第03章-光电导探测器

数码相机为什么能实现自动曝光？数码相机NIKON5第03章光电导探测器利用半导体光电导效应制成的器件称为光电导探测器，简称PC（Photoconductive）探测器－－又称为光敏电阻。特点：

①光谱响应：紫外－－远红外

②工作电流大，可达数毫安

③可测强光，可测弱光

④灵敏度高，光电导增益大于1⑤无极性之分

hυ≥Eg

将产生光电子激发,如图硅:Eg=1.12ev锗:Eg=0.67ev

λ0=1.1μmλ0=1.85μm杂质吸收EcEvEdEcEaEv施主受主EvEcEg本征吸收电子空穴

Si:P(施主)△Ed=0.045evλ0=29μm

Si:IN(受主)△Ea=0.14evλ0=8μm

主要应用于红外探测

本征半导体掺杂半导体光照１一定温度下：δ0＝q(n0μn+p0μp)(n0

和p0为一定温度下的载流子浓度)２光照情况下：△δ＝（△nμn＋△pμp）(△n和△p为光生载流子浓度)δ＝δ0＋△δ

即：光照→△δ→δ↑→R↓光照半导体材料第03章光电导探测器3.1材料结构原理3.2主要特性参数3.3偏置电路和应用3.1材料结构原理3.1.1材料及分类Ⅲ－Ⅳ、Ⅲ－V族化合物，硅、锗以及一些有机物等本征型光敏电阻：杂质型光敏电阻：注意杂质型：1.常用N型2.极低温度下工作

杂质型光敏电阻：极低温度下工作???以N型为例：EcEvEdΔEd＝Ec－Ed<<EgEgΔEd2.常温--杂质原子束缚电子或空穴已被热激发成自由态作为暗电导率的贡献量。长波光照,已无束缚电子或束缚空穴供光激发用，即光电导Δσ为零或很微弱。1.杂质原子浓度远比基质原子浓度低得多。3.1材料结构原理3.1.2光照下的光电导响应过程光电导响应的两个基本结论：（1）弱光照——响应时间为常数（等于载流子寿命），稳态光电导与光生载流子的产生率成线性关系。（2）强光照——响应时间是光照的函数，稳态光电导与入射辐射通量平方根成正比关系。阶跃光照时光电导响应：正弦光照时光电导响应：上限截止频率：（频域）响应时间：（时域）光电导响应速度3.1.2.光照下的光电导响应过程3.1.3结构和原理3.1材料结构原理设样品为N型材料任务：1.导出电流表达式光电导探测器平均光电流由此可得到两个结论：(1).光电导探测器为受控恒流源

(2).光电导探测器光敏面做成蛇形3.1.3结构和原理光电导探测器平均光电流(1).光电导探测器为受控恒流源

微变等效电路光电阻Rp0--平均光照时光敏电阻的阻值U--光电阻Rp0上的分电压。利用该等效电路可方便地计算光电导探测器接受交变辐射时的输出信号。使用条件：光通量变化较小3.1.3结构和原理结构在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。3.1.3结构和原理三种结构形式3.1.3结构和原理梳型结构在玻璃基底上面蚀刻成互相交叉的梳状槽，在槽内填入黄金或石墨等导电物质，在表面再敷上一层光敏材料。如图所示。三种结构形式3.1.3结构和原理蛇形结构如图，光电导材料制成蛇形，光电导两侧为金属导电材料，并在其上设置电极。三种结构形式3.1.3结构和原理刻线结构在玻璃基片上镀制一层薄的金属箔，将其刻划成栅状槽，然后在槽内填入光敏电阻材料层后制成。其结构如下图所示。三种结构形式3.1.3结构和原理光电导探测器平均光电流(1).光电导探测器为受控恒流源

(2).光电导探测器光敏面做成蛇形－－光电流Ip与长度lz的平方成反比3.1.3结构和原理光敏电阻结构示意图3.1.3结构和原理第03章光电导探测器3.1材料结构原理3.2主要特性参数3.3偏置电路和应用3.2主要特性参数3.光电特性和γ值2.光电导灵敏度1.光电导增益9.噪声特性5.频率特性7.温度特性8.前历效应6.光谱特性4.伏安特性1.光电导增益－－光电导探测器的内增益，也称为光电导增益提高M值减少电极间的间距L适当提高工作电压

3.2主要特性参数2.光电导灵敏度弱光，光电导灵敏度：

S/1m，S/1xS/μW，S/μW/cm23.2主要特性参数注意：灵敏度与光电增益的区别（1）灵敏度是光电导体在光照下产生光电导能力的大小。（2）增益指在工作状态下，各参数对光电导效应的增强能力。材料特性结构参数3.2主要特性参数3.光电特性和γ值光敏电阻的光电流与入射光通量（光照度）之间的关系称光电特性3.2主要特性参数暗电阻：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流—暗电流。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。此时流过的电流—亮电流。光电流：亮电流与暗电流之差。3.光电特性和γ值光敏电阻的光电流与入射光通量（光照度）之间的关系称光电特性Sg比例系数，与材料有关α为电压指数，～1γ＝

