第一章 光电导探测器

1、第一章第一章 光电导探测器光电导探测器 (PC-Photoconductive) 一、基本概念一、基本概念 某些物质吸收了光子的能量产生本征吸收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。为物质的光电导效应。利用具有光电导效应的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，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。入射光度量变化的器件，称为光电导器件。最最 典型的光

2、电导器件是光敏电阻典型的光电导器件是光敏电阻。 R 二、光电子器件的基本特性二、光电子器件的基本特性： 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 1.1.1 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。 、光谱响应率 24. 1 24. 1 ,: ,: 1 则： ，有：转化为把 比，即：流子数与辐射光子数之

3、，即产生光生载子数所产生的光电子数：单色辐射下，辐射量光谱量子效率 归一化： 则：为作用下产生的信号电压光电器件在单色辐射率光谱电流响应率 则：为作用下产生的信号电压光电器件在单色辐射率光谱电压响应率 、光谱响应率 i ii s i P S M s i si s u su R RR e hc hc dP e di R N N R R R dP di R didPR dP du R dudPR R 1 2 : : : , 2 A A RR d dP P N N P I RR P U RR R m p s s ii s uu 光源辐射功率谱密度 率的关系：、光谱响应率与响应 量子效率 电压响应率

4、电压响应率 功率之比为器件输出信号与输入积分响应率简称响应率 、响应率： 越小，探测能力越强。 。此称又为噪声等小功率 ，因器能探测到的最小功率入射的辐射功率为探测之中不能分辨，这时该 此时信号被淹没在噪声号电压等于噪声电压，入射辐射较微弱时，信 放大器噪声等 复合噪声，温度噪声及噪声，散粒噪声，产生探测器的噪声来源：热 相加相关的，其噪声功率可在时，只要是独立且不当有多个噪声源同时存 根。求其平方平均值或均方噪声：要在其长时间内 功率时，探测器的入射辐射噪声电压均方根当输出信号电压 率、最小可探测辐射功 探测率：最小可探测辐射功率和 min min min . - . 2 . 1 . 1 P

5、 R u uu P P uu P u n ns ns 为探测视场的立体角。 引入参数依赖视场的关系，场的大小，此时为消除的开口决定了探测器视 需要致冷屏蔽，致冷屏界辐射决定，则探测器如果探测器的噪声由外 产生的信噪比 所时的单位入射辐射功率工作带宽为表示探测器接收面积为 叫比探测率，单位是 则探测率： 反比件的面积及工作带宽成研究表明，探测率和器 、探测率 DDD Hzcm fA u R fA P uu D WHzcmD fADfA Pp D fA P p P uu NEPP DD n U i ns ns . , )()( )( 1 )( 11 :2 2 2 1 2 1 1 2 1 2 1 2

6、 1 minmin 2 1 min min min i thi g th g gg ad x E hc Eh E hc E hc E hc Eh a d e I Id eII Id eIII I dx dI 长波限：杂质吸收： 长波限：即满足： ： 即：本征吸收： 最主要的是本征吸收。 ，晶格振动吸收等，载流子吸收、激子吸收吸收、杂质吸收、自由半导体的光吸收有本征 的函数吸收。吸收系数是时，光在样品内被全部当样品厚度 的厚度内被吸收 的光在度，有，此时的厚度为吸收厚时，光强 当厚度 为：则样品吸收的光强度若样品厚度为 深吸收系数小，光入射越主要发生在材料表层；光吸收系数大，光吸收 则：设入射光

7、强度为 的相互作用。 子子，晶格原子和杂质原光与处在各种状态的电材料吸收光的原因在于 ：光吸收系数 , , . 1 ;%64 1 , . : 2 . 3 . 1 00 1.2 光电导探测器的原理 根据内光电效应制成的光电器件。 当光子能量大于禁带宽度时，把价带中的电子激发到导带，价带中留下自由 空穴，从而引起材料电导率增加，这就是本征光电导效应 当光子能量激发杂志半导体的施主或者受主，使他们电离，产生自由电子或 者空穴，从而增加材料电导率，为非本征光电导效应。 1.2.1光电导效应： 1、欧姆定律： EJ R U I 2、漂移速度和迁移率： EEnenevJSnevIsnv sv ddd d

