第一章光电导探测器演示文稿

第一章光电导探测器演示文稿目前一页\总数八十六页\编于二十二点优选第一章光电导探测器目前二页\总数八十六页\编于二十二点二、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。１、光谱响应率

目前三页\总数八十六页\编于二十二点目前四页\总数八十六页\编于二十二点目前五页\总数八十六页\编于二十二点目前六页\总数八十六页\编于二十二点目前七页\总数八十六页\编于二十二点目前八页\总数八十六页\编于二十二点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。光电导效应：1、欧姆定律：2、漂移速度和迁移率：目前九页\总数八十六页\编于二十二点目前十页\总数八十六页\编于二十二点

1.3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

应用实例目前十一页\总数八十六页\编于二十二点

1.3.1光敏电阻的工作原理和结构目前十二页\总数八十六页\编于二十二点

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。一。光敏电阻工作原理目前十三页\总数八十六页\编于二十二点光敏电阻演示

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）目前十四页\总数八十六页\编于二十二点目前十五页\总数八十六页\编于二十二点M>1的理解光电导内增益

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。目前十六页\总数八十六页\编于二十二点

如何提高M光电导内增益选用平均寿命长、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量级目前十七页\总数八十六页\编于二十二点光敏电阻分类本征型掺杂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EcEvEg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EcEvEg常用于可见光波段测试常用于红外波段甚至远红外测试目前十八页\总数八十六页\编于二十二点光电导器件材料禁带宽度（eV）光谱响应范围（nm）峰值波长（nm）硫化镉（CdS）2.45400～800515～550硒化镉（CdSe）1.74680～750720～730硫化铅（PbS）0.40500～30002000碲化铅（PbTe）0.31600～45002200硒化铅（PbSe）0.25700～58004000硅（Si）1.12450～1100850锗（Ge）0.66550～18001540锑化铟（InSb）0.16600～70005500砷化铟（InAs）0.331000～40003500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。目前十九页\总数八十六页\编于二十二点

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。

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。RG1234567(a)结构

(b)电极

(c)符号CdS光敏电阻的结构和符号目前二十页\总数八十六页\编于二十二点（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。目前二十一页\总数八十六页\编于二十二点光敏电阻实物图

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.目前二十二页\总数八十六页\编于二十二点

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。

1.3.2光敏电阻的主要特性参数目前二十三页\总数八十六页\编于二十二点一、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光谱响应率为由和目前二十四页\总数八十六页\编于二十二点

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。

二、光谱特性目前二十五页\总数八十六页\编于二十二点在红外区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线目前二十六页\总数八十六页\编于二十二点三.噪声特性

热噪声（>1MHz）

产生复合噪声(1kHz～1MHz)

电流噪声（低频）高频

低频

高频

低频

1、噪声及探测率目前二十七页\总数八十六页\编于二十二点１/f热噪声产生复合噪声总噪声ffc0总噪声目前二十八页\总数八十六页\编于二十二点2.噪声对偏流的影响目前二十九页\总数八十六页\编于二十二点四.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。

典型CdS光敏电阻的伏安特性曲线

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。目前三十页\总数八十六页\编于二十二点五、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。目前三十一页\总数八十六页\编于二十二点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目前三十二页\总数八十六页\编于二十二点

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。

目前三十三页\总数八十六页\编于二十二点电阻～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。

目前三十四页\总数八十六页\编于二十二点六、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。目前三十五页\总数八十六页\编于二十二点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

目前三十六页\总数八十六页\编于二十二点亮态前历效应

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

目前三十七页\总数八十六页\编于二十二点七、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。目前三十八页\总数八十六页\编于二十二点

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。I/μA100150200-50-10305010-30T/ºC硫化镉的光电流I和温度T的关系温度升高，亮电阻变大，电流变小目前三十九页\总数八十六页\编于二十二点