0.5~1－－照度指数强光－－γ为0.5弱光－－γ为1弱光－－线性（测量）强光－－非线性（控制）

3.2主要特性参数照度指数γ值实用的光电特性参数：暗电阻～MΩ亮电阻～KΩ3.2主要特性参数4.伏安特性

(1)光敏电阻为纯电阻，符合欧姆定律。(2)光照使光敏电阻发热，使得在额定功耗内工作，其最高使用电压由其耗散功率所决定，而功耗功率又和其面积大小、散热情况有关。(3)伏安特性曲线和负载线的交点即为光敏电阻的工作点。

在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所加的电压关系3.2主要特性参数5.频率特性3.2主要特性参数光电导探测器总的响应时间由探测器本身响应时间决定，与外接负载电阻大小无关。响应时间：

1.光－电载流子平均寿命

2.外接电路的时间常数

5.频率特性3.2主要特性参数LoadresistanceRL/

1001kl0k100kResponsetimetr/ms5.45.55.45.4CdSe光电导探测器：光电导探测器总的响应时间由探测器本身响应时间决定，与外接负载电阻大小无关。5.频率特性

最高频率

~104HZ≈10KHZ响应时间~ms量级3.2主要特性参数响应时间：

1.光－电载流子平均寿命

（较大）

2.外接电路的时间常数（可忽略）光电导探测器的频率特性差，不适于接收高频光信号。C6.光谱特性

峰值波长在515～600nm，接近555nm，可用于与人眼有关的仪器，例如照相机、照度计、光度计等，加滤光片进行修正3.2主要特性参数可见光区灵敏的几种光敏电阻6.光谱特性红外区灵敏的几种光敏电阻3.2主要特性参数6.光谱特性3.2主要特性参数每一种器件都有特定的光谱响应波段。常用的光电导探测器组合起来后可以覆盖从可见光、近红外、中红外延伸至极远红外波段的光谱响应范围常用光电导探测器的光谱响应示意图可见光近红外中红外远红外近中紫外波长增大依据图3－10、3－11，表3－2、3－3

7.温度特性

3.2主要特性参数光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。随着温度的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化也会影响光谱特性曲线。例如：硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰值将向短波方向移动。尤其是红外探测器要采取制冷措施8．前历效应

指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种现象。即测试前光敏电阻所处状态对光敏电阻特性的影响。

暗态前历效应：指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后光电流上升的快慢程度。一般，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重。

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3.2主要特性参数亮态前历效应：

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。3.2主要特性参数9.噪声特性光敏电阻噪声：减小噪声途径：－－光调制技术－－致冷－－合理偏置电路3.2主要特性参数总结：常用光电导探测器

光电导探测器波长响应范围按工作波长：按材料分，两大类型：本征型光敏电阻

杂质型光敏电阻紫外光响应可见光响应红外光响应紫外光可见光红外－－极远红外光a.

硫化镉（CdS）

光谱响应：0.3μm~0.8μm，峰值波长0.52um，响应时间为数百毫秒。常用于照相机测光。

b.硫化铅（PbS）

光谱响应：1μm~3μm，λP=2.4μm，响应时间t=100~300μs。

致冷(195K干冰)条件下，光谱响应：1~4μm，λP=2.8μm。

c.锑化锢（InSb）

Eg=0.23，适用于3~5μm的大气红外窗口测量。

d.碲镉汞（Hg1-xCdxTe）系列改变HgTe和CdTe化合物的组份，可以得到各种响应波段的红外探测器。如：1~3μm,3~5μm,8~14μm三种三气窗口。

Eg（ev）=1.59x-0.25+5.233×10-4T(1-2.08x)+0.327x3e.掺杂型（锗掺杂）

Ge:Au(77K),3~9μm,t=3ms

Ge:Hg(77K),6~14μm,t=0.1ms

Ge:Zn(4.2K),20~40μm,t=2×10-8s常用的光敏电阻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0.52μm，CdSe光敏电阻为0.72μm，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0.52~0.72μm范围内。PbS光敏电阻

PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件，因此，常用于火灾的探测等领域。

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限将向长波方向延伸，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1~3.5μm，峰值波长为2.4μm，峰值比探测率D*高达1×1011cm·Hz·W-1。当温度降低到（195K）时，光谱响应范围为1~4μm，峰值响应波长移到2.8μm，峰值波长的比探测率D*也增高到2×1011cm·Hz·W-1。

