华中科技大学《光电探测》4光电导探测器

4光电导探测器（PC:Photoconductive）光电导效应：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为物质的光电导效应。光敏电阻：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，硫化镉、硒化镉、氧化铅等）可以制成电导随入射光强度变化器件，称为光电导器件或光敏电阻。光敏电阻的优点：体积小，坚固耐用，价格低廉，光谱响应范围宽。光敏电阻的原理图符号工作原理：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，即有电流Ip流过，可以检测到该电流。4.1光敏电阻的工作原理与结构电流的大小会随入射光强度的变化而变化光敏电阻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没有光照时的电流密度：没有光照时的电流：A：光电导体的横截面面积；L：光电导体的长度V：加在光电导体间的电压un：电子的迁移率；up：空穴的迁移率

q：电子的电量材料的电导率的增加：＝q(nun+pup)光电导引起的光电流为：在光辐射作用下，设每单位时间产生N个电子－空穴对，它们的寿命分别为n和p，那么由于光辐射增加的电子和空穴浓度分别为：光敏电阻的基本结构

4.２光敏电阻的主要特性参数一、光电导的增益光电导增益M

是表征光敏电阻特性的一个重要参数，它表示长度为L的光电导两端加上电压V后，由光照产生的光生载流子在电场作用下所形成的外部光电流与光电子形成的内部电流之间的比值。速度为vn的光电子在两极间的渡越时间为：这样电子增益系数可以表示为：空穴增益系数可以表示为：在半导体中，电子和空穴的寿命是相等的。tdr为载流子渡越极间距离L所需要的有效时间光电导探测器的量子效率表示输出的光电流与入射光子流之比。设入射的单色辐射功率()能产生N个光电子，则量子效率为二、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响应率为三、频率特性

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

四、光电特性和值光电特性：光敏电阻的光电流与入射光通量之间的关系弱光照射时，、tdr不变,光电流与光通量成正比，即保持线性关系强光照射时，与光子浓度有关，tdr也会随电子浓度变大出现温升而产生变化，

光电流与光通量成非线性。Sg是光电导灵敏度，与光敏电阻材料有关；V是外加电源电压；入射光通量;E是入射光照度；为照度指数，在0.5~1之间。Ip(uA)E(lx)02004006008001000300600900在弱光照情况下：照度范围内(10-1~104lx)，的值接近于1。gp称为光敏电阻的光电导。考虑到光敏电阻的暗电流，流过光敏电阻的电流为：R(K)E(lx)050010005001000电阻～照度关系曲线暗电阻亮电阻五、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。工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越明显。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。硫化镉光敏电阻亮态前历效应曲线

低照度变为高照度高照度变为低照度六、光谱特性

相对灵敏度与波长的关系曲线表示。从这种曲线中可以直接看出灵敏范围、峰值波长位置和各波长下灵敏度的相对关系。

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

在红外区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线

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)光敏电阻常用光电导材料4.3光敏电阻的基本偏置电路和噪声一、基本偏置电路RLRpVbIV<Pmax由电路图：当光通量变化时，光敏电阻变化Rp，电流变化

I：a.恒流偏置，RL>>Rpb.恒压偏置，RL<<Rpc.恒功率偏置，RLRp三种典型的偏置方式RLRpVb设入射于光敏电阻的辐射为调制辐射正弦，如：

RLRpVbRLRp~ipCpVL等效微变电路基本偏置电路二、噪声和等效电路用光敏电阻检测微弱信号时；需考虑器件的噪声：热噪声、产生－复合噪声、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:ipingrintinfRLRpC噪声等效电路ingr为产生－复合噪声电流，int为热噪声电流；inf为1/f噪声电流，其中I为光敏电阻的电流；N0为总的载流子数；c为载流子寿命；f是以调制频率f为中心的通频带宽度。B1为常数；为常数，通常等于１；I为通过光敏电阻的电流，等于暗电流和光电流之和。光敏电阻的合成噪声的均方值为１/f热噪声产生复合噪声总噪声ffc0§4.5应用举例

光敏电阻的重要特点是：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。在可见光波段，光敏电阻主要用于光控场合，较少用于光功率的定量探测。在红外光波段，各种场合均用到光敏电阻。由于材料不同，在性能上差别较大。使用中应注意：a.当用于模拟量测量时，因光照指数γ与光照强弱有关，只有在弱光照下光电流与入射辐射通量成线性关系。b.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。

c.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。d.光敏电阻的温度特性很复杂，电阻温度系数有正有负，一般说，光敏电阻不适于在高温下使用，温度高时输出将明显减小，甚至无输出。e.光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下只有少数品种能超过1000Hz，而且光电增益与带宽之积为一常量.

如要求带宽较宽，必须以牺牲灵敏度为