8、,1则： 面的电子数为：，则单位时间内通过界导体截面积为设漂移速度为 光电导材料。光电导效应的材料称为 ，能够产生的电导率称为光电导率称为光电导效应，附加 率的现象载流子引起的附加电导这种由于光注入非平衡 衡载流子有光照时：增加的非平 无光照时：暗电导 、光电导效应 动时所产生的电流。键上的电子在价键间运空穴电流实际上是共价 和空穴导电的总和。半导体的导电作用电子 、半导体的电导率： pn pn pn pnpn ppenne pn neen nene EneneJJJ 00 00 4 3 1.3光敏电阻光敏电阻 光敏电阻的工作原理和结构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特性

9、参数 光敏电阻的变换电路光敏电阻的变换电路 常用光敏电阻常用光敏电阻 小结小结 应用实例应用实例 图示为光敏电阻的原理与器件符号图。在均匀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。构成光敏电阻。 当光敏电阻的两端加当光敏电阻的两端加 上适当的偏置电压上适当的偏置电压Ubb 后，当光照射到光电后，当光照射到光电 导体上，由光照产生导体上，由光照产生 的光生载流子在外加的光生载流子在外加 电场作用下沿一定方电场作用下沿一定方 向运动，在电路中产向运动，在电路中产 生电流生电流Ip，用检流计可，用

10、检流计可 以检测到该电流。以检测到该电流。 一。光敏电阻工作原理一。光敏电阻工作原理 光敏电阻演示光敏电阻演示 当光敏电阻当光敏电阻 受到光照时，受到光照时， 光生电子光生电子 空穴对增加，空穴对增加， 阻值减小，阻值减小， 电流增大。电流增大。 暗电流（越小越好）暗电流（越小越好） p h e MI P d An L V M 0 2 0 M1的理解的理解 光电导内增益光电导内增益 说明载流子已经渡越完毕，但载流子的平均寿命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

11、动可能被晶体运动，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）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循环直到正电中心消失。这就相当放大了初始的光生 电流。电流。 d An L V M 0 2 0 如何提高如何提高M 光电导

12、内增益光电导内增益 选用平均寿命长、迁移率大的半导体材料；选用平均寿命长、迁移率大的半导体材料； 减少电极间距离；减少电极间距离； 加大偏压加大偏压 d An L V M 0 2 0 参数选择合适时，参数选择合适时，M值可达值可达102量级量级 光 敏 电 阻 分 类 本 征 型 掺 杂 型 Ec Ev Eg Ec Ev Eg )( 1240 0 nm EE hc gg )( 1240 0 nm EE hc gg 光电导器件材料光电导器件材料 禁带宽度禁带宽度 （eV） 光谱响应范围光谱响应范围 （nm） 峰值波长峰值波长 （nm） 硫化镉（硫化镉（CdS）2.45400800515550 硒

13、化镉（硒化镉（CdSe）1.74680750720730 硫化铅（硫化铅（PbS）0.4050030002000 碲化铅（碲化铅（PbTe）0.3160045002200 硒化铅（硒化铅（PbSe）0.2570058004000 硅（硅（Si）1.124501100850 锗（锗（Ge）0.6655018001540 锑化铟（锑化铟（InSb）0.1660070005500 砷化铟（砷化铟（InAs）0.33100040003500 常用光电导材料常用光电导材料 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

14、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 电导材料有电导材料有-族、族、-族化合物，硅、锗等，以及一些有机物。族化合物，硅、锗等，以及一些有机物。 光敏电阻的结构光敏电阻的结构: :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。在带有窗口的金属或塑料外壳内。 二二. 光敏电阻的基本结构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

15、向光电导薄膜上蒸镀金或光敏面作成蛇形，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。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。 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。 R G 12 3 4 5 6 7 (a)结构 (b)电极 (c)符号 CdS光敏电阻的结构和符号 （a 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。）梳状

