第二章 2 光电导探测器 (PC-Photoconductive)

1. 第二章2 光电导探测器(PC-Photoconductive)

2. 某些物质吸收了光子的能量产生本征吸收或杂质吸收，从而改变了物质电导率的现象称为物质的光电导效应。利用具有光电导效应的材料（如硅、锗等本征半导体与杂质半导体，硫化镉、硒化镉、氧化铅等）可以制成电导随入射光度量变化的器件，称为光电导器件。最典型的光电导器件是光敏电阻。某些物质吸收了光子的能量产生本征吸收或杂质吸收，从而改变了物质电导率的现象称为物质的光电导效应。利用具有光电导效应的材料（如硅、锗等本征半导体与杂质半导体，硫化镉、硒化镉、氧化铅等）可以制成电导随入射光度量变化的器件，称为光电导器件。最典型的光电导器件是光敏电阻。

3. ２、光电子期间的基本特性： 光电探测器的基本特性包括： 　　　响应特性：响应率、探测率、时间常数 　　　噪声特性：信号噪声比 光电成像器件的特性： 　　　响应特性 　　　成像特性：分辨率、空间频率特性以及空间抽样特性 　　　噪声特性 本节只介绍响应特性、探测率及吸收系数 3.2.1 光谱响应率和响应率 光电探测器输出信号电压或电流与单位入射光功率之比、即单位入射光功率作用下探测器的输出信号电压或电流称为响应率，包括光谱响应率和积分响应率。 １、光谱响应率

8. 光敏电阻 光敏电阻的工作原理和结构 光敏电阻的特性参数 光敏电阻的变换电路 常用光敏电阻 小结 应用实例

9. 3.2.1 光敏电阻的工作原理和结构

10. 一。光敏电阻工作原理 图示为光敏电阻的原理与器件符号图。在均匀的具有光电导效应的半导体材料的两端加上电极便构成光敏电阻。 当光敏电阻的两端加上适当的偏置电压Ubb后，当光照射到光电导体上，由光照产生的光生载流子在外加电场作用下沿一定方向运动，在电路中产生电流Ip，用检流计可以检测到该电流。

11. 光敏电阻演示 当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值减小，电流增大。 暗电流（越小越好）

13. 光电导内增益 • M>1的理解 说明载流子已经渡越完毕，但载流子的平均寿命还未中止。这种现象可以这样理解：光生电子向正极运动，空穴向负极运动，可是空穴的移动可能被晶体缺陷和杂质形成的俘获中心－陷阱所俘获。因此，当电子到达正极消失时，陷阱俘获的正电中心（空穴）仍留在体内，它又会将负电极的电子感应到半导体中来，被诱导进来的电子又在电场中运动到正极，如此循环直到正电中心消失。这就相当放大了初始的光生电流。

14. 光电导内增益 • 如何提高M • 选用平均寿命长、迁移率大的半导体材料； • 减少电极间距离； • 加大偏压 参数选择合适时，M值可达102量级

15. Ec Ec Eg Eg Ev Ev 本征型 入射光子的能量大于或等于半导体的禁带宽度时能激发电子－空穴对 光敏电阻 分类 常用于可见光波段测试 入射光子的能量大于或等于杂质电离能时就能激发电子空穴对 掺杂型 常用于红外波段甚至远红外测试

16. 常用光电导材料 每一种半导体或绝缘体都有一定的光电导效应，但只有其中一部分材料经过特殊处理，掺进适当杂质，才有明显的光电导效应。现在使用的光电导材料有Ⅱ-Ⅵ族、Ⅲ-Ⅴ族化合物，硅、锗等，以及一些有机物。

17. 1--光导层; 2--玻璃窗口; 3--金属外壳; 4--电极; 5--陶瓷基座; 6--黑色绝缘玻璃; 7--电阻引线。 1 2 3 4 5 RG 6 7 (c)符号 (b)电极 (a)结构 CdS光敏电阻的结构和符号 光敏电阻的结构:在一块光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其它绝缘材料基板上，两端接电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。 二. 光敏电阻的基本结构 光敏面作成蛇形，电极是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。这种梳状电极可以保证有较大的受光表面，也可以减小电极之间距离，从而减小极间电子渡越时间，提高灵敏度。

18. （a）梳状结构：梳形电极间距很小，之间为光敏电阻材料，灵敏度高。（a）梳状结构：梳形电极间距很小，之间为光敏电阻材料，灵敏度高。 （b）蛇形结构：光敏面为蛇形，两侧为金属导电材料，并在其上设置电极。 （c）刻线式结构：在制备好的光敏电阻衬基上刻出狭窄的光敏材料条，再蒸涂金属电极。 • 导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。 • 灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。

19. 光敏电阻实物图 当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。 光电导效应：在光作用下使物体的电阻率改变的现象.

