光电技术 第4-2节 光电导探测器

1、2光电导探测器,利用半导体光电导效应制成的探测器称光电子探测器，简称PC（Photo conductor）探测器，通常又称为光敏电阻。它与一般的电阻器不同，工作时要加以一定的偏流或偏压。根据不同类型的光电导效应和材料不同，分为本征型、杂质型、薄膜型、扫积型等类型。,光敏电阻与其它半导体光电器件相比有以下优点： （1）光谱响应范围相当宽，根据光电导材料不同，光谱响应范围可以从紫外、可见光、近红外扩展到远红外，尤其是对可见光和红外辐射有较高的响应度。 （2）工作电流大，可达毫安量级。 （3）所测光强范围宽，动态范围可达104以上（0.11000lux,最强光强与最弱光强的比值）。 （4）灵敏度高，

2、光电子增益大于1。 （5）偏置电压低，无极性之分，使用方便。 不足之处： 在强光照射下光电转换线性较差，光电驰豫过程较长，频率响应较低，这使它的应用受到一些限制。,一、光敏电阻的工作原理,在均质的光电导体两端加以电压（偏置电压），当光照射到光电导体上时，由光照产生载流子，在外电场作用下沿一定方向运动，在电路中产生电流，达到光电转换的目的。原则上本征型与杂质型半导体均能发生光电效应，但本征型半导体只有入射光子能量大于或等于禁带宽度Eg时才能激发电子一空穴对，所以其红限波长较短。而杂质型如n型半导体只要光子能量大于杂质电离能（把电子从杂质能级打到导带），就可以形成光生载流子对，在外加电场下形成光电

3、流。所以杂质型半导体响应波长较宽。从原理上讲，P型与n型半导体均可制成光敏电阻，但由于电子的迁移率比空穴的大，且n型材料做的光敏电阻性能较稳定，特性较好，故现在光敏电阻大都使用n型材料制作。为了减少杂质能级上电子的热激发，常需要在低温下工作。,由第三章，我们可知道，本征光电导材料的长波限为： 杂质型光敏电阻的长波限为 式中Eg、 的单位为电子伏（ev）。,由第三章在热平衡时半导体的电导率公式，无光照时电导率 ，有光照时 ，则有 暗电流: 在光辐射下，如单位时间产生N个载流子对，其寿命分别为 和 ，则由于光辐射而增加的电子与空穴浓度为：,所以，光电导 ，对应的光电流为： 可见，光电流 与 （与入

4、射光子数及量子效率有关）、 成正比，而与L2成反比，所以在设计光敏电阻时设法使L减小，常采用梳状电极。这样既保证了有较大的工作区域，又减小了L。,二、光敏电阻的主要特性参数,1、光电导增益M： 光电导增益定义为由光生载流子产生的外部光电流Ip与内部电流之间的比值，由前式得： 式中 分别称为电子增益系数与空穴增益系数。,因为速度为 的光电子在两电极间的渡越时间为 所以 ，同样 ，而 等于载流子平均寿命 与有效渡越时间tdr之比，表示一对光生载流子对控制器外电路的电流的有效贡献。,当M=1时，表示光生载流子平均寿命正好等于它在电极间的有效渡越时间tdr，每产生一个光电子正好给外回路提供一个电子的电

5、荷量。M1表示tdr，载流子未漂移到电极就已复合，每个光电子对外电路电流的贡献小于一个电子电荷量e。M 1的情况，似乎光电子已渡越完毕，但其平均寿命还未中止。这种现象可以简单解释之：光生电子向电极正极运动，光生空穴向电极负极运动，电子在渡越中几乎不受什么阻隔作用，而空穴在移动过程中很容易被半导体内晶体缺陷和杂质所形成的陷阱所俘获。所以，当光电子在阳极消失时，空穴仍留在半导体内，它会将负极的电子感应吸引到半导体中去，感应进来的电子又在电场作用下运动到正极。如此继续下去，直到正电中心（俘获的空穴）消失，显然这种效应相当于一个光子激发，可以有多个电子相继通过电极，因而在外回路中总的电流的贡献将多于一

6、个电子，相当于光电流被放大。应当指出，由于载流子平均寿命是一个统计平均值，故光电导器件的光电增益M也是一个统计平均量。,由上表明，光电导探测器是一个具有内增益的器件，内增益M与器材的材料、结构尺寸及外加偏压（偏流）有关。对于光生载流子寿命长、迁移率大的光电导材料，极间距离小的光电导器件，其M值可以很大。 由 可见，对确定的光电导材料，减小电极间距，提高电源电压，可以提高M值。但电压V不能太大，以免产生雪崩击穿。L的减小也有限度，因为L减小，则受光面积减小，这对提高电流Ip不利（且会使散粒噪声增大）。现在使用夹层式光敏电阻，可在不减小光照面积的条件下，减小L值，使其M值大大增加。,一般光电导器件