16、结构：梳形电极间距很小，之间为光敏电阻材料，灵敏度高。 （b 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。）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 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）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。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。也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此

17、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。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。 光敏电阻实物图光敏电阻实物图 当光敏电阻受到光照时，当光敏电阻受到光照时， 阻值减小阻值减小。 光电导效应：在光光电导效应：在光 作用下使物体的电作用下使物体的电 阻率改变的现象阻率改变的现象. . 光敏电阻为多数电子导电的光电敏感器件，它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、参数上。光敏电阻的基本特性参数

18、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。时间响应、光谱响应、伏安特性与噪声特性等。 一、光谱响应率光谱响应率 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 光谱响应率为 d p h e h e M I 0 )( )( )( 由由 p h e MI P d An L V M 0 2 0 和和 多用相对灵敏度曲线表示。多用相对灵敏度曲线表示。 在可见光区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线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 由图可见，这几种光敏电阻由图可见，这几种光敏电阻

19、 的光谱特性曲线覆盖了整个可的光谱特性曲线覆盖了整个可 见光区，峰值波长在见光区，峰值波长在515 600nm之间。因此可用于与人之间。因此可用于与人 眼有关的仪器，例如照相机、眼有关的仪器，例如照相机、 照度计、光度计等。但它们的照度计、光度计等。但它们的 形状与形状与V()曲线还不完全一致。曲线还不完全一致。 如直接使用，与人的视觉还有如直接使用，与人的视觉还有 一定的差距，所以必须一定的差距，所以必须加滤光加滤光 片进行修正片进行修正，使其特性曲线与，使其特性曲线与 V()曲线完全符合，这样即可曲线完全符合，这样即可 得到与人眼视觉相同的效果。得到与人眼视觉相同的效果。 二、光谱特性光谱

20、特性 在红外区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线在红外区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线 三三. . 噪声特性噪声特性 l热噪声（热噪声（1MHz） )(1 k4 )( 2 0 2 d 2 NJ R fT fI d 2 NJ k4 )( R fT fI l产生复合噪声产生复合噪声(1kHz1MHz) 2 0 2 2 ngr 1 f4 IMe I f4 2 ngr IMeI l电流噪声（低频）电流噪声（低频） b f f bdl Ic I 2 12 nf 高频高频 低频低频 高频高频 低频低频 1、噪声及探测率、噪声及探测率 /f 热噪声热噪声 产生复合噪声产生复合噪声 总噪声总噪声 2 n i

21、f fc 0 2 nf 2 ngr 2 NJ 2 IIII N 总噪声总噪声 2. 噪声对偏流的影响噪声对偏流的影响 四四. .伏安特性伏安特性 加在光敏电阻两端的电压加在光敏电阻两端的电压U与流过它的电流与流过它的电流Ip的关系的关系 曲线，并称其为光敏电阻的伏安特性。曲线，并称其为光敏电阻的伏安特性。 典型典型CdS光敏电阻的伏安特性曲线光敏电阻的伏安特性曲线 图中的虚线为额定功耗线。图中的虚线为额定功耗线。 使用光敏电阻时，应使电阻的使用光敏电阻时，应使电阻的 实际功耗不超过额定值。从图实际功耗不超过额定值。从图 上来说，就是不能使静态工作上来说，就是不能使静态工作 点居于虚线以内的区域

22、。按这点居于虚线以内的区域。按这 一要求在设计负载电阻时，应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不使负载线与额定功耗线相交。 五、光电特性和光电特性和 值值 光电特性：光电流与入射光通量（照度）的关系 2 0 )( )( L U h e I n p 1. 弱光照射时：光电流与光通量（照度）成正比，即弱光照射时：光电流与光通量（照度）成正比，即 保持线性关系保持线性关系 EUSUgI gpp 式中式中g gp p称为光敏电阻的光电导称为光敏电阻的光电导, , Sg为单位电场下的光电导灵敏度，为单位电场下的光电导灵敏度， E为光敏电阻的照度。为光敏电阻的照度。 2. 强光照射时，

