光电检测技术第三章

1、 v掌握内容掌握内容光电探测器的物理基础、分类，通常需考虑特性参数；光电探测器的物理基础、分类，通常需考虑特性参数；光电检测技术中常用的光电导探测器原理和特性。光电检测技术中常用的光电导探测器原理和特性。v理解内容理解内容光电导探测器的电路偏置光电导探测器的电路偏置v了解内容了解内容第第3 3章章 光电探测器概述及光电导探测器光电探测器概述及光电导探测器 第三章第三章 主要内容主要内容3.13.1光探测器的物理基础光探测器的物理基础 3.23.2光电探测器的特性参数光电探测器的特性参数3.33.3光电导探测器光电导探测器 3.13.1光探测器的物理基础光探测器的物理基础一、光探测器的分类一、光

2、探测器的分类1 1、光探测器的物理效应通常分为两类：、光探测器的物理效应通常分为两类：光电效应和光光电效应和光热效应，如表热效应，如表3 31 1（a a）（）（b b）所示。）所示。效应效应相应的探测器相应的探测器外光电效应外光电效应（1 1）光阴极发射光电子）光阴极发射光电子光电管光电管（2 2）光电子倍增）光电子倍增 打拿极倍增打拿极倍增 通道电子倍增通道电子倍增光电倍增管光电倍增管像增强器像增强器内光电效应内光电效应（1 1）光电导（本征或非本征）光电导（本征或非本征）光电管或光敏电阻光电管或光敏电阻（2 2）光生伏特）光生伏特 pnpn结和结和pinpin结（零偏）结（零偏） pnp

3、n结和结和pinpin结（反偏）结（反偏） 雪崩、肖特基势垒雪崩、肖特基势垒光电池光电池光电二极管光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管肖特基势垒光电二极管肖特基势垒光电二极管（3 3）光电磁）光电磁 光子牵引光子牵引光电磁探测器光电磁探测器光子牵引探测器光子牵引探测器（a a）光电效应）光电效应效效 应应相应的探测器相应的探测器（1 1）测辐射热计）测辐射热计 负电阻温度系数负电阻温度系数 正电阻温度系数正电阻温度系数 超导超导热敏电阻测辐热计热敏电阻测辐热计金属测辐射热计金属测辐射热计超导远红外探测器超导远红外探测器（2 2）温差电）温差电热电偶、热电堆热电偶、热电堆（3 3）热释电）热释

4、电热释电探测器热释电探测器（4 4）其他）其他高莱盒、液晶灯高莱盒、液晶灯（b b）光热效应）光热效应2 2、光电探测器也可分为：、光电探测器也可分为：单元器件；单元器件；阵列器件；阵列器件；成像器件。成像器件。 单元器件只是把投射在其光接受面元上的平均光能单元器件只是把投射在其光接受面元上的平均光能量变成电信号；量变成电信号； 阵列器件或成像器件则可测出物面上的光强分布。阵列器件或成像器件则可测出物面上的光强分布。 成像器件一般放在光学系统的像面上，能获得物面成像器件一般放在光学系统的像面上，能获得物面上的图像信号。上的图像信号。 光电检测器件还可从用途上分为用于检测微弱信号光电检测器件还可

5、从用途上分为用于检测微弱信号的存在及其强弱的探测器，的存在及其强弱的探测器，这时主要考虑的是器件这时主要考虑的是器件探测微弱信号的能力，要求器件输出灵敏度高，噪探测微弱信号的能力，要求器件输出灵敏度高，噪声低；用于控制系统中作光电转换器，主要考虑的声低；用于控制系统中作光电转换器，主要考虑的是光电转换的效能。是光电转换的效能。3、目前，光电探测器的种类很多，新的器件也不断出现。目前，光电探测器的种类很多，新的器件也不断出现。按照现阶段各类常用光电探测器工作原理和结构又可按照现阶段各类常用光电探测器工作原理和结构又可分类如下：分类如下： 光电管光电管 光电倍增管光电倍增管 真空光电器件真空光电器

6、件 真空摄象管真空摄象管 变象管变象管 象增强器象增强器 光敏电阻光敏电阻 光电探测器光电探测器 光电池光电池 光电二极管光电二极管 光电三极管光电三极管 光电耦合器光电耦合器 固体光电器件固体光电器件 光中断器光中断器 位置传感器位置传感器PSDPSD 电荷耦合器件电荷耦合器件CCDCCD 自扫描光电二极管自扫描光电二极管 列阵列阵SSPDSSPD二、光电探测器原理二、光电探测器原理 光电探测器利用材料的光电效应制成。光电探测器利用材料的光电效应制成。 在光辐射作用下，电子逸出材料表面，产生光在光辐射作用下，电子逸出材料表面，产生光电子发射称为外光电效应，或光电子发射效应；电子发射称为外光电

7、效应，或光电子发射效应； 电子并不逸出材料表面的为内光电效应。光电电子并不逸出材料表面的为内光电效应。光电导效应、光生伏特效应及光磁电效应均属于内光导效应、光生伏特效应及光磁电效应均属于内光电效应。电效应。 三、光电转换定律三、光电转换定律 光电探测器的作用是将光辐射能转换成易于测量的光电探测器的作用是将光辐射能转换成易于测量的电学量，所以光电探测器实质上是一种光电转换器件。电学量，所以光电探测器实质上是一种光电转换器件。 考虑能量为的光子入射到光电探测器上所产生的光考虑能量为的光子入射到光电探测器上所产生的光电流，如果光子能量大于探测器材料的禁带宽度，在观电流，如果光子能量大于探测器材料的禁