7、，M值可达到数百，夹层式光敏电阻，其M值可达到105。 光电灵敏度是光电导增益与量子效率的乘积，量子效率表示光照产生的光生载流子对数与入射光子数之比，它与材料的反射系数，吸收系数和厚度有关，也与入射光波长有关。 右图是硅与锗的量子效率随波长的变化曲线,2、光电子探测器的噪声 光电子探测品的噪声源主要有三个：热噪声、产生一复合噪声及 1/f 噪声，总的均方噪声电流或均方噪声功率为： 在光敏电阻中，载流子是由热激发、信号光及背景光激发产生的，所以，g-r噪声是这三者作用之和。工作于低温时，热激发可以忽略，g-r噪声主要由包括信号光与背景光的光激发所决定，IP为信号光电流Is和背景光电流Ib之和。,

8、3、响应率,光敏电阻的光谱响应率为： 可见，增大增益系数可得到很高的光谱响应率。实际上常用的光敏电阻的光谱响应率小于1A/W，原因是产生高增益系数的光敏电阻电极间距离很小，致使光敏电阻集光面积很小而不实用。若延长载流子寿命也可提高增益系数，但会减慢响应速度。因此，在光敏电阻中，增益与响应速度是互相矛盾的。,4、时间常数,由光电导效应可知，光敏电阻在受到光照或停止光照时，光生载流子的产生或消失都要经过一段时间，这就是光敏电阻的响应时间或驰豫时间。它反映了光敏电阻的惰性。 此处 是光敏电阻的下降时间。在突然加光照时， 当输入光功率按正弦规律变化时，光生载流子浓度乃至光电流随频率变化关系为 是调制频

9、率为零时的稳态电流。,当工作频率 时，输出光电流为零频时的0.707倍。这时信号功率为零频时信号功率的一半，显然： 。响应时间与响应频率是完全等价的，它们是器件的频率特性的两种不同的描述方式。一般对脉冲光信号，我们常用响应时间来描述，而对正弦调制光，则常用频率响应（截止频率）描述。,在外电路影响可忽略时，响应时间等于载流子的寿命。延长光生载流子寿命，可以增加光敏电阻的内增益，但却影响器件的高频性能。与光伏器件相比，一般来说，光电导器件增益大、噪声大而响应较慢（响应时间在 ）且其响应时间随温度下降而增加。所以，光敏电阻适用于受光面较大，光电流与暗电流比较大的情况。 近年来发展了采用平面结构与轴结

10、构的快速光电导器件，其响应时间可达到几十皮秒量级。,5、光电特性与 值,光敏电阻的光电流与入射光通量之间的关系称为光电特性，光电流可表示为 在弱光照时， 、 不变， 与 成正比，保持线性关系。在强光照下， 与光电子浓度有关， 也会随电子浓度变大和温度升高而变化，这时 与 偏离线性，一般采用以下关系式：,在弱光下， 称直线性光电导。在强光照时=0.5，在其它光照时，0.5 1。 一般，光电流和照度关系曲线如右。在实际应用范围（0.1104lux），有可能制造出 接近于1的光敏电阻，这时应有 式中 称为光电导 在器件中流过的电流是光电流 与暗电流 之和。,在实际应用中，常常将光敏电阻的光电特性曲线

11、画成电阻与照度的关系曲线，它们从不同角度反映了光敏电阻的光电特性。我们看到，随着光照的增加，光敏电阻的阻值迅速下降，然后趋于饱和。但在对数坐标里，电阻与照度的特性曲线基本上是一直线， 值基本不变，所以， 一般， 值大的光敏电阻，其暗电阻也高，如在一定的照度范围内，在不同照度上计算的 值相同，我们就说其线性较好。在我们说明一个光敏电阻的 值时，一定要同时给出其照度范围。,6、前历效应,前历效应就是测试前光敏电阻所处的状态（无光照或有光照）对光敏电阻特性的影响。大多数的光敏电阻在稳定的光照下，其阻值有明显的漂移现象，要经过较长时间才能达到稳定状态，而且经过一段时间复测时其阻值还会变化，这种现象就称

12、为光敏电阻的前历效应。对前历效应又分为短态前历效应与中态前历效应两种情况来测试和研究。,所谓短态前历效应是指被测光敏电阻在无光照条件下放置一段短时间（如三分钟）后，再在1lx光照下测量它在不同时刻的阻值（如1秒后的阻值） ，求出此阻值与稳态时阻值R0的百分比R1/R0，这就是短态前历效应或暗态前历效应。所谓中态前历效应是将光敏电阻在无光照条件下存放24小时，在100lx光照度下放置15分钟，再放在100lx下测阻值 ，则中态前历效应为（又称亮态前历效应）。,附：光敏电阻暗态前历效应： 1 2 5 10 15 6.5 6 5.5 5.2 5.2 20 30 60 90 120 5.2 5.2 5

