晶体管型光电探测器,在栅极与半导体层之间有一层薄的绝缘层,通过栅极所施加电压的大小来调节电荷在半导体中的传输特性。它们既可以工作在积累模式(p型),也可以工作在相反模式下(n型)。积累模式的工作原理具体如下。当栅极加正向偏压时,会在源极和漏极之间感应形成一条电子的导电通道,导电沟道中的电子来源于半导体区域,这样与光电导型器件相比,暗态下参与导电的载流子数减少,因而其暗电流得以降低。光照射到半导体区域后产生的电子同样会在导电沟道中积累,而只有光生空穴被束缚在半导体区域。从而降低了光生电子空穴对的复合,大大延长了载流子的寿命,最终使得器件的响应率优于光电导型器件。

    光电倍增型探测器

    不同于光电导型探测器能够实现高的光电增益,具有垂直结构的光伏型探测器,其量子效率通常小于100%,相应的响应率也偏低。光电倍增型探测器与光伏型探测器结构类似,同样具有垂直形式,但是却可以实现高的光电增益,带来响应率的大幅度改善。针对有机光电倍增型探测器的研究已经较为广泛,其基本原理为陷阱辅助的载流子隧穿行为。近年来,人们发现在钙钛矿光电探测器中同样也可以实现光电倍增效应,并且相比于同类型有机器件而言,它们所需施加的偏压较低,响应速度更快。

    2 光电探测器的基本参数

    响应度

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    Ilight:光照之后探测器的光电流

    Idark:黑暗条件下的暗电流

    Pλ:入射光功率

    EQE:外量子效率

    h:普朗克常数

    λ:入射光波长

    c:光速

    G:探测器内部的增益

    外量子效率

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    h:入射光子能量

    e:单电子电荷

    增益

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    τ1:空穴寿命

    τt:电子载流子输运时间

    d2:器件厚度

    μ:载流子迁移率

    V:偏压

    比探测率

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    Δf:带宽

    A:器件的工作面积

    NEP:等效噪声功率

    当整个探测器的噪声主要来源为暗电流噪声时,可以简化如下:

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    瞬态响应时间

    探测器输出的电流从最大值的10%上升到最大值的90%:上升时间

    探测器输出的电流从最大值的90%下降到最大值的10%:下降时间

    线性动态范围

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    分子:光电流密度

    分母:暗电流密度

    带宽

    当入射光信号的频率逐渐增大时,探测器输出的电信号会逐渐变形最后失真,一般定义输出信号衰减到最大值的1/(√2)时,认为信号失真,此时入射光信号的频率称为截止频率 fH,即为带宽。

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空空如也

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探测器反向偏压