8、带宽度，在观察时间察时间 t t内，它产生的平均光电子数为内，它产生的平均光电子数为 N N，则根据量，则根据量子理论分析的结果，子理论分析的结果， N N与入射的平均光辐射能量成正与入射的平均光辐射能量成正比，即比，即 htQN/ )(而入射的瞬时光辐射能量为：而入射的瞬时光辐射能量为： 式中，式中，P P( (t t) )是光辐射的瞬时功率。一般来是光辐射的瞬时功率。一般来说，它是一个随机量，如果说，它是一个随机量，如果P P( (t t) )在观察时间在观察时间 t t内没有明显的改变，则内没有明显的改变，则W W( (t t) ) P P( (t t) ) t t。由此可。由此可得光电

9、探测器输出的平均光电流表达式：得光电探测器输出的平均光电流表达式： 式中式中P P为入射光辐射的平均功率。此式描为入射光辐射的平均功率。此式描述了光电转换的基本定律。述了光电转换的基本定律。 tttdttPtQ00)()(PhetPhetKeIP)(从光电转换定律可知：从光电转换定律可知：光电探测器输出的光电流与入射平均光功率光电探测器输出的光电流与入射平均光功率成正比，因此，一个光子探测器可视为一个成正比，因此，一个光子探测器可视为一个电流源。电流源。由于平均光功率与光电场强度的平方成正比，由于平均光功率与光电场强度的平方成正比，所以光电探测器输出的光电流也与光电场强所以光电探测器输出的光电

10、流也与光电场强度的平方成正比。也就是说，光电探测器的度的平方成正比。也就是说，光电探测器的响应具有平方律特性。因此，通常称光电探响应具有平方律特性。因此，通常称光电探测器为平方律探测器，或者说，光电探测器测器为平方律探测器，或者说，光电探测器本质上是一个非线性器件。本质上是一个非线性器件。 3.2 3.2 光电探测器的主要特性参数光电探测器的主要特性参数 判断光电探测器的优劣的指标，以及根据特判断光电探测器的优劣的指标，以及根据特定的要求恰当地选择探测器的依据定的要求恰当地选择探测器的依据。因此，最关心的问题有：因此，最关心的问题有：1.1.光电探测器的量子效率，即单位时间内探测器传输光电探测

11、器的量子效率，即单位时间内探测器传输出的光电子数与入射到探测器表面的光子数之比；出的光电子数与入射到探测器表面的光子数之比；2.2.根据测量光信号大小，探测器能输出多大的电信号，根据测量光信号大小，探测器能输出多大的电信号，即探测器的响应率大小。即探测器的响应率大小。3.3.探测器的光谱响应范围是否同测量光信号的相对光探测器的光谱响应范围是否同测量光信号的相对光谱功率分布一致。谱功率分布一致。4.4.对某种探测器，它能探测的极限功率是多少对某种探测器，它能探测的极限功率是多少需需要知道探测器的等效噪声功率；需要知道所产生要知道探测器的等效噪声功率；需要知道所产生电信号的信噪比。电信号的信噪比。

12、5.5.当测量调制或脉冲光信号时，探测器输出电信号是当测量调制或脉冲光信号时，探测器输出电信号是否能正确反映光信号的波形否能正确反映光信号的波形探测器的响应时间。探测器的响应时间。6.6.当测量的光信号幅度变化时，探测器输出的信号幅当测量的光信号幅度变化时，探测器输出的信号幅度是否能线性地响应。度是否能线性地响应。1 1量子效率量子效率 光电探测器吸收光子产生光电子，光电子形成光电探测器吸收光子产生光电子，光电子形成电流。电流。 I=I=（e/ he/ h）P P 式中：式中：光电转换因子，光电转换因子，=e/ h=e/ h； P/ hP/ h单位时间内入射到探测器表面的光子单位时间内入射到探

13、测器表面的光子数数 I/eI/e单位时间内被光子激励的光电子数单位时间内被光子激励的光电子数=Ih/ep =Ih/ep 即单位时间内探测器传输出的光即单位时间内探测器传输出的光电子数与入射到探测器表面的光子数之比。电子数与入射到探测器表面的光子数之比。 对于理想的探测器，对于理想的探测器，=1=1，实际上，实际上 11。 显然，量子效率越高越好，量子效率是一个微显然，量子效率越高越好，量子效率是一个微观参数。观参数。 响应率响应率(响应度响应度)响应率响应率( (响应度响应度) )是光电探测器光电转换特性的量度，是光电探测器光电转换特性的量度，是与量子效率是与量子效率相对应的一个宏观参数。相对

14、应的一个宏观参数。它是指单位入射的光辐射功率所引起的反应，即探测它是指单位入射的光辐射功率所引起的反应，即探测器的输出信号电压或电流与入射的光辐射功率器的输出信号电压或电流与入射的光辐射功率P P或光辐或光辐射通量射通量e e 之比之比 ，称为响应率。，称为响应率。 一般有两种方法表示：电压灵敏度和电流灵敏度一般有两种方法表示：电压灵敏度和电流灵敏度. . （1 1） 电压灵敏度电压灵敏度Ru=Us/P Ru=Us/P 或或 Sv=Vs/eSv=Vs/e单位为单位为V Vw w。（2 2） 电流灵敏度电流灵敏度Sd=Is/P Sd=Is/P 或或Si=Is/eSi=Is/e单位为单位为A Aw

15、 w。注意概念：注意概念：如探测器的入射光是光通量信号，那么得如探测器的入射光是光通量信号，那么得到的将是光照灵敏度单位为到的将是光照灵敏度单位为v vlmlm，或光照灵敏度单，或光照灵敏度单位为位为A Almlm。光谱灵敏度光谱灵敏度 如果把光功率如果把光功率P P换成波长可变的光功率谱密度换成波长可变的光功率谱密度P P ，则由于光电探测器的光谱选择性，在其他条件不变的情则由于光电探测器的光谱选择性，在其他条件不变的情况下，光电流（或光电压）将是光波长的函数，记为况下，光电流（或光电压）将是光波长的函数，记为I I （或（或U U ），于是光谱灵敏度定义为：），于是光谱灵敏度定义为：S S