13、.1 5.0 5.1 R1/R2 77,亮态前历效应： 元件编号 R1（ ） R2( ) % 1 2.74 2.89 5.5 2 5.06 5.24 3.6 3 2.25 2.39 6.2 4 2.42 2.60 7.4 5 1.45 1.48 2.0 6 2.23 2.31 3.6 7 3.58 3.69 3.1 8 5.40 5.62 4.1,7、温度特性 光敏电阻的特性参数受温度影响较大，只要温度略有变化，其光谱响应率、峰值响应波长、长波限等参数都会发生变化，而且这种变化没有确定的规律。为了提高光敏电阻性能的稳定性，降低噪声和提高探测率，就十分必要采用冷却装置。,三、实用光电导探测器,具

14、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又能实际应用的却不多，光敏电阻按照其光谱特性及最佳波长范围划分，基本上可分为三类：对紫外光灵敏的光敏电阻，如硫化镉 和硒化镉 ；对可见光灵敏的，如硫化铊 ，硫化镉 ；硒化镉 ；对红外光敏感的如硫化铅 碲化铅 ，硒化铅 ，碲化铟 ，碲镉汞 ，碲锡铅 和锗掺杂等。根据其光电导效应及材料不同，则分为本征型、掺杂型、薄膜型、扫积型等。,1、本征型光电导探测器,常用的有碲镉汞，锑化锢，硫化铅等。 碲镉汞光敏电阻：是目前所有探测器中性能最优良最有前途的探测器，尤其是对大气窗口 具有较高的探测效率。采用合金法，把碲化镉与碲化汞混合成合金系统，其中 禁

15、带宽度1.6eV， 的禁带宽度是 -0.3eV，它们的混合固溶体 的禁带宽度随其组分x和温度T而变化。,当x较小时，可用 公式表示为： 可见，可以通过改变两种化合物的组分而改变混合固溶体的带隙宽度Eg，从而改变其光谱响应范围。利用这种特性并改变器件的工作温度，可得到不同长波限c及峰值响应波长P的高D*的理想光电子探测器。,常选用的组分x及性质如下表所示：,碲镉汞 光敏电阻比其它器件更符合红外波段探测的要求，因而在激光雷达、激光测距、光电对抗、制导及通信等领域得到了广泛的应用。对响应光谱为 ，工作于77K的 探测器，多用n型材料，实际器件的比探测率已接近背景极限，频率响应几MHZ。,随着温度的降

16、低， 器件的响应率增加，响应峰值波长 向长波方向移动。为了获得低温，需采用液氮杜瓦瓶或节流制冷或斯特林机致冷连续工作数小时至几十个小时，但实际应用似感不便。现在国外有波段 的温差电致冷，工作于193K的商品 器件， 可达 。国内采用6级半导体温差电致冷， 可以达到 。用节流制冷及斯特林机致冷成本较高，工作不方便，仅应用于特殊用途。,1、本征型光电导探测器 碲镉汞光敏电阻 锑化铟光敏电阻 碲锡铅光敏电阻 硫化镉光敏电阻,锗、硅掺杂半导体的电离能及其“红限”波长,四、光敏电阻的基本偏置电路和噪声,1、基本偏置电路 光敏电阻最基本偏置电路如图所示，,是光敏电阻，,为负载电阻，,是偏置电源电压， 是隔

17、直电容。,右图是光敏电阻的伏安特性曲线，当无 外光照时，光敏电阻上电压是,电流是,当有光信号 照射时，光敏电阻值变化 ，光电导为,对应的光信号电流为：,电源电压选择 为保证光敏电阻正常工作，其上的功耗应小于某一数值，此数值常由制造厂家说明，称最大允许功耗。如未加说明，则常取 。式中 是光敏电阻面积，单位取cm2。 当 时，光敏电阻消耗功率最大。,如 ，则负载电流近似保持常数，这时有： 信号电流： 信号电压：,由于 很大，电压灵敏度较高，但为使光敏电阻能正常工作（ 与所加电压成正比，为提高灵敏度，应增加光敏电阻上的电压），所需加外电压很大，所以常使用恒流器件。,恒压偏置 如 ，则光敏电阻上电压近

18、似为常数， 与光敏电阻的阻值无关。所以当光敏电阻特性稍有差异时，对电路工作状态影响不大，适宜于大批量光探测电路的制造。,恒功率偏置 如 ，这时探测器得到的电功率最大， 输出信号功率,当入射光通量变化几个数量级时，相应的 相差很大，一般取 ，可以兼顾以得到较大的 值。输出信号功率最大值出现在 时， 这时,2、微变等效电路 在测量调制辐射时，基本偏置电路必须加隔直电容输出，这时光敏电阻的暗电流和光电流中的直流分量无法输出，可以使用如右图的微变等效电路，设入射辐射为,前图的微变等效电路如右图所示,输出信号电压,当,时,US,3、噪声及其等效电路,噪声与灵敏度测试电路如右。调整电机转速使用调制频率与窄带放大器中的频率一致，则记录仪得到输出光信号。当取掉光信号时，测出噪声