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3.4偏置电路和应用3.1材料结构原理3.1.1材料及分类Ⅱ－Ⅵ、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的响应与光生载流子Δn成正比曲线的解释：3.1.2光照下的光电导响应过程光照时：弱光（Δn(t)=Δp(t)<<p0）初始条件：t=0，Δn(0)=0增长率产生率复合率热致产生率3.1.2光照下的光电导响应过程光照时：为载流子寿命3.1.2.光照下的光电导响应过程光照时：光照停止时：增长率产生率复合率热致产生率光照停止时：初始条件：t=0，

3.1.2.光照下的光电导响应过程弱光照条件下光电导响应的两个基本结论：（1）响应时间（上升时间和下降时间）等于载流子寿命且为常数（2）稳态光电导与产生率成线性关系，即与辐射通量成正比3.1.2.光照下的光电导响应过程(a)光照时(b)光照停止时弱光照条件下光电导响应的两个基本结论：（1）响应时间（上升时间和下降时间）等于载流子寿命且为常数（2）稳态光电导与产生率成线性关系，即与辐射通量成正比强光照条件下：（讨论）3.1.2.光照下的光电导响应过程阶跃光照时光电导响应：正弦光照时光电导响应：3.1.2.光照下的光电导响应过程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.导出电流表达式在x处光生载流子浓度3.1.3结构和原理在x处光生载流子浓度x处的光电导率为漂移电流密度（A/m2）为3.1.3结构和原理漂移电流密度（A/m2）为光电导探测器平均光电流3.1.3结构和原理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结构和原理电压源：RS<<RL补充知识1：电流源：RS>>RL两者关系：IS=ES/RS

例如，三极管h参数等效电路补充知识2：受控电流源：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2.光电导增益－－光电导探测器的内增益，也称为光电导增益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1.光电特性和γ值2.光电导灵敏度3.光谱特性7.噪声特性4.频率特性5.温度特性6.前历效应1.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）

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3.频率特性3.2主要特性参数两个阶段：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。3.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。3.频率特性3.2主要特性参数引入等效电容未引入等效电容弛豫特性总响应时间探测器弛豫特性反映在电路两个时间3.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。C4.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4.光谱特性红外区灵敏的几种光敏电阻3.2主要特性参数4.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5.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－－极远红外光碲镉汞(HgCdTe)系列光敏电阻Hg1-xCdxTe合金法：CdTeHgTex是Cd含量组分x=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3.3.1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3.3.1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几种典型偏置电路恒压偏置电路RL<<RP

3.3偏置电路3.3.2几种典型偏置电路恒流偏置电路RL>>RP

如何增大输出信号？－－－恒流偏置电路恒压偏置电路3.3偏置电路数码相机为什么能实现自动曝光？数码相机NIKON53．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、交流等效电路习题3-9指导：3-9如图3－24所示的电路，耦合电容C足够大，在交流回路中其容抗可以忽略不计。光敏电阻Rp的参数为Sg=2×10-5S／lx，τ