16、I I ( () )I I /d/dP P S SU U( () )U U /d/dP P 如果如果S SI I ( () )或或S SU U( () )是常数，则相应的探测器称为无选是常数，则相应的探测器称为无选择性探测器（如光热探测器），光子探测器则是选择性择性探测器（如光热探测器），光子探测器则是选择性探测器。探测器。 这就是探测器的频率特性，这就是探测器的频率特性，S S0 0为调制频率为调制频率f f0 0时的灵敏度，时的灵敏度，S Sf f随随f f升高而下降的速度与升高而下降的速度与 值关系很大。一般规定，值关系很大。一般规定，S Sf f下降到时的频率下降到时的频率f fc c

17、称为探测器的截止响应频率或响应频率。称为探测器的截止响应频率或响应频率。 f fc c1/21/2 当当f f f fc c时，认为光电流能线性再现光功率时，认为光电流能线性再现光功率P P的变化。的变化。20)2(1fSSf频率灵敏度频率灵敏度S Sf f 如果入射光是强度调制的，则在其他条件不变的情如果入射光是强度调制的，则在其他条件不变的情况下，光电流况下，光电流I If f将随调制频率将随调制频率f f的升高而下降。这时的的升高而下降。这时的灵敏度称为频率灵敏度灵敏度称为频率灵敏度S Sf f ，定义为：，定义为：式中，式中，I If f是光电流时变函数的傅里叶变换，通常是光电流时变函

18、数的傅里叶变换，通常 式中，式中， 称为探测器的响应时间或时间常数，由材料、结称为探测器的响应时间或时间常数，由材料、结构和外电路决定。构和外电路决定。 PISff20)2(1)0(ffIIf3 3光谱响应和光谱响应率光谱响应和光谱响应率 光谱响应是光电探测器响应度随入射光的波长光谱响应是光电探测器响应度随入射光的波长改变而改变的特性，即上述三个参量改变而改变的特性，即上述三个参量、R Ru u（或（或S Sv v）和）和S Sd d（或（或S Si i）都是入射光波长的函数。）都是入射光波长的函数。几个慨念：几个慨念： 光谱响应曲线光谱响应曲线 归一化光谱响应曲线归一化光谱响应曲线 峰值响应

19、波长峰值响应波长 光谱响应的截止波长光谱响应的截止波长 光谱响应率。即光谱响应率。即S Sv v()=V()=Vs s()/()/e e()()或或 S Si i()=I()=Is s()/()/e e()()光谱响应函数光谱响应函数( (曲线曲线) )。相对光谱响应函数。相对光谱响应函数( (曲线曲线) )。4 响应时间和频率响应响应时间和频率响应 响应时间响应时间 通常用响应时间通常用响应时间来衡量。来衡量。 当阶跃光输入时，光信号探测器在上升弦的输出电当阶跃光输入时，光信号探测器在上升弦的输出电流为：流为： IsIs（t t）= I= I0 01-exp1-exp（-t/ -t/ 1 1

20、 ） 定义：定义：IsIs（t t）上升到稳态值）上升到稳态值I I0 0的的0 06363倍的时间为探倍的时间为探测器的上升响应时间，即测器的上升响应时间，即上上=1 1 。同样，光信号探测器在下降弦的输出电流为同样，光信号探测器在下降弦的输出电流为 I Ix x（t t）= I= I0 0 exp exp（-t/ -t/ 2 2） 定义定义I Ix x（t t）下降到稳态值）下降到稳态值I I0 0的的0 03737倍的时间为探测倍的时间为探测器的下降响应时间，即器的下降响应时间，即下下= = 2 2 。一般光电器件。一般光电器件1 1 = = 2 2 。频率响应频率响应 由于探测器存在惰

21、性当用一定振幅的正弦调制由于探测器存在惰性当用一定振幅的正弦调制光照射探测器时，若调制频率低，则响应度与调光照射探测器时，若调制频率低，则响应度与调制频率无关；若频率高。响应度就随频率升高而制频率无关；若频率高。响应度就随频率升高而降低。探测器的响应度与调制频率的关系是：降低。探测器的响应度与调制频率的关系是： 式中，式中，S S0 0为调制频率为调制频率f=0f=0时的响应度，时的响应度，f f为调制频率。为调制频率。当调制频率升高时，当调制频率升高时，S S（t t）就下降，一般规定）就下降，一般规定S S（f fc c）= S= S0 0/1.414/1.414时的调制频率时的调制频率f

22、 fc c为探测器的响应为探测器的响应频率。即频率。即f fc c=1/2=1/2。 由此可以看出，响应时间由此可以看出，响应时间和响应频率是从不同角度来表征探测器的动态特和响应频率是从不同角度来表征探测器的动态特性。性。2)2(10)(fSfS5 5等效噪声功率和探测率等效噪声功率和探测率 如果入射到探测器上的光功率或辐通量按某如果入射到探测器上的光功率或辐通量按某一频率变化，当探测器输出信号电流一频率变化，当探测器输出信号电流I Is s ( (或电或电压压V Vs s) )等于噪声的均方根电流等于噪声的均方根电流( (或电压或电压) )时，所对时，所对应的入射光功率应的入射光功率P P或

23、辐通量或辐通量e e称为等效噪声功称为等效噪声功率率NEPNEP。即。即 NEP=P/NEP=P/（U Us s/U/Un n）= U= Un n /R /Ru u 或或 NEP=NEP=e e/ /（U Us s/U/Un n） NEP=P/NEP=P/（I Is s/I/In n）= I= In n /S /Sd d 或或 NEP=NEP=e e/ /（I Is s/I/In n）式中，（式中，（U Us s/U/Un n）、（）、（I Is s/I/In n）分别称为电压和电）分别称为电压和电流信噪比。显然，流信噪比。显然，NEPNEP值越小越好，这是表示值越小越好，这是表示光电探测器探