InSb光敏电阻

InSb光敏电阻是3~5μm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7.5μm，峰值波长在6μm附近，比探测率D*约为1×1011cm·Hz·W-1。当温度降低到77K（液氮）时，其长波长由7.5μm缩短到5.5μm，峰值波长也将移至5μm，恰为大气的窗口范围，峰值比探测率D*升高到2×1011cm·Hz·W-1。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4~8μm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。碲镉汞(HgCdTe)系列光敏电阻Hg1-xCdxTex是Cd含量组分，变化范围0.18～0.4，长波限为3～30μmx=0.2，光谱响应8～14μmx=0.28，光谱响应3～5μmx=0.39，光谱响应1～3μm碲镉汞(HgCdTe)系列光敏电阻Hg1-xCdxTe合金法：CdTe

HgTe

x是Cd含量组分，变化范围1.8～0.4，长波限为3～30μmx=0.2，光谱响应8～14μmx=0.28，光谱响应3～5μmx=0.39，光谱响应1～3μm工作温度3.3偏置电路1．基本偏置电路及直流参数的计算2．几种典型的偏置电路3．光敏电阻应用举例3.1.1基本偏置电路及直流参数的计算为使器件正常工作，提供合适的电流或者电压。TRb+VCCcR偏置电路:例如：意义：1.提高探测灵敏度2.降低噪声3.提高频率响应－－偏置电压－－偏置电阻3.3偏置电路基本偏置电路:直流参数计算:1）.计算Ub,RL2）.计算ΔΦ对应的输出电压3.3偏置电路3.1.1基本偏置电路及直流参数的计算1）.计算Ub,RL3.3偏置电路2）.计算ΔΦ对应的输出电压3.3偏置电路1．恒流偏置电路RL>>RP

特点:信噪比高－－弱信号检测3.3偏置电路3.3.2几种典型偏置电路2．恒压偏置电路RL<<RP

特点:输出信号与光敏电阻无关－－更换3.3偏置电路3.3.2几种典型偏置电路光电导效应蛇形光敏面特性参数典型电路

灵敏度高，光电导增益大于1

工作电流大，可达数毫安，无极性之分光谱响应范围宽，尤其对红外有较高的灵敏度所测光强范围宽，可测强光、弱光强光下光电转换线性差光电导弛豫时间长温度影响大特点应用恒流偏置恒压偏置光敏电阻的原理及结构数码相机为什么能实现自动曝光？数码相机NIKON5数码相机NIKON51照明灯的光电控制电路

继电器绕组的直流电阻为RJ使继电器吸合的最小电流为Imin光敏电阻的光电导灵敏度为Sg暗电导go=0应用电路举例CKVDRCdS常闭灯~220V半波整流测光与控制执行控制2火焰探测报警器图所示为采用光敏电阻为探测元件的火焰探测报警器电路图。PbS光敏电阻的暗电阻的阻值为1MΩ，亮电阻的阻值为0.2MΩ(幅照度1mw/cm2下测试)，峰值响应波长为2.2μm，恰为火焰的峰值辐射光谱。

前置放大器VT1集电极电压变化量？3照相机电子快门

图所示为利用光敏电阻构成的照相机自动曝光控制电路，也称为照相机电子快门。

电子快门常用于电子程序快门的照相机中，其中测光器件常采用与人眼光谱响应接近的硫化镉(CdS)光敏电阻。照相机曝光控制电路是由光敏电阻R、开关K和电容C1构成的充电电路，时间检出电路(电压比较器)，三极管T构成的驱动放大电路，电磁铁M带动的开门叶片（执行单元）等组成。

3照相机电子快门

VR=Ubb[1－exp(－t/τ)]

式中τ为电路的时间常数

τ=（RW2+R）C

光敏电阻的阻值R与入射的光照度EV有关

当电容C两端的电压UC充电到一定的电位（VR≥Vth）时，电压比较器的输出电压将由高变低，三极管T截止而使电磁铁断电，快门叶片又重新关闭。

快门的开启时间t可由下式推出

t=（RW2+R）C·ln

Ubb/Vth

设Ubb=12V，Rw1=5.1kΩ，Rw2=8.2kΩ

C1=1uF,CdS的光电导灵敏度为Sg=0.5x10-6S/lx,暗电导g0=5x10-8S，求景物照度为2lx时快门的开启时间？（Uth=1.5V）t=（RW2+R）C·ln

Ubb/Vth

4.台灯自动开关5.用光线控制电扇开关3．光电导探测器噪声主要包括：热噪声、g-r噪声和1／f噪声本章小结：1．利用半导体光电导效应制成的器件称为光电导探测器：

本征光电导探测器和杂质光电导探测器光谱响应范围可从紫外－－远红外波段2．光电流Ip=(eη/hv)MΦ，M－内增益，与器件材料、性质和外加电场大小有关4．上限截止频率fc或响应时间τ，与光电导探测器的光生载流子的平均寿命有关。响应频率仅在几兆赫的数量级。5．偏置电路：恒流电路、恒压电路、交流等效电路例1、在如图所示的电路中，已知Re=3.3kΩ，UW=4V，Ubb=12V；光敏电阻为RP，当光照度为30lx时输出电压为6V，80lx时为9V。（设该光敏电阻在30到100lx之间的值不变）

试求：

输出电压为8V时的照度为多少lx？