23、强光照射时， 光电流与光通量（照度）成非线性。光电流与光通量（照度）成非线性。 EUSUgI gpp 为光电转换因子，是一个随光度量变化的指数为光电转换因子，是一个随光度量变化的指数 与材料和入射光强弱有关，对于硫化镉光电导体，在与材料和入射光强弱有关，对于硫化镉光电导体，在 弱光照下弱光照下1，在强光照下，在强光照下1/2，一般，一般0.51。在通。在通 常的照度范围内常的照度范围内(10-1104lx)， 的值接近于的值接近于1 如图所示的特性曲线反应了流过光敏电阻的电流如图所示的特性曲线反应了流过光敏电阻的电流Ip与与 入射光照度入射光照度E间的变化关系，由图可见它是由直线性渐变间的变化

24、关系，由图可见它是由直线性渐变 到非线性的到非线性的。 电阻照度关系曲线电阻照度关系曲线 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为线性直角坐标系中光敏电阻的 阻值阻值R与入射照度与入射照度EV的关系曲线，而的关系曲线，而(b)为对数直角坐标系下的阻值为对数直角坐标系下的阻值 R与入射照度与入射照度EV的关系曲线。的关系曲线。 12 21 loglog loglog EE RR 值为对数坐标下特性曲线的值为对数坐标下特性曲线的 斜率。斜

25、率。R1与与R2分别是照度为分别是照度为E1 和和E2时光敏电阻的阻值。时光敏电阻的阻值。 ESg gp 六、前历效应前历效应 前历效应前历效应是指光敏电阻的时间特性与工作前是指光敏电阻的时间特性与工作前 “历史历史”有关的一种现象。前历效应有有关的一种现象。前历效应有暗态前历暗态前历 与与亮态前历亮态前历之分。之分。 暗态前历效应：是指光敏电阻测试或工作前处于暗态前历效应：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。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，其效应曲线如下图所示。

26、一般，工作电压越低， 光照度越低，则暗态前历效应就越重光照度越低，则暗态前历效应就越重。 硫化镉光敏电阻的暗态前历效应曲线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 亮态前历效应亮态前历效应 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状态变为低照度状态达到稳定值

27、时所需的时间要比由 低照度状态变为高照度状态时短。低照度状态变为高照度状态时短。 硫化镉光敏电硫化镉光敏电 阻亮态前历效阻亮态前历效 应曲线应曲线 七、温度特性七、温度特性 光敏电阻的温度特性很复杂，在一定的照度下，光敏电阻的温度特性很复杂，在一定的照度下， 亮电阻的温度系数亮电阻的温度系数（有正有负）有正有负） )( 121 12 TTR RR 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。 右图所示为典型右图所示为典型CdSCdS （实线）与（实线）与CdSeCdSe（虚线）（虚线） 光敏电阻在不同照度下的光敏电阻在不同照度下的 温度特

28、性曲线。可以看出温度特性曲线。可以看出 这两种光敏电阻的相对光这两种光敏电阻的相对光 电导率随温度的升高而下电导率随温度的升高而下 降，亮电阻变大。降，亮电阻变大。 I / A 100 150 200 -50-1030 5010-30T / C 硫化镉的光电流硫化镉的光电流I和温度和温度T的关系的关系 温度升高，亮电阻变大，电流变小温度升高，亮电阻变大，电流变小 温度对光谱响应也有影响。随着温度的升高，其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，暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短光谱特性曲线的峰值向波长短 的方向移动。的方向移动。硫化镉的光电流硫化镉的光电流I

29、 I和温度和温度T T的关系如图所的关系如图所 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。敏电阻的温度降低。 20 40 60 80 100 01.02.03.04.0 /m I/mA +20 C -20 C 温度改变光谱响应温度改变光谱响应 l一般n型半导体的EF位于Ei之上Ec之下的禁带中。 lEF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，

30、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 八八. . 响应时间和频率响应响应时间和频率响应 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。 0 0 对于本征光电导器件在非平衡状态下光电 导率和光电流I随时间变化的规律为 )1 (