24、测能力的重要参数。一个较好的光电探测器探测能力的重要参数。一个较好的光电探测器的等效噪声功率约为光电探测器的等效噪声功率约为1010-11-11瓦左右。瓦左右。6 6线性度线性度 线性是指探测器的输出光电流或电压与输入的光功线性是指探测器的输出光电流或电压与输入的光功率或辐通量成比例的程度和范围。探测器线性的下限率或辐通量成比例的程度和范围。探测器线性的下限往往由暗电流和噪声等因素决定的，而上限通常由饱往往由暗电流和噪声等因素决定的，而上限通常由饱和效应或过载决定的。和效应或过载决定的。 实际上实际上, ,探测器的线性范围的大小与其工作状态有探测器的线性范围的大小与其工作状态有很大的关系。如偏

25、置电压、光信号调制频率、信号输很大的关系。如偏置电压、光信号调制频率、信号输出电路等，可能会发生这样的情况：一个探测器的光出电路等，可能会发生这样的情况：一个探测器的光电流信号用运算放大器作电流电压转换输出，在很大电流信号用运算放大器作电流电压转换输出，在很大的范围内是线性的，而同一探测器，其光电流通过一的范围内是线性的，而同一探测器，其光电流通过一只只100kQ100kQ的电阻输出，线性范围可能就很小。因此要的电阻输出，线性范围可能就很小。因此要获得宽的线性范围，必须使探测器工作在最佳的工作获得宽的线性范围，必须使探测器工作在最佳的工作状态。状态。 探测器的线性在光度和辐射度等测量中是一个十

26、分探测器的线性在光度和辐射度等测量中是一个十分重要的参数。重要的参数。7 7、光电探测器的噪声、光电探测器的噪声什么是噪声？什么是噪声？ 通常把噪声这个随机的时间函数进行傅氏频谱分析，得通常把噪声这个随机的时间函数进行傅氏频谱分析，得到噪声功率随频率变化关系，这就是噪声的功率谱到噪声功率随频率变化关系，这就是噪声的功率谱s(f)s(f)。根据噪声的功率谱与频率的关系，常见有两种典型情况：根据噪声的功率谱与频率的关系，常见有两种典型情况：一种是功率谱大小与频率无关的噪声，通常称为白噪一种是功率谱大小与频率无关的噪声，通常称为白噪声；一种噪声是功率谱与声；一种噪声是功率谱与1/f1/f成正比，称为

27、成正比，称为1/f 1/f 噪声。噪声。图图 信号的随机起伏信号的随机起伏 图图 白噪声和白噪声和1/f噪声噪声 一般光电检测系统的噪声可分为三类：一般光电检测系统的噪声可分为三类：（1 1）光子噪声）光子噪声包括：包括：A.A.信号辐射产生的噪声；信号辐射产生的噪声；B.B.背景辐射产生的噪声。背景辐射产生的噪声。（2 2）探测器噪声）探测器噪声包括：热噪声；散粒噪声；产生包括：热噪声；散粒噪声；产生复合噪声；复合噪声； 1/f 1/f 噪声；噪声；温度噪声。温度噪声。（3 3）信号放大及处理电路噪声）信号放大及处理电路噪声 图 光电测量系统噪声分类p热噪声热噪声( (又称电阻噪声或白噪声又

28、称电阻噪声或白噪声) ) 凡有功耗电阻的元件都有热噪声，它来源于电阻内部自凡有功耗电阻的元件都有热噪声，它来源于电阻内部自由电子或电荷载流子的不规则的热骚动。热噪声与温度由电子或电荷载流子的不规则的热骚动。热噪声与温度T T成正比；与测量仪器的电子带宽成正比；与测量仪器的电子带宽ff成正比，与频率无成正比，与频率无关。关。热噪声均方电流热噪声均方电流I In n2 2和热噪声均方电压和热噪声均方电压V Vn n2 2分别由下式决定分别由下式决定 I In n2 24KTf/R4KTf/R V Vn n2 24KTf.R4KTf.R式中式中:K:K是玻尔兹曼常数；是玻尔兹曼常数；T T是温度是温

29、度(K)(K)；R R是器件电阻值；是器件电阻值；ff为所取的通带宽度为所取的通带宽度( (频率范围频率范围) )。因此，所取的带宽。因此，所取的带宽愈大，噪声功率也愈大。当然并不是带宽无限增大，噪愈大，噪声功率也愈大。当然并不是带宽无限增大，噪声功率也会无限增大。在常温下，上式只适合于声功率也会无限增大。在常温下，上式只适合于10101212HzHz频率以下范围。频率以下范围。 p散粒噪声散粒噪声 一种由电子或光生载流子的粒子性所引起的噪声。一种由电子或光生载流子的粒子性所引起的噪声。对于内光电效应探测器对于内光电效应探测器:(1):(1)光生载流子光生载流子( (电子，空电子，空穴对穴对)

30、 )的产生和复合过程的随机性，每一瞬时通过的产生和复合过程的随机性，每一瞬时通过PNPN结的载流子数总有微小的不规则起伏，使探测器结的载流子数总有微小的不规则起伏，使探测器的输出电流也随之起伏，引起散粒噪声。的输出电流也随之起伏，引起散粒噪声。(2)(2)此外，此外，光辐射中光子到达率的起伏在某些探测器光电转换光辐射中光子到达率的起伏在某些探测器光电转换后也表现为散粒噪声。散粒噪声由下式决定：后也表现为散粒噪声。散粒噪声由下式决定： I In n2 22eif2eif 式中：式中：i i为器件输出平均电流。为器件输出平均电流。可以看出，散粒噪声是与频率无关，与带宽有关的白可以看出，散粒噪声是与