20. 3.2.2 光敏电阻的主要特性参数 光敏电阻为多数电子导电的光电敏感器件，它与其他光电器件的特性的差别表现在它的基本特性参数上。光敏电阻的基本特性参数包含光电导特性、时间响应、光谱响应、伏安特性与噪声特性等。

21. 一、光谱响应率 光谱响应率表示在某一特定波长下，输出光电流(或电压)与入射辐射能量之比 由 和 光谱响应率为

22. 二、光谱特性 多用相对灵敏度曲线表示。 由图可见，这几种光敏电阻的光谱特性曲线覆盖了整个可见光区，峰值波长在515～600nm之间。因此可用于与人眼有关的仪器，例如照相机、照度计、光度计等。但它们的形状与V(λ)曲线还不完全一致。如直接使用，与人的视觉还有一定的差距，所以必须加滤光片进行修正，使其特性曲线与V(λ)曲线完全符合，这样即可得到与人眼视觉相同的效果。 在可见光区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线 1-硫化镉单晶  2-硫化镉多晶  3-硒化镉多晶4-硫化镉与硒化镉混合多晶

23. 在红外区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线

24. 三. 噪声特性 1、噪声及探测率 • 热噪声（>1MHz） 低频 高频 • 产生复合噪声(1kHz～1MHz) 高频 低频 • 电流噪声（低频）

25. 总噪声 总噪声 产生复合噪声 １/f 热噪声 f fc 0

26. 2. 噪声对偏流的影响

27. 加在光敏电阻两端的电压U与流过它的电流Ip的关系曲线，并称其为光敏电阻的伏安特性。加在光敏电阻两端的电压U与流过它的电流Ip的关系曲线，并称其为光敏电阻的伏安特性。 四.伏安特性 图中的虚线为额定功耗线。使用光敏电阻时，应使电阻的实际功耗不超过额定值。从图上来说，就是不能使静态工作点居于虚线以内的区域。按这一要求在设计负载电阻时，应不使负载线与额定功耗线相交。 典型CdS光敏电阻的伏安特性曲线

28. 五、光电特性和值 光电特性：光电流与入射光通量（照度）的关系 1. 弱光照射时：光电流与光通量（照度）成正比，即保持线性关系 式中gp称为光敏电阻的光电导,Sg为单位电场下的光电导灵敏度， E为光敏电阻的照度。

29. 2. 强光照射时， 光电流与光通量（照度）成非线性。 γ为光电转换因子，是一个随光度量变化的指数 γ与材料和入射光强弱有关，对于硫化镉光电导体，在弱光照下γ＝1，在强光照下γ＝1/2，一般γ＝0.5～1。在通常的照度范围内(10-1~104lx)，的值接近于1

30. 如图所示的特性曲线反应了流过光敏电阻的电流Ip与入射光照度E间的变化关系，由图可见它是由直线性渐变到非线性的。如图所示的特性曲线反应了流过光敏电阻的电流Ip与入射光照度E间的变化关系，由图可见它是由直线性渐变到非线性的。

31. 在实际使用时，常常将光敏电阻的光电特性曲线改用如图所示的两种坐标框架特性曲线。其中(a)为线性直角坐标系中光敏电阻的阻值R与入射照度EV的关系曲线，而(b)为对数直角坐标系下的阻值R与入射照度EV的关系曲线。在实际使用时，常常将光敏电阻的光电特性曲线改用如图所示的两种坐标框架特性曲线。其中(a)为线性直角坐标系中光敏电阻的阻值R与入射照度EV的关系曲线，而(b)为对数直角坐标系下的阻值R与入射照度EV的关系曲线。 γ值为对数坐标下特性曲线的斜率。R1与R2分别是照度为E1和E2时光敏电阻的阻值。 电阻～照度关系曲线

32. 六、前历效应 前历效应是指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种现象。前历效应有暗态前历与亮态前历之分。 暗态前历效应：是指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后表现为暗态。前历越长，光电流上升越慢。 其效应曲线如下图所示。一般，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重。

33. 硫化镉光敏电阻的暗态前历效应曲线 1-黑暗放置3分钟后2-黑暗放置60分钟后3-黑暗放置24小时后

34. 亮态前历效应 指光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象，其效应曲线如下图所示。一般，亮电阻由高照度状态变为低照度状态达到稳定值时所需的时间要比由低照度状态变为高照度状态时短。 硫化镉光敏电阻亮态前历效应曲线

35. 七、温度特性 光敏电阻的温度特性很复杂，在一定的照度下，亮电阻的温度系数α（有正有负） R1、R2分别为与温度T1、T2相对应的亮电阻。 • 光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。

36. I / μA 200 150 100 T / ºC -50 -30 -10 10 30 50 右图所示为典型CdS（实线）与CdSe（虚线）光敏电阻在不同照度下的温度特性曲线。可以看出这两种光敏电阻的相对光电导率随温度的升高而下降，亮电阻变大。 硫化镉的光电流I和温度T的关系 温度升高，亮电阻变大，电流变小

37. I/mA 100 80 +20 ºC -20 ºC 60 40 20 0 1.0 2.0 3.0 4.0 λ/μm 温度对光谱响应也有影响。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流I和温度T的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。 温度改变光谱响应