31、 / 0 t e )1 ( / 0 t eII 0 0 / 0 t e / 0 t eII 显然，光敏电阻在弱辐射作用下的显然，光敏电阻在弱辐射作用下的 上升时间常数上升时间常数r r与下降时间常数与下降时间常数f f 近似相等。近似相等。 0 0 光电导率和光电流变化的规律为 0 0 /1 1 0 t /1 1 0 t II t tanh 0 t IItanh 0 ) 2 /() 2 (/coshhstanh xxxx eeee xxinx 双曲正切函数 频率响应特性频率响应特性 1-硒 2-硫化镉 3-硫化铊 4-硫化铅 U f3dB 2 1 2 0 )2(1 )( f f 0 2 1 c

32、 f 2 0 L V M An 常量 22 0 0 22 1 L V L V Mf AnAn c 增益带宽积增益带宽积 3.2.33.2.3 光敏电阻的变换电路光敏电阻的变换电路 d R：探测器电阻：探测器电阻 L R：偏置电阻（或负载电阻）：偏置电阻（或负载电阻） 一、基本偏置的静态设计一、基本偏置的静态设计 1. 图解法图解法 LB RV / B V V I O LLB RIVV LLB RIVV 负载回路方程负载回路方程 ggpL VSEVSVgI 伏安曲线伏安曲线 负载线负载线 伏安特性伏安特性 V 2. 解析法解析法 Ld B L RR V I 偏置电流偏置电流 Ld LB AL R

33、R RV VV 输出点电压输出点电压 2 2 2 )()( Ld gdB Ld dB L RR SRV RR dRV dII L Ld gdB L R RR SRV RIV 2 2 )( 2 2 2 )( Ld dB dLm RR RV RIP 光敏电阻功耗光敏电阻功耗 入射辐射变化时，偏置电阻入射辐射变化时，偏置电阻 RL两端的输出信号电流、电两端的输出信号电流、电 压变化为压变化为 ？ 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。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。 g SG 设入射于光敏电阻的辐射为调制辐射正弦， tt m sin)( 0 RLRd i

34、p Cd VL 等效微变电路 基本偏置电路 V 二、基本偏置的动态设计二、基本偏置的动态设计 思考：用图解法如何分析？思考：用图解法如何分析？ B V O tVSti mBgp sin)( 输出的交流部分电流 Ld dL Ld Ld d mBg LddmBgL RR RR RR RR C tVS RRCtVStV 2/1 )(1 sin )/(sin)( 输出的交流部分电压 m 0 m 0 0 检测微弱信号时需考虑器件的固有噪声：检测微弱信号时需考虑器件的固有噪声： 热噪声、产生复合噪声及热噪声、产生复合噪声及/f噪声噪声 光敏电阻若接收调制辐射，其噪声的等效电路如 图所示 ip ingr i

35、nt inf RL Rd Cd 考虑噪声时的噪声等效电路 三、输出信号特性分析三、输出信号特性分析 L Ld dB LS R RR SRV RIVV 2 2 )( 令令 VVS 从功率匹配和最大信噪比两个方面分析： VS和VB、RL的关系 推导：将式推导：将式对对 L R求导，并令等式为零以求解求导，并令等式为零以求解 S V的最大值，即的最大值，即: 0 )( )( )( )(2)( )( 34 2 Ld LddB Ld dLBLdLddB RS RR RRRV RR RRVRRRRRV V L 则仅则仅 Ld RR S V 有极大值：有极大值： L dB S R RV V 4 max 此时

36、称为功率匹配，输出信号电压的变化也最大。此时称为功率匹配，输出信号电压的变化也最大。 1. 功率匹配功率匹配 d Ld LB AS R RR RV dVV 2 )( （1） VS与与RL的关系的关系 （定负载线斜率）（定负载线斜率） (2) VS和和VB的关系的关系 (由功耗线确定由功耗线确定VB ) B V增大，增大， S V 也随之增大，但功耗也随之增大，但功耗 m P 也会增大，导致探测器损坏。也会增大，导致探测器损坏。 maxB V 因此对应一定功耗存在一偏置电压最大值因此对应一定功耗存在一偏置电压最大值 2 2 2 )( Ld dB dLm RR RV RIP L dB S R RV