31、频率无关，与带宽有关的白噪声。噪声。p产生产生复合噪声复合噪声 在平衡状态时，载流子产生和复合的平均在平衡状态时，载流子产生和复合的平均数是一定的，但其瞬间载流子的产生数和复合数数是一定的，但其瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的，于是载流子浓度的起伏引起光电器是有起伏的，于是载流子浓度的起伏引起光电器件电导率起伏。在外加电压下，电导率的起伏使件电导率起伏。在外加电压下，电导率的起伏使输出电流中带有产生复合噪声。输出电流中带有产生复合噪声。如果频率低，满足如果频率低，满足w1w1时，时， 222241)/(4ffeIicnfeIicn)/(42p 1/f 1/f噪声（电流噪声）噪声（电流噪声）

32、 因导电元件内微粒的不均匀性和不因导电元件内微粒的不均匀性和不必要的微量杂质存在，当电流流过时，在元件必要的微量杂质存在，当电流流过时，在元件微粒间发生微火化放电而引起的微电爆脉冲就微粒间发生微火化放电而引起的微电爆脉冲就是是1/f1/f噪声的起源。噪声的起源。 1/f1/f噪声的经验公式为噪声的经验公式为: : ffCIin2p温度噪声温度噪声 温度噪声主要存在于热探测器中。在热探测器中，温度噪声主要存在于热探测器中。在热探测器中，不是由于辐射信号的变化，而是由器件本身吸收和传导不是由于辐射信号的变化，而是由器件本身吸收和传导等的热交换引起的温度起伏称为温度噪声，其表达式为等的热交换引起的温

33、度起伏称为温度噪声，其表达式为 式中，式中，G Gt t为器件的热导；为器件的热导；t tC Ct t/ /G Gt t是器件的热时间常是器件的热时间常数，数，C Ct t是器件的热容；是器件的热容；T T是周围温度（是周围温度（K K）。）。 在低频时，在低频时， 11， 温度噪声也具有白噪声的性质。温度噪声也具有白噪声的性质。)2(1 4222ttnfGfKTI22）（tftnGfKTI224光敏电阻与其它半导体光电器件相比有以下特点：光敏电阻与其它半导体光电器件相比有以下特点： 光谱响应范围相当宽，根据光电导材料的不同，光光谱响应范围相当宽，根据光电导材料的不同，光谱响应范围可从紫外、可

34、见光、近红外扩展到远红外，谱响应范围可从紫外、可见光、近红外扩展到远红外，尤其是对红光和红外辐射有较高的响应度。尤其是对红光和红外辐射有较高的响应度。工作电流工作电流大，可达数毫安。大，可达数毫安。 所测的光强范围宽，既可测强光，也可测弱光。所测的光强范围宽，既可测强光，也可测弱光。 灵敏度高，光电导增益大于一。灵敏度高，光电导增益大于一。 偏置电压低，无极性之分，使用方便。偏置电压低，无极性之分，使用方便。 光敏电阻的不足之处是：在强光照射下光电转换线性光敏电阻的不足之处是：在强光照射下光电转换线性较差；光电弛豫过程较长；频率响应很低。因此它的使较差；光电弛豫过程较长；频率响应很低。因此它的

35、使用受到一定限制。用受到一定限制。 3.33.3光电导器件光电导器件u光电导效应：光电导效应：入射光强改变物质导电率的物理现象称光电效应。入射光强改变物质导电率的物理现象称光电效应。这种效应几乎所有高电阻这种效应几乎所有高电阻率半导体都有，为使电子从率半导体都有，为使电子从价带激发到导带，入射光子价带激发到导带，入射光子的能量的能量E E0 0应大于禁带宽度应大于禁带宽度EgEg。基于光电导效应的光电器件基于光电导效应的光电器件有有光敏电阻光敏电阻。一、光电导效应一、光电导效应（1 1）定义）定义图图33 光电导过程光电导过程（2 2）光电导效应分类）光电导效应分类分为本征型和杂质型两类分为本

36、征型和杂质型两类（3 3）本征型的长波限条件由禁带宽度本征型的长波限条件由禁带宽度EgEg决定，决定，（光子的能量，取决于半导体材料的禁带宽度（光子的能量，取决于半导体材料的禁带宽度Eg =EEg =E1 1-E-E0 0，放出的能量越大，发出的光辐射波，放出的能量越大，发出的光辐射波长就越短），即长就越短），即gEhc0当光子的能量等于或大于当光子的能量等于或大于EgEg时，才能释时，才能释放出电子放出电子空穴对，释放的多少，与材空穴对，释放的多少，与材料的反射系数，吸收系数和厚度有关。料的反射系数，吸收系数和厚度有关。（4 4）杂质型）杂质型杂质型杂质型光电导效应则是能量足够大的光杂质型杂

37、质型光电导效应则是能量足够大的光子使施主能级中的电子或受主能级中的空穴跃子使施主能级中的电子或受主能级中的空穴跃迁到导带或价带，从而使电导增加。迁到导带或价带，从而使电导增加。此时长波限由杂质的电离能此时长波限由杂质的电离能E Ei i决定，因为决定，因为E Ei i EEg g，所以杂质型光电导的长波限比本征型光，所以杂质型光电导的长波限比本征型光电导的要长得多。电导的要长得多。（5 5）光电导的弛豫现象）光电导的弛豫现象 光辐射入射到本征或非本征半导体材料上，开始时光辐射入射到本征或非本征半导体材料上，开始时随时间的增加光生载流子逐渐增加，经过一定时间后，随时间的增加光生载流子逐渐增加，经

38、过一定时间后，载流子浓度才逐渐趋于一稳定值。此后，若突然遮断入载流子浓度才逐渐趋于一稳定值。此后，若突然遮断入射的光辐射，光生载流子并不立即下降到照射前的水平，射的光辐射，光生载流子并不立即下降到照射前的水平，而是经过一定时间才趋于照射前的水平，这种现象称为而是经过一定时间才趋于照射前的水平，这种现象称为光电导的弛豫现象光电导的弛豫现象。光电导的弛豫时间或时间常数光电导的弛豫时间或时间常数 光辐射入射到本征或非本征半导体材料上，建立稳光辐射入射到本征或非本征半导体材料上，建立稳定的光生载流子浓度所需要的时间，或停止照射后光生定的光生载流子浓度所需要的时间，或停止照射后光生载流子浓度下降到照射前

