第一章 光電導(dǎo)探測器

1、第一章第一章 光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)探測器(PC-Photoconductive) 一、基本概念一、基本概念 某些物質(zhì)吸收了光子的能量產(chǎn)生本征吸收某些物質(zhì)吸收了光子的能量產(chǎn)生本征吸收或雜質(zhì)吸收，從而改變了物質(zhì)電導(dǎo)率的現(xiàn)象稱或雜質(zhì)吸收，從而改變了物質(zhì)電導(dǎo)率的現(xiàn)象稱為物質(zhì)的光電導(dǎo)效應(yīng)。為物質(zhì)的光電導(dǎo)效應(yīng)。利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的材料（如硅、鍺等本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體，材料（如硅、鍺等本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體，硫化鎘、硒化鎘、氧化鉛等）可以制成電導(dǎo)隨硫化鎘、硒化鎘、氧化鉛等）可以制成電導(dǎo)隨入射光度量變化的器件，稱為光電導(dǎo)器件。入射光度量變化的器件，稱為光電導(dǎo)器件。最最典型的光電導(dǎo)器件是光敏

2、電阻典型的光電導(dǎo)器件是光敏電阻。 R二、光電子器件的基本特性二、光電子器件的基本特性：光電探測器的基本特性包括：響應(yīng)特性：響應(yīng)率、探測率、時間常數(shù)噪聲特性：信號噪聲比光電成像器件的特性：響應(yīng)特性成像特性：分辨率、空間頻率特性以及空間抽樣特性噪聲特性本節(jié)只介紹響應(yīng)特性、探測率及吸收系數(shù)1.1.1 光譜響應(yīng)率和響應(yīng)率光電探測器輸出信號電壓或電流與單位入射光功率之比、即單位入射光功率作用下探測器的輸出信號電壓或電流稱為響應(yīng)率，包括光譜響應(yīng)率和積分響應(yīng)率。、光譜響應(yīng)率 24. 124. 1,:,:1則：，有：轉(zhuǎn)化為把比，即：流子數(shù)與輻射光子數(shù)之，即產(chǎn)生光生載子數(shù)所產(chǎn)生的光電子數(shù)：單色輻射下，輻射量光譜

3、量子效率歸一化：則：為作用下產(chǎn)生的信號電壓光電器件在單色輻射率光譜電流響應(yīng)率則：為作用下產(chǎn)生的信號電壓光電器件在單色輻射率光譜電壓響應(yīng)率、光譜響應(yīng)率iiisiPSMsisisusuRRRehchcdPediRNNRRRdPdiRdidPRdPduRdudPRR12:,2AARRddPPNNPIRRPURRRmpssiisuu光源輻射功率譜密度率的關(guān)系：、光譜響應(yīng)率與響應(yīng)量子效率電壓響應(yīng)率電壓響應(yīng)率功率之比為器件輸出信號與輸入積分響應(yīng)率簡稱響應(yīng)率、響應(yīng)率：越小，探測能力越強(qiáng)。此稱又為噪聲等小功率，因器能探測到的最小功率入射的輻射功率為探測之中不能分辨，這時該此時信號被淹沒在噪聲號電壓等于噪聲電壓

4、，入射輻射較微弱時，信放大器噪聲等復(fù)合噪聲，溫度噪聲及噪聲，散粒噪聲，產(chǎn)生探測器的噪聲來源：熱相加相關(guān)的，其噪聲功率可在時，只要是獨立且不當(dāng)有多個噪聲源同時存根。求其平方平均值或均方噪聲：要在其長時間內(nèi)功率時，探測器的入射輻射噪聲電壓均方根當(dāng)輸出信號電壓率、最小可探測輻射功探測率：最小可探測輻射功率和minminmin.-.2 . 1 . 1PRuuuPPuuPunnsns為探測視場的立體角。引入?yún)?shù)依賴視場的關(guān)系，場的大小，此時為消除的開口決定了探測器視需要致冷屏蔽，致冷屏界輻射決定，則探測器如果探測器的噪聲由外產(chǎn)生的信噪比所時的單位入射輻射功率工作帶寬為表示探測器接收面積為叫比探測率，單位

5、是則探測率：反比件的面積及工作帶寬成研究表明，探測率和器、探測率DDDHzcmfAuRfAPuuDWHzcmDfADfAPpDfAPpPuuNEPPDDnUinsns.,)()()(1)(11:2221211212121minmin21minminminithigthgggadxEhcEhEhcEhcEhcEhadeIIdeIIIdeIIIIdxdI長波限：雜質(zhì)吸收：長波限：即滿足：即：本征吸收：最主要的是本征吸收。，晶格振動吸收等，載流子吸收、激子吸收吸收、雜質(zhì)吸收、自由半導(dǎo)體的光吸收有本征的函數(shù)吸收。吸收系數(shù)是時，光在樣品內(nèi)被全部當(dāng)樣品厚度的厚度內(nèi)被吸收的光在度，有，此時的厚度為吸收厚時，