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。2040608010001.02.03.04.0λ/μmI/mA+20ºC-20ºC温度改变光谱响应目前四十页\总数八十六页\编于二十二点一般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目前四十一页\总数八十六页\编于二十二点八.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。

目前四十二页\总数八十六页\编于二十二点1.弱辐射作用情况下的时间响应

t≥0t=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当t=τ时，Δσ=0.63Δσ0，IΦ=0.63IΦe0；

定义τ＝τr为光敏电阻的上升时间常数

停止辐射时，入射辐射通量为t=0t≥0光电导率和光电流随时间变化的规律为

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。

当t=τ，Δσ=0.37Δσ0，IΦ=0.37IΦe0；

定义τ＝τf为下降时间常数

目前四十三页\总数八十六页\编于二十二点2.强辐射作用情况下的时间响应

t≥0t=0光电导率和光电流变化的规律为当t=τ时，Δσ=0.76Δσ0，IΦ=0.76IΦe0；

定义τ＝τr为光敏电阻的上升时间常数

停止辐射时，入射辐射通量为t=0t≥0光电导率和光电流随时间变化的规律为

当t=τ，Δσ=0.5Δσ0，IΦ=0.5IΦe0；

定义τ＝τf为下降时间常数

目前四十四页\总数八十六页\编于二十二点频率响应特性

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。目前四十五页\总数八十六页\编于二十二点增益带宽积意义：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。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目前四十六页\总数八十六页\编于二十二点3.2.3光敏电阻的变换电路目前四十七页\总数八十六页\编于二十二点：探测器电阻：偏置电阻（或负载电阻）一、基本偏置的静态设计1.图解法负载回路方程伏安曲线负载线伏安特性（缓变辐射）目前四十八页\总数八十六页\编于二十二点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。

目前四十九页\总数八十六页\编于二十二点设入射于光敏电阻的辐射为调制辐射正弦，RLRd~ipCdVL等效微变电路基本偏置电路二、基本偏置的动态设计目前五十页\总数八十六页\编于二十二点思考：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目前五十一页\总数八十六页\编于二十二点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ipingrintinfRLRdCd考虑噪声时的噪声等效电路目前五十二页\总数八十六页\编于二十二点三、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的关系目前五十三页\总数八十六页\编于二十二点推导：将式对求导，并令等式为零以求解的最大值，即:则仅有极大值：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VB是否能无穷大？（1）VS与RL的关系（定负载线斜率）目前五十四页\总数八十六页\编于二十二点(2)VS和VB的关系(由功耗线确定VB)增大，也随之增大，但功耗也会增大，导致探测器损坏。因此对应一定功耗存在一偏置电压最大值最大功耗超出功耗！目前五十五页\总数八十六页\编于二十二点例：PbS最大功耗为0.2W/cm2，使用时要低于比值0.1W/cm2解：由其中，为探测器光敏面积（单位：平方厘米）

目前五十六页\总数八十六页\编于二十二点存在一个最佳偏流，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VBmax小。

2.信噪比最佳时偏置条件的确定最佳偏流g-r噪声1/f噪声偏置电流输出点信号电压目前五十七页\总数八十六页\编于二十二点

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。

最佳偏压的确定

目前五十八页\总数八十六页\编于二十二点分析：流过探测器的电流近似恒定电流，与Rd无关,不随光辐射的变化而变化。

1.恒流偏置四、光电导探测器三种偏置方式特点：信号受探测器电阻影响严重！目前五十九页\总数八十六页\编于二十二点例：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RL>>Rd，又要IL较大，则VB要求很高电压。例：VB＝（RL＋Rd）IL=(500K+100K)×0.5mA=300V目前六十页\总数八十六页\编于二十二点例：锑化铟（InSb）PC探测器（77K）的恒流偏置电路目前六十一页\总数八十六页\编于二十二点2.恒压偏置