39、的水平所需要的时间载流子浓度下降到照射前的水平所需要的时间（a a）上升）上升 （b b）下降）下降图图3-4 3-4 本征光电导上升和下降的弛豫过程本征光电导上升和下降的弛豫过程 光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，其结光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，其结构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。膜。 光敏电阻结构及符号光敏电阻结构及符号 二、光敏电阻的工作原理二、光敏电阻的工作原理 本征型光敏电阻的长波限为：本征型光敏电阻的长波限为： =hc/Eg=

40、1240/Eg=hc/Eg=1240/Eg掺杂型光敏电阻：掺杂型光敏电阻： = hc/= hc/ E=1240/ E=1240/ E E 由于由于 EEgEEg，因此，因此掺杂型光敏电阻的长波掺杂型光敏电阻的长波限远大于本征型光敏电阻限远大于本征型光敏电阻光敏电阻也有两种类型本征型半导体光敏光敏电阻也有两种类型本征型半导体光敏电阻和掺杂型半导体光敏电阻。电阻和掺杂型半导体光敏电阻。光敏电阻工作原理图及其符号光敏电阻工作原理图及其符号: : 实际光敏电阻实际光敏电阻光敏电阻光照特性光敏电阻光照特性: 无光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值；无光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值；

41、 有光照时，电阻值随光强增加而降低；有光照时，电阻值随光强增加而降低； 光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。光敏电阻主要参数光敏电阻主要参数: 暗电阻暗电阻无光照时的电阻；无光照时的电阻； 暗电流暗电流无光照时的电流；无光照时的电流； 亮电阻、亮电流亮电阻、亮电流受光照时的阻值、电流；受光照时的阻值、电流； 光电流光电流亮电流与暗电流之差称亮电流与暗电流之差称光光电流电流 。三、光敏电阻的主要特性三、光敏电阻的主要特性三、光敏电阻的主要特性三、光敏电阻的主要特性 光电导增益光电导增益一个自由载流子的寿命与该一个自由载流子的寿命与该载流子在

42、光敏电阻两极间的载流子在光敏电阻两极间的有效渡越时间之比，即有效渡越时间之比，即 式中，式中，A A为光电导增益；为光电导增益；为为器件的时间响应；器件的时间响应； drdr为载流为载流子在两极间的渡越时间。子在两极间的渡越时间。A A= = / / drdr 载流子的平均寿命载流子的平均寿命大于有效渡越时间，大于有效渡越时间，增益就可大于增益就可大于1 1。提高载流子寿命，减提高载流子寿命，减小电极间的间距小电极间的间距L L，适，适当提高工作电压当提高工作电压U Ub b，对，对提高提高A A值和响应度有利。值和响应度有利。如果如果L L减得太小，使受减得太小，使受光面太小，也是不利光面太

43、小，也是不利的，一般的，一般A A值可达值可达10103 3数数量级。量级。电极做成梳状，既增电极做成梳状，既增大面积，又减小电极大面积，又减小电极间距，从而减小渡越间距，从而减小渡越时间。时间。三、光敏电阻的主要特性三、光敏电阻的主要特性 光敏电阻的光电特性和光照指数光敏电阻的光电特性和光照指数光敏电阻的光电流与入射通光敏电阻的光电流与入射通量之间的关系称为光电特性。量之间的关系称为光电特性。drPhqI)()(当弱光照射时，当弱光照射时， d dr r不变，不变，I IP P（）与）与 （）成正比，即保）成正比，即保持线性关系；当强光照射时，持线性关系；当强光照射时，与光电子浓度有关，与光

44、电子浓度有关， drdr也会随电也会随电子浓度变大，或出现温升而产生子浓度变大，或出现温升而产生变化，故变化，故I IP P（）与）与 （）偏）偏离线性而呈非线性。离线性而呈非线性。 图图3-6 CdS3-6 CdS的光电流照度特性曲线的光电流照度特性曲线三、光敏电阻的主要特性三、光敏电阻的主要特性 光敏电阻的光电特性和光照指数光敏电阻的光电特性和光照指数式中，式中，SgSg是光电导灵敏度，与光敏电阻材料有是光电导灵敏度，与光敏电阻材料有关；关；U U为外加电源电压；为外加电源电压；为入射光通量；为入射光通量；E E为为入射光照度。入射光照度。 为为0.50.51 1之间的系数，弱光照射之间的

45、系数，弱光照射时，时， 1 1，I Ip p与与有良好的线性关系，即线性有良好的线性关系，即线性光电导；强光照射时，光电导；强光照射时， 0.50.5，即抛物线性光，即抛物线性光电导。电导。UESIUSIgPgP)()(或三、光敏电阻的主要特性三、光敏电阻的主要特性 光谱特性光谱特性 光敏电阻灵敏度与入射波长有关光敏电阻灵敏度与入射波长有关; ; 光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关，光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关，材料与相对灵敏度峰位波长材料与相对灵敏度峰位波长例图：例图：硫化镉（硫化镉（CdSCdS）0.30.30.8(m)0.8(m)硫化铅（硫化铅（PbSPbS）1.01.03.5

46、(m)3.5(m)锑化铟（锑化铟（InSbInSb）1.01.07.3(m)7.3(m) 三、光敏电阻的主要特性三、光敏电阻的主要特性 光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性光谱响应率光谱响应率 光敏器件对某个波长光辐射的响应度或灵敏光敏器件对某个波长光辐射的响应度或灵敏度叫做单色灵敏度或光谱灵敏度。而把光谱灵度叫做单色灵敏度或光谱灵敏度。而把光谱灵敏度随波长变化的关系曲线叫做光谱响应或光敏度随波长变化的关系曲线叫做光谱响应或光谱特性。谱特性。 还可以用光谱响应率来表征光谱特性。光谱响还可以用光谱响应率来表征光谱特性。光谱响应率表示在某一特定波长下，输出光电流（或应率表示在某一特定波长下，输出光

