光导型探测器在光子学设计中的应用

已经知道，半导体的电导率取决于传导带中载荷子数目。当一个光子被半导体原子吸收，就将一个电子从价电子带激发并提升到传导带（倘若其能量hν大于带隙能量），因此增大了电导率。在此过程中，创立了一个电子-空穴对。这是超出热平衡值多出的一对电荷，所以最终会消失。然而，存在太多电荷时，就会形成电流，其值取决于入射在半导体上的光功率。在光导材料上施加一个小的电压，在外电路中便形成所需要的可测量电流（见图7.27）。

根据这种简单的结构布局，可以推导出简单但非常重要的一些关系。

首先，对于产生电子-空穴对的光子，其能量必须满足hν>E_g。其中，E_g是材料的带隙能量。然而，如果ν太高，所有光子都将在一个很薄的表面层中被吸收，电荷对就不能有效地得到汇聚。每一类光探测器都有一个与被探测光光谱相匹配的频率“响应”光谱。

其次，假设希望探测频率为ν、功率为P的一种光。这表示，每秒钟将有P/hν个光子到达。现在假设，该光的一部分η产生电子-空穴对，每秒钟产生各类载流子的数目是ηP/hν。如果全部汇聚成电流，按其平均量考虑，每类载流子能够移动的距离仅为耗尽层的一半。因此，只能有效地贡献一半流速，观察到的电流为

图7.27　光导探测形式

电流正比于光功率，也就是说，电功率正比于光功率的二次方。当需要确定探测过程的信噪比（SNR）时，重要的是要明确该信噪比是针对电功率还是光功率而言（对确定探测器噪声性能，这是容易混淆之处）。

另一个重要的特性是响应速度。上述过程对输入光变化能够响应多快？一些简单想法就可以确定其基本原理。现在，讨论电子-空穴对形成过程中产生的电子，每个电子继续对电流产生贡献直至消失为止。如果半导体中电子-空穴对重新组合的平均时间是τ，穿过该层的时间是τ₀，显然电子用于电流的平均时间是τ/τ₀，因此由光通量产生的电流为

光导体对光波变化产生响应的最短时间是τ，所以测量出的带宽为

该装置的灵敏度可以定义为某给定光学功率产生的电流。由式（7.18）得(www.xing528.com)

因此，灵敏度随τ和η增大，而随τ₀和ν减小。增加吸收层宽度可以增大η，但同时会增大τ₀，除非将结构改变成图7.28所示的布局。这就是侧向照明装置。

图7.28　侧向照明光导探测器

重新组合时间τ的值取决于材料。但是，若该值较大，将得到高灵敏度，同时也必须接受响应较慢的事实，因此具有小的测量带宽。事实上，根据式（7.19）和式（7.20）可知，灵敏度-带宽乘积与τ无关，有：

现在，讨论光探测器设计中必须进行折中的类型。

与其他类型的光探测器相比，光导装置有两大缺点：第一，由于在式（7.18）中必须插入绝对值，所以约50ms的响应时间才能达到高灵敏度（就是说，τ/τ₀≥10³）。对于大部分光子学应用，这种响应速度太慢；第二，电子/空穴再组合过程是随机的，因而会引进噪声。在许多应用中，这种“再组合噪声”非常讨厌。然而，其优点是，可以应用在长波长范围内，直至约为20μm。对于这种低能量光子，由于带隙相当小，因此存在受热产生电子-空穴对，因而形成热噪声问题。通常，这类探测器至少要冷却到液氮的温度（77K）。另一个优点是，这类器件非常便宜，在家用相机中常用作CdS和CdSe电池。经常使用的其他材料为

PbS：1～3μm波长；

InS：3～7μm波长；

HgCdTe：5～14μm波长。