分析：探测器上的电压近似等于VB，与Rd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，随Rd变化。特点：输出信号电压不受探测器电阻Rd的影响!目前六十二页\总数八十六页\编于二十二点例：硫化铅（PbS）PC探测器的恒压偏置

课本p276图4.14课本p276图4.13目前六十三页\总数八十六页\编于二十二点

特点：与上两种偏置比较，当Rd变化时探测器上的功率变化最小(恒功率的来源)。输出信号电压的变化也最大（如前分析）。

3.恒功率偏置（匹配偏置）功率匹配目前六十四页\总数八十六页\编于二十二点例：锑化铟（InSb）光电导探测器（77K）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1.8kΩ，RL亦为1.8kΩ，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。目前六十五页\总数八十六页\编于二十二点4.三种偏置方式比较（1）从响应度和偏置电压源方面比较

恒流偏置（RL>>Rd，取RL=10Rd)匹配偏置（RL=Rd）恒压偏置（RL<<Rd，取RL=Rd/10）响应度:恒流偏置>匹配偏置>恒压偏置由于恒流偏置需要很高的VB，在实用中可采用匹配偏置而获得与恒流偏置相当的响应度。偏置电压:恒流偏置>匹配偏置>恒压偏置目前六十六页\总数八十六页\编于二十二点（2）从放大器输出的S/N比较当探测器与放大器系统的噪声以放大器的非热噪声（1/f噪声,g-r噪声）和前放的In为主时，信噪比与偏置方式无关（即与RL无关）。当系统以探测器的热噪声和前放的En为主时：恒流偏置S/N＞匹配偏置S/N＞恒压偏置S/N。目前六十七页\总数八十六页\编于二十二点5．小结（1）PC探测器一定要加偏置电路。（2）设计偏置电路时（确定VB和RL），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IL的关系曲线选定IL值。通常在S/N最大值范围内选取。（3）选定IL值，再根据系统情况选择偏置方式来确定RL值。一般按S/N大为准则，优先选用恒流偏置，即RL>>Rd（一般为RL≥10Rs），无必要或不便采用恒流偏置时，可用恒压和匹配偏置。选用恒压偏置时，一般使10RL≤Rd，其信号输出幅值稳定，受Rd变化影响小。对于高阻探测器（Rd一般大于1MΩ），一般不采用恒流偏置（偏压要相当高），同时如对响应时间也有较高要求，则RL就不能选大，而常采用恒压偏置或匹配偏置。（4）根据VB＝IL（RL+Rs），在Rd，RL，IL已定下，算出VB值，且满足VB≤VBmax，否则需重新设计选定。目前六十八页\总数八十六页\编于二十二点判断电路的偏置方式目前六十九页\总数八十六页\编于二十二点3.2.4常用光敏电阻目前七十页\总数八十六页\编于二十二点光谱响应范围宽，测光范围宽，灵敏度高，无极性之分,价格便宜,强光照射下线性较差，频率特性也较差。

光敏电阻的重要特点是：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；按制作工艺分为薄膜烧结型和真空蒸发型。目前七十一页\总数八十六页\编于二十二点

几种常用的光敏电阻光敏电阻紫外硫化镉(CdS)和硒化镉(CdSe)可见硫化铊(TiS)、硫化镉(CdS)和硒化镉(CdSe)红外硫化铅(PbS)、碲化铅(PbTe)、锑化铟(InSb)、碲汞镉（Hg1-xCdxTe）目前七十二页\总数八十六页\编于二十二点光敏电阻常用光电导材料目前七十三页\总数八十六页\编于二十二点一、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0.52μm，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。

CdS光敏电阻的光敏面常为蛇形光敏面结构。

目前七十四页\总数八十六页\编于二十二点二.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。特别是在2μm附近的红外辐射的探测灵敏度很高，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长将向长波方向延伸，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。

目前七十五页\总数八十六页\编于二十二点三.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。

目前七十六页\总数八十六页\编于二十二点四.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，