47、电流（或电压）与入射辐射能量之比，输出光电流：电压）与入射辐射能量之比，输出光电流：drPhqAhqqNAI)()()(三、光敏电阻的主要特性三、光敏电阻的主要特性光敏电阻的光谱响应率与光敏电阻的光谱响应率与A A成正比；成正比；光敏电阻的光谱响应速度与光敏电阻的光谱响应速度与A A成反比。成反比。AhcqhcqhqISdrdrP)()()(-表示入射的单色辐射功率表示入射的单色辐射功率 （ ）能产生）能产生N N个光电子的量子效率。则光谱响应率：个光电子的量子效率。则光谱响应率：三、光敏电阻的主要特性三、光敏电阻的主要特性三、光敏电阻的主要特性三、光敏电阻的主要特性 光敏电阻的时间和特性光敏

48、电阻的时间和特性1-1-硒硒 2-CdS 3-TeS 4-PbS2-CdS 3-TeS 4-PbS图图3-10 3-10 几种光敏电阻的频率特性曲线几种光敏电阻的频率特性曲线 光敏电阻是依靠非平光敏电阻是依靠非平衡载流子效应工作的。衡载流子效应工作的。光生载流子的产生或光生载流子的产生或者复合都要经过一段者复合都要经过一段时间，而且时间常数时间，而且时间常数比较大，所以其上限比较大，所以其上限频率频率f f上上低。低。 截止频率：截止频率：f f3dB3dB=1/2=1/2光敏电阻采用交变光照光敏电阻采用交变光照时，其输出将随入射光时，其输出将随入射光频率的增加而减少。频率的增加而减少。 在忽

49、略外电路时间常数的影响时，响应时间在忽略外电路时间常数的影响时，响应时间等于光生载流子的平均寿命等于光生载流子的平均寿命。 增大增大可提高器件的响应率，但器件的响应可提高器件的响应率，但器件的响应时间却增加，影响器件的高频性能。时间却增加，影响器件的高频性能。 而光照、温度等外界条件的变化又都会影响而光照、温度等外界条件的变化又都会影响载流子的寿命，因此，光照、温度的变化同样直载流子的寿命，因此，光照、温度的变化同样直接影响光敏电阻的响应率和响应时间。接影响光敏电阻的响应率和响应时间。 三、光敏电阻的主要特性三、光敏电阻的主要特性光敏电阻的时间和特性光敏电阻的时间和特性三、光敏电阻的主要特性三

50、、光敏电阻的主要特性 伏安特性伏安特性 给定偏压给定偏压 光照越大光电流越大；光照越大光电流越大； 给定光照度给定光照度 电压越大光电流越大；电压越大光电流越大； 光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性 曲线不弯曲、无饱和，曲线不弯曲、无饱和， 但受最大功耗限制。但受最大功耗限制。 光敏电阻伏安特性光敏电阻伏安特性三、光敏电阻的主要特性三、光敏电阻的主要特性 温度特性温度特性 温度变化影响温度变化影响光敏电阻的灵敏度、光敏电阻的灵敏度、暗电流和光谱响应、暗电流和光谱响应、峰值响应波长、长峰值响应波长、长波限等参数波限等参数。 光敏电阻温度特性光敏电阻温度特性为了提高光敏电阻性能的稳定性，为了提高

51、光敏电阻性能的稳定性，降低噪声和提高探测率，就十分必降低噪声和提高探测率，就十分必要采用冷却装置。要采用冷却装置。 具有光电导性能的半导体材料很多，但能够满足光具有光电导性能的半导体材料很多，但能够满足光敏电阻的各项要求而又能实际应用的敏电阻的各项要求而又能实际应用的 却不多。却不多。 光敏电阻若按照它的光谱特性及最佳工作波长范围，光敏电阻若按照它的光谱特性及最佳工作波长范围，基本上可分为三类：基本上可分为三类： 对紫外光灵敏的光敏电阻，如硫化镉对紫外光灵敏的光敏电阻，如硫化镉(CdS)(CdS)和硒化镉和硒化镉(CdSe)(CdSe)等；等； 对可见光灵敏的光敏电阻，如硫化铊对可见光灵敏的光

52、敏电阻，如硫化铊 (TiS)(TiS)，硫化，硫化镉镉(CdS)(CdS)和硒化镉和硒化镉(CdSe)(CdSe)等；等； 对红外光灵敏的光敏电阻如硫化铅对红外光灵敏的光敏电阻如硫化铅(PbS)(PbS)、碲化铅、碲化铅 (PbTe)(PbTe)、硒化铅、硒化铅(PbSe)(PbSe)和碲化铟和碲化铟(InSb)(InSb)，碲镉汞，碲镉汞(Hg(Hg1-1-x xCdCdx xTe)Te)，碲锡铅，碲锡铅(Pb(Pb1-x1-xSnSnx xTe)Te)和锗掺杂等。和锗掺杂等。下面介绍几种常用的光敏电阻。下面介绍几种常用的光敏电阻。四、几种常用的光敏电阻四、几种常用的光敏电阻1 1、硫化镉、

53、硫化镉CdSCdS和硒化镉和硒化镉CdSeCdSe光敏电阻光敏电阻 硫化镉和硒化镉（硫化镉和硒化镉（CdSCdS和和CdSeCdSe）是可见光区用得较多的两种光）是可见光区用得较多的两种光敏电阻；它的光谱响应如图所示。敏电阻；它的光谱响应如图所示。CdSCdS光敏电阻的特点是它的峰光敏电阻的特点是它的峰值波长很接近人眼最敏感的值波长很接近人眼最敏感的 555nm555nm波长，可用于视觉亮度有关波长，可用于视觉亮度有关的测量和底片曝光方面的测量。的测量和底片曝光方面的测量。特点：有很高的响应度，性价比高。特点：有很高的响应度，性价比高。缺点：受单晶大小的限制，受光面积小，响应时间与光照强度缺点