6、光強(qiáng)當(dāng)厚度為：則樣品吸收的光強(qiáng)度若樣品厚度為深吸收系數(shù)小，光入射越主要發(fā)生在材料表層；光吸收系數(shù)大，光吸收則：設(shè)入射光強(qiáng)度為的相互作用。子子，晶格原子和雜質(zhì)原光與處在各種狀態(tài)的電材料吸收光的原因在于：光吸收系數(shù),.1;%641,.:2 . 3 . 100 1.2 光電導(dǎo)探測器的原理 根據(jù)內(nèi)光電效應(yīng)制成的光電器件。當(dāng)光子能量大于禁帶寬度時，把價帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，價帶中留下自由空穴，從而引起材料電導(dǎo)率增加，這就是本征光電導(dǎo)效應(yīng)當(dāng)光子能量激發(fā)雜志半導(dǎo)體的施主或者受主，使他們電離，產(chǎn)生自由電子或者空穴，從而增加材料電導(dǎo)率，為非本征光電導(dǎo)效應(yīng)。 1.2.1光電導(dǎo)效應(yīng)：1、歐姆定律：EJRUI2、漂移

7、速度和遷移率：EEnenevJSnevIsnvsvdddd,1則：面的電子數(shù)為：，則單位時間內(nèi)通過界導(dǎo)體截面積為設(shè)漂移速度為光電導(dǎo)材料。光電導(dǎo)效應(yīng)的材料稱為，能夠產(chǎn)生的電導(dǎo)率稱為光電導(dǎo)率稱為光電導(dǎo)效應(yīng)，附加率的現(xiàn)象載流子引起的附加電導(dǎo)這種由于光注入非平衡衡載流子有光照時：增加的非平無光照時：暗電導(dǎo)、光電導(dǎo)效應(yīng)動時所產(chǎn)生的電流。鍵上的電子在價鍵間運(yùn)空穴電流實際上是共價和空穴導(dǎo)電的總和。半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用電子、半導(dǎo)體的電導(dǎo)率：pnpnpnpnpnppennepnneenneneEneneJJJ000043 1.3光敏電阻光敏電阻 光敏電阻的工作原理和結(jié)構(gòu)光敏電阻的工作原理和結(jié)構(gòu) 光敏電阻的特性參數(shù)光

8、敏電阻的特性參數(shù) 光敏電阻的變換電路光敏電阻的變換電路 常用光敏電阻常用光敏電阻 小結(jié)小結(jié) 應(yīng)用實例應(yīng)用實例 圖示為光敏電阻的原理與器件符號圖。在均勻圖示為光敏電阻的原理與器件符號圖。在均勻的具有光電導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料的兩端加上電極便的具有光電導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料的兩端加上電極便構(gòu)成光敏電阻。構(gòu)成光敏電阻。當(dāng)光敏電阻的兩端加當(dāng)光敏電阻的兩端加上適當(dāng)?shù)钠秒妷荷线m當(dāng)?shù)钠秒妷篣bb后，當(dāng)光照射到光電后，當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上，由光照產(chǎn)生導(dǎo)體上，由光照產(chǎn)生的光生載流子在外加的光生載流子在外加電場作用下沿一定方電場作用下沿一定方向運(yùn)動，在電路中產(chǎn)向運(yùn)動，在電路中產(chǎn)生電流生電流Ip，用檢流計可，用檢流計可

9、以檢測到該電流。以檢測到該電流。 一。光敏電阻工作原理一。光敏電阻工作原理光敏電阻演示光敏電阻演示 當(dāng)光敏電阻當(dāng)光敏電阻受到光照時，受到光照時，光生電子光生電子空穴對增加，空穴對增加，阻值減小，阻值減小，電流增大。電流增大。暗電流（越小越好）暗電流（越小越好）pheMIP dAnLVM020 M1的理解的理解光電導(dǎo)內(nèi)增益光電導(dǎo)內(nèi)增益 說明載流子已經(jīng)渡越完畢，但載流子的平均壽命說明載流子已經(jīng)渡越完畢，但載流子的平均壽命還未中止。這種現(xiàn)象可以這樣理解：光生電子向正極還未中止。這種現(xiàn)象可以這樣理解：光生電子向正極運(yùn)動，空穴向負(fù)極運(yùn)動，可是空穴的移動可能被晶體運(yùn)動，空穴向負(fù)極運(yùn)動，可是空穴的移動可能被