37、 V 4 max LB RV/ B V V I O 最大功耗最大功耗 超出功耗！超出功耗！ 例：例：PbS最大功耗为最大功耗为0.2W/cm2，使用时要低于比值，使用时要低于比值0.1W/cm2 解：由解：由2 2 2 )( Ld dB dLm RR RV RIP )( 1 . 0 )( Ld d d Ld d m BMAX RR R A RR R P V 其中，其中， d A 为探测器光敏面积（单位：平方厘米）为探测器光敏面积（单位：平方厘米） 存在一个最佳偏流，其对应最高信噪比，信噪比较大时所对存在一个最佳偏流，其对应最高信噪比，信噪比较大时所对 应的偏压要比最大可加电压应的偏压要比最大可

38、加电压VBmax小小 。 2. 信噪比最佳时偏置条件的确定信噪比最佳时偏置条件的确定 最佳偏流最佳偏流 a b nf f fI ki 1 2 fMIei rg n 4 2 g-r 噪声 1/f 噪声 Ld B L RR V I 偏置电流偏置电流 Ld LB LLL RR RV RIV 输出点信号电压输出点信号电压 在满足功耗的前提下，根据系统要求在满足功耗的前提下，根据系统要求 综合考虑信号幅度和信噪比。综合考虑信号幅度和信噪比。 最佳偏压的确定最佳偏压的确定 分析：流过探测器的电流近似恒定电分析：流过探测器的电流近似恒定电 流，与流，与Rd无关无关, ,不随光辐射的变化而不随光辐射的变化而

39、变化。变化。 dL RR L B Ld B L R V RR V I 1. 恒流偏置恒流偏置 四、光电导探测器三种偏置方式四、光电导探测器三种偏置方式 ddL Ld ddLL Ld dLL Ld dLB S GRI RR GRRI RR RRI RR dRRV V 2 2 2 )( 特点：信号受探测器电阻影响严重！特点：信号受探测器电阻影响严重！ dL RR 例：高阻高阻PC探测器的恒流偏置电路 课本p276图4.12 如果采用左图简单的恒流偏置电路要求RLRd，又要IL较大， 则VB要求很高电压。 例：VB（RLRd）IL=(500K+100K)0.5mA=300 V 例：锑化铟（例：锑化铟

40、（InSb）PC探测器（探测器（77K）的恒流偏置电路）的恒流偏置电路 2. .恒压偏置恒压偏置 分析分析：探测器上的电压近似等于：探测器上的电压近似等于VB， 与与Rd无关，基本恒定，与光辐射变化无关，基本恒定，与光辐射变化 无关。但流过探测器的偏流不恒定，无关。但流过探测器的偏流不恒定， 随随Rd变化。变化。 dL RR 0 Ld LB A RR RV V SRVGRVGRRI RR GRRI RR dRRV V LBdLBdLdL Ld ddLL Ld dLB S 2 2 )( 特点：输出信号电压不受探测器电阻特点：输出信号电压不受探测器电阻Rd的影响的影响! dL RR BAB VVV

41、V 例：硫化铅（例：硫化铅（PbS）PC探测器的恒压偏置探测器的恒压偏置 课本p276图4.14 课本p276图4.13 特点：与上两种偏置比较，当特点：与上两种偏置比较，当R Rd d变化时探测变化时探测 器上的功率变化最小器上的功率变化最小( (恒功率的来源恒功率的来源) )。 输出信号电压的变化也最大（如前分析）。输出信号电压的变化也最大（如前分析）。 dL RR d B Ld dB m R V RR RV P 4)( 2 2 2 3. 恒功率偏置（匹配偏置）恒功率偏置（匹配偏置） 功率匹配功率匹配 例：锑化铟（例：锑化铟（InSb）光电导探测器（）光电导探测器（77K）的匹配偏置电路）