54、：受单晶大小的限制，受光面积小，响应时间与光照强度有关随着光照强度减弱响应时间也增加。有关随着光照强度减弱响应时间也增加。 CdSCdS光敏电阻的响应度为光敏电阻的响应度为50A/Im50A/Im（安（安/ /流明），响应时间为毫流明），响应时间为毫秒至秒，响应波长为秒至秒，响应波长为0.30.8um0.30.8um。CdSeCdSe光敏电阻比光敏电阻比CdSCdS光敏电阻波长稍长些。它的响应度为光敏电阻波长稍长些。它的响应度为50A50AImIm 响应时间为响应时间为500us500us至至1s1s。工作波长范围为。工作波长范围为 0.30.4um 0.30.4um 。四、几种常用的光敏电阻

55、四、几种常用的光敏电阻2 2、硫化铅、硫化铅PbSPbS和硒化铅和硒化铅PbSePbSe光敏电阻光敏电阻 多为多晶薄膜型，以多为多晶薄膜型，以PbSPbS光敏电阻使用最多。光敏电阻使用最多。 多晶多晶PbSPbS光敏电阻工作原理光敏电阻工作原理 当光照当光照PbSPbS薄膜时，无论是薄膜时，无论是P P区还是区还是N N区吸收能量大于区吸收能量大于PbSPbS禁带宽度禁带宽度EgEg的光子，产生本征激发，电子跃迁到导带价带中出现空穴，光生载流的光子，产生本征激发，电子跃迁到导带价带中出现空穴，光生载流子漂移到晶粒间子漂移到晶粒间PNPN结附近与构成势垒的部分空间电荷中和，从而降低结附近与构成势

56、垒的部分空间电荷中和，从而降低势垒高度，使原来被陷的载流子（势垒高度，使原来被陷的载流子（N N区导带中的电子、区导带中的电子、P P区价带中的空区价带中的空穴）释放出来，从而提高载流子的迁移率，产主较大的光电导率。穴）释放出来，从而提高载流子的迁移率，产主较大的光电导率。 温度对光电导的影响也很大，薄膜所处的温度越高，热激发的裁流温度对光电导的影响也很大，薄膜所处的温度越高，热激发的裁流子就越多。降低温度可以提高光敏电阻的响应度。子就越多。降低温度可以提高光敏电阻的响应度。 性性 能能 PbSPbS光敏电阻响应波长为光敏电阻响应波长为1.01.0一一3.5um3.5um，峰值，峰值2.4um

57、2.4um左右，在冷却到干左右，在冷却到干冰温度时（冰温度时（195K195K） 时，光谱响应为时，光谱响应为14um14um，峰值，峰值2.8um2.8um，探测度可提，探测度可提高近一个数量级高近一个数量级, ,响应时间一般为响应时间一般为100300us100300us。四、几种常用的光敏电阻四、几种常用的光敏电阻3 3、锑化铟、锑化铟InSbInSb和砷化铟和砷化铟InAsInAs光敏电阻光敏电阻 锑化铟锑化铟InSbInSb光敏电阻为单晶半导体，光激发光敏电阻为单晶半导体，光激发是本征型的。它主要被用于探测大气第二个红外是本征型的。它主要被用于探测大气第二个红外透过窗口波长透过窗口波

58、长35um35um，常温下长波限可达，常温下长波限可达7.3um7.3um；冷却到冷却到77K77K时，长波限为时，长波限为5.4um5.4um（主要是材料禁带（主要是材料禁带宽度变宽）。通常工作于低温状态，它也能做成宽度变宽）。通常工作于低温状态，它也能做成多元列阵。多元列阵。 砷化铟砷化铟InAsInAs光敏电阻在致冷到光敏电阻在致冷到196K196K时，长波时，长波限能达到限能达到4um4um，峰值波长，峰值波长3.2um3.2um。四、几种常用的光敏电阻四、几种常用的光敏电阻4 4、杂质光电导探测器、杂质光电导探测器 杂质光电导探测器是基于非本征光电导效它的光敏电杂质光电导探测器是基于

59、非本征光电导效它的光敏电阻。目前已制成许多锗、硅及锗硅金的杂质红外光电导阻。目前已制成许多锗、硅及锗硅金的杂质红外光电导器件，它们都工作于远红外区器件，它们都工作于远红外区840um840um波段。波段。 由于杂质光电导器件中施主和受主的电离能由于杂质光电导器件中施主和受主的电离能EE一般比一般比本征半导体禁带宽度本征半导体禁带宽度EgEg小得多，所以响应波长比本征光小得多，所以响应波长比本征光电导器什要长，相比来说，杂质原子的浓度比材料本身电导器什要长，相比来说，杂质原子的浓度比材料本身原子的浓度要小很多，在温度较高时，热激发载流子的原子的浓度要小很多，在温度较高时，热激发载流子的浓度很高，

60、为使光照时在杂质能级上激发出较多的载流浓度很高，为使光照时在杂质能级上激发出较多的载流子，所以杂质光电导器件都必须工子，所以杂质光电导器件都必须工泎泎于低温状态。具体于低温状态。具体实现的方法是把器件装在杜瓦瓶中。杜瓦瓶有玻璃结构实现的方法是把器件装在杜瓦瓶中。杜瓦瓶有玻璃结构和金属结构两种。和金属结构两种。 杂质光电导探测器的工作温度及性能参数列表杂质光电导探测器的工作温度及性能参数列表3333中其中以锗掺铜中其中以锗掺铜(Cu(Cu，Ge)Ge)和锗掺汞和锗掺汞(Hg(Hg，Ge)Ge)响应时间响应时间短探测度高，使用较多。短探测度高，使用较多。四、几种常用的光敏电阻四、几种常用的光敏电阻