38. 一般n型半导体的EF位于Ei之上Ec之下的禁带中。一般n型半导体的EF位于Ei之上Ec之下的禁带中。 • EF既与温度有关，也与杂质浓度ND有关： 一定温度下掺杂浓度越高，费米能级EF距导带底Ec越近； 如果掺杂一定，温度越高EF距Ec越远，也就是越趋向Ei。 Si中不同掺杂浓度条件下费米能级与温度的关系

39. 光敏电阻的响应时间（又称为惯性）比其他光电器件要差些（惯性要大），频率响应要低些，而且具有特殊性。当用一个理想方波脉冲辐射照射光敏电阻时，光生电子要有产生的过程，光生电导率Δσ要经过一定的时间才能达到稳定。当停止辐射时，复合光生载流子也需要时间，表现出光敏电阻具有较大的惯性。光敏电阻的响应时间（又称为惯性）比其他光电器件要差些（惯性要大），频率响应要低些，而且具有特殊性。当用一个理想方波脉冲辐射照射光敏电阻时，光生电子要有产生的过程，光生电导率Δσ要经过一定的时间才能达到稳定。当停止辐射时，复合光生载流子也需要时间，表现出光敏电阻具有较大的惯性。 通常光敏电阻的响应时间与入射辐射的强弱有关，光照越强其时间常数越小，光照越弱其时间常数越大。下面分别讨论。 八. 响应时间和频率响应

40. 1. 弱辐射作用情况下的时间响应 停止辐射时，入射辐射通量为 t=0 t=0 t≥0 t≥0 对于本征光电导器件在非平衡状态下光电导率Δσ和光电流IΦ随时间变化的规律为 光电导率和光电流随时间变化的规律为 当t=τ时，Δσ =0.63Δσ0，IΦ=0.63IΦe0； 当t=τ，Δσ =0.37Δσ0，IΦ=0.37IΦe0； 定义τ＝τr为光敏电阻的上升时间常数 定义τ＝τf为下降时间常数 显然，光敏电阻在弱辐射作用下的上升时间常数τr与下降时间常数τf近似相等。

41. 2. 强辐射作用情况下的时间响应 停止辐射时，入射辐射通量为 t=0 t=0 t≥0 t≥0 光电导率和光电流变化的规律为 光电导率和光电流随时间变化的规律为 当t=τ时，Δσ =0.76Δσ0，IΦ=0.76IΦe0； 当t=τ，Δσ =0.5Δσ0，IΦ=0.5IΦe0； 定义τ＝τr为光敏电阻的上升时间常数 定义τ＝τf为下降时间常数

42. 光敏电阻是依靠非平衡载流子效应工作的，非平衡载流子的产生与复合都有一个时间过程，这个时间过程在一定程度上影响了光敏电阻对变化光照的响应。光敏电阻采用交变光照时，其输出将随入射光频率的增加而减小。光敏电阻是依靠非平衡载流子效应工作的，非平衡载流子的产生与复合都有一个时间过程，这个时间过程在一定程度上影响了光敏电阻对变化光照的响应。光敏电阻采用交变光照时，其输出将随入射光频率的增加而减小。 1-硒 2-硫化镉 3-硫化铊 4-硫化铅 f3dB 频率响应特性 通常，CdS的响应时间在几十毫秒至几秒；CdSe的响应时间约为10-2～10-3s；PbS约为10-4s。由此可见，要达到稳定输出，频率响应不会超过10kHz，一般为1kHz。

43. 忽视外电路时间常数影响时，响应时间等于光生载流子平均寿命忽视外电路时间常数影响时，响应时间等于光生载流子平均寿命 增益带宽积 增益带宽积意义：当一个器件制作完后，外加电压确定后，增益带宽积为常量。也就是说，光电导器件的频带宽度和光电增益是矛盾的，二者不可兼容，灵敏度高的光电导器件，频带必然窄。

44. 3.2.3 光敏电阻的变换电路

45. 一、基本偏置的静态设计 （缓变辐射） 1. 图解法 伏安曲线 负载线 负载回路方程 伏安特性 ：探测器电阻 ：偏置电阻（或负载电阻）

46. 2. 解析法 偏置电流 输出点电压 光敏电阻功耗 ？ 入射辐射变化时，偏置电阻RL两端的输出信号电流、电压变化为 电路参数确定后，输出信号变化与入射辐射量的变化成线性关系。

47. ip ~ Cd RL Rd VL 等效微变电路 二、基本偏置的动态设计 设入射于光敏电阻的辐射为调制辐射正弦， 基本偏置电路

48. 思考：用图解法如何分析？ 输出的交流部分电流 输出的交流部分电压

49. ip RL ingr Cd int Rd inf 考虑噪声时的噪声等效电路 检测微弱信号时需考虑器件的固有噪声： 热噪声、产生－复合噪声及１/f噪声 光敏电阻若接收调制辐射，其噪声的等效电路如图所示

50. 三、输出信号特性分析 令 从功率匹配和最大信噪比两个方面分析： VS和VB、RL的关系