42、的匹配偏置电路 由偏置电压源（12V）和R1，DW1,R2,R3以及C1构成的稳压滤 波电路提供稳定的偏置电压。探测器暗阻（77K时）为1.8k， RL亦为1.8k，构成匹配偏置。注意该处的稳压管DW2用来保护 探测器，使之两端电压不超过额定值。 4. 三种偏置方式比较 （1）从响应度和偏置电压源方面比较）从响应度和偏置电压源方面比较 恒流偏置（恒流偏置（RLRd，取，取RL=10Rd) 2 1dLg RIS dLB RIV11 1 匹配偏置（匹配偏置（RL = Rd） 2 2 2 d RIS Lg dLB RIV2 2 恒压偏置（恒压偏置（RL匹配偏置匹配偏置恒压偏置恒压偏置 由于恒流偏置需

43、要由于恒流偏置需要 很高的很高的VB，在实用，在实用 中可采用匹配偏置中可采用匹配偏置 而获得与恒流偏置而获得与恒流偏置 相当的响应度。相当的响应度。 偏置电压偏置电压: 恒流偏置恒流偏置匹配偏置匹配偏置恒压偏置恒压偏置 L Ld dB LS R RR SRV RIVV 2 2 )( （2）从放大器输出的）从放大器输出的S/N比较比较 22222222 )()()( dL dL nn dL d nL dL L nsni RR RR IE RR R E RR R EE n 当探测器与放大器系统的噪声当探测器与放大器系统的噪声 以放大器的非热噪声（以放大器的非热噪声（1/f噪声噪声, g-r噪声）

44、和前放的噪声）和前放的In为主时，信为主时，信 噪比与偏置方式无关（即与噪比与偏置方式无关（即与RL无无 关）。关）。 n 当系统以探测器的热噪声和当系统以探测器的热噪声和 前放的前放的En为主时：为主时： 恒流偏置恒流偏置S/N匹配偏置匹配偏置S/N恒压偏置恒压偏置S/N。 5小结小结 （1）PC探测器一定要加偏置电路。探测器一定要加偏置电路。 （2）设计偏置电路时（确定）设计偏置电路时（确定VB和和RL ），首先要根据所用探测器的信号噪声及），首先要根据所用探测器的信号噪声及 S/N输出对偏置电流输出对偏置电流IL的关系曲线选定的关系曲线选定IL值。通常在值。通常在S/N最大值范围内选取。

45、最大值范围内选取。 （3）选定）选定IL值，再根据系统情况选择偏置方式来确定值，再根据系统情况选择偏置方式来确定RL值。值。 l一般按一般按 S/N大为准则，优先选用恒流偏置大为准则，优先选用恒流偏置，即，即RL Rd（一般为（一般为RL10Rs），无），无 必要或不便采用恒流偏置时，可用恒压和匹配偏置。必要或不便采用恒流偏置时，可用恒压和匹配偏置。 l选用恒压偏置时，一般使选用恒压偏置时，一般使10RLRd，其信号输出幅值稳定，受，其信号输出幅值稳定，受Rd变化影响小。变化影响小。 l对于高阻探测器（对于高阻探测器（ Rd一般大于一般大于1M），一般不采用恒流偏置（偏压要相当高），一般不采用

46、恒流偏置（偏压要相当高） ，同时如对响应时间也有较高要求，则，同时如对响应时间也有较高要求，则RL就不能选大，而常采用恒压偏置或匹配就不能选大，而常采用恒压偏置或匹配 偏置。偏置。 （4）根据）根据VB IL （RL+Rs），在），在Rd，RL，IL已定下，算出已定下，算出VB值，且满足值，且满足 VBVBmax，否则需重新设计选定。，否则需重新设计选定。 判断电路的偏置方式 3.2.4 常用光敏电阻常用光敏电阻 光谱响应范围宽，光谱响应范围宽， 测光范围宽，测光范围宽， 灵敏度高，灵敏度高， 无极性之分无极性之分, , 价格便宜价格便宜, , 强光照射下线性较差，频率特性也较差。强光照射下线

47、性较差，频率特性也较差。 光敏电阻的光敏电阻的重要特点重要特点是：是： 光敏电阻按光谱范围可分为紫外、可见光、红外；光敏电阻按光谱范围可分为紫外、可见光、红外； 按晶体结构分为单晶和多晶；按制作工艺分为薄按晶体结构分为单晶和多晶；按制作工艺分为薄 膜烧结型和真空蒸发型。膜烧结型和真空蒸发型。 几种常用的光敏电阻几种常用的光敏电阻 光光 敏敏 电电 阻阻 紫外紫外 硫化镉硫化镉(CdS)和硒化镉和硒化镉(CdSe) 可见可见 硫化铊硫化铊(TiS)、硫化镉、硫化镉(CdS) 和硒化镉和硒化镉(CdSe) 红外红外 硫化铅硫化铅(PbS)、碲化铅、碲化铅(PbTe)、 锑化铟锑化铟(InSb)、碲

48、汞镉（、碲汞镉（ 光敏电阻常用光电导材料 一、CdS光敏电阻 CdS光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应 特性最接近人眼光谱光视效率，它在可见光波段范围内 的灵敏度最高，因此，被广泛地应用于灯光的自动控制， 照相机的自动测光等。 CdS光敏电阻的峰值响应波长为0.52m，CdSe光敏 电阻为0.72m，一般调整S和Se的比例，可使Cd（S， Se）光敏电阻的峰值响应波长大致控制在0.520.72m 范围内。 CdS光敏电阻的光敏面常为蛇形光敏面结构。 二二.PbS.PbS光敏电阻光敏电阻 PbS光敏电阻的光谱响应和比探测率等特性与工作 温度有关，随着工作温度的降低其峰值响应波长和长波 长将

49、向长波方向延伸，且比探测率D*增加。 例如，室温下的PbS光敏电阻的光谱响应范围为 13.5m，峰值波长为2.4m，峰值比探测率D*高达 11011cmHzW-1。当温度降低到（195K）时，光谱响 应范围为14m，峰值响应波长移到2.8m，峰值波 长的比探测率D*也增高到21011cmHzW-1。 三三.InSb.InSb光敏电阻光敏电阻 InSb光敏电阻是35m光谱范围内的主要探测器件 之一。 InSb材料不仅适用于制造单元探测器件，也适宜制造 阵列红外探测器件。 InSb光敏电阻在室温下的长波长可达7.5m，峰值波 长在6m附近，比探测率D*约为11011cmHzW-1。当温 度降低到7

50、7K（液氮）时，其长波长由7.5m缩短到 5.5m，峰值波长也将移至5m，恰为大气的窗口范围， 峰值比探测率D*升高到21011cmHzW-1。 四. Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件 Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件是目前所有红外探测器 中性能最优良最有前途的探测器件，尤其是对于48m 大气窗口波段辐射的探测更为重要。 Hg1-xCdxTe系列光电导体是由HgTe和CdTe两种材料的 晶体混合制造的，其中x标明Cd元素含量的组分。在制造 混合晶体时选用不同Cd的组分x，可以得到不同的禁带宽 度Eg，便可以制造出不同波长响应范围的Hg1-xCdxTe探测 器件。一般组分x的变化范围

51、为0.180.4，长波长的变化范 围为130m。 实例一 Infrared detector module with preamp P4245 实例二 PbS photoconductive detector P9217-03 3.2.5 小结小结 光电导探测器具有内增益M特性， M与材料器件性 质和外加电场大小有关。 当用于模拟量测量时，因光照指数与光照强弱有关， 只有在弱光照弱光照下光电流与入射辐射通量成线性关系。 用于光度量测试仪器时，必须对光谱特性曲线进行 修正，保证其与人眼的光谱光视效率曲线符合。 光敏电阻的光谱特性与温度有关，温度低时，灵敏 范围和峰值波长都向长波方向移动，可采取冷却灵 敏面的办法来提高光敏电阻在长波区的灵敏度。 光敏电阻的温度特