10、晶體缺陷和雜質(zhì)形成的俘獲中心陷阱所俘獲。因此，當(dāng)缺陷和雜質(zhì)形成的俘獲中心陷阱所俘獲。因此，當(dāng)電子到達(dá)正極消失時，陷阱俘獲的正電中心（空穴）電子到達(dá)正極消失時，陷阱俘獲的正電中心（空穴）仍留在體內(nèi)，它又會將負(fù)電極的電子感應(yīng)到半導(dǎo)體中仍留在體內(nèi)，它又會將負(fù)電極的電子感應(yīng)到半導(dǎo)體中來，被誘導(dǎo)進(jìn)來的電子又在電場中運(yùn)動到正極，如此來，被誘導(dǎo)進(jìn)來的電子又在電場中運(yùn)動到正極，如此循環(huán)直到正電中心消失。這就相當(dāng)放大了初始的光生循環(huán)直到正電中心消失。這就相當(dāng)放大了初始的光生電流。電流。dAnLVM020 如何提高如何提高M(jìn)光電導(dǎo)內(nèi)增益光電導(dǎo)內(nèi)增益選用平均壽命長、遷移率大的半導(dǎo)體材料；選用平均壽命長、遷移率大的半

11、導(dǎo)體材料；減少電極間距離；減少電極間距離；加大偏壓加大偏壓dAnLVM020參數(shù)選擇合適時，參數(shù)選擇合適時，M值可達(dá)值可達(dá)102量級量級光敏電阻分類本征型摻雜型EcEvEgEcEvEg)(12400nmEEhcgg)(12400nmEEhcgg光電導(dǎo)器件材料光電導(dǎo)器件材料禁帶寬度禁帶寬度（eV）光譜響應(yīng)范圍光譜響應(yīng)范圍（nm）峰值波長峰值波長（nm）硫化鎘（硫化鎘（CdS）2.45400800515550硒化鎘（硒化鎘（CdSe）1.74680750720730硫化鉛（硫化鉛（PbS）0.4050030002000碲化鉛（碲化鉛（PbTe）0.3160045002200硒化鉛（硒化鉛（PbSe

12、）0.2570058004000硅（硅（Si）1.124501100850鍺（鍺（Ge）0.6655018001540銻化銦（銻化銦（InSb）0.1660070005500砷化銦（砷化銦（InAs）0.33100040003500常用光電導(dǎo)材料常用光電導(dǎo)材料每一種半導(dǎo)體或絕緣體都有一定的光電導(dǎo)效應(yīng)，但只有其中一部分材料每一種半導(dǎo)體或絕緣體都有一定的光電導(dǎo)效應(yīng)，但只有其中一部分材料經(jīng)過特殊處理，摻進(jìn)適當(dāng)雜質(zhì)，才有明顯的光電導(dǎo)效應(yīng)。現(xiàn)在使用的光經(jīng)過特殊處理，摻進(jìn)適當(dāng)雜質(zhì)，才有明顯的光電導(dǎo)效應(yīng)?，F(xiàn)在使用的光電導(dǎo)材料有電導(dǎo)材料有-族、族、-族化合物，硅、鍺等，以及一些有機(jī)物。族化合物，硅、鍺等，以及

13、一些有機(jī)物。 光敏電阻的結(jié)構(gòu)光敏電阻的結(jié)構(gòu): :在一塊光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻在一塊光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母、高頻瓷或其它絕緣材料基板上，兩端接電極引線，封裝璃、云母、高頻瓷或其它絕緣材料基板上，兩端接電極引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。 二二. 光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)光敏電阻的基本結(jié)構(gòu) 光敏面作成蛇形，電極是在一定的掩模下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金或光敏面作成蛇形，電極是在一定的掩模下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的。這種梳狀電極可以保證有較大的受光表面，也可銦等金屬形成的。這種梳狀電極可以保證有較大的受光表面，也可以減小電極之間距離，

14、從而減小極間電子渡越時間，提高靈敏度。以減小電極之間距離，從而減小極間電子渡越時間，提高靈敏度。 1-光導(dǎo)層; 2-玻璃窗口; 3-金屬外殼; 4-電極;5-陶瓷基座; 6-黑色絕緣玻璃; 7-電阻引線。RG12 34567(a)結(jié)構(gòu) (b)電極 (c)符號CdS光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號（a a）梳狀結(jié)構(gòu)：梳形電極間距很小，之間為光敏電阻材料，靈敏度高。）梳狀結(jié)構(gòu)：梳形電極間距很小，之間為光敏電阻材料，靈敏度高。（b b）蛇形結(jié)構(gòu)：光敏面為蛇形，兩側(cè)為金屬導(dǎo)電材料，并在其上設(shè)置電極。）蛇形結(jié)構(gòu)：光敏面為蛇形，兩側(cè)為金屬導(dǎo)電材料，并在其上設(shè)置電極。（c c）刻線式結(jié)構(gòu)：在制備好的光敏電阻襯基上刻出狹

15、窄的光敏材料條，再蒸涂）刻線式結(jié)構(gòu)：在制備好的光敏電阻襯基上刻出狹窄的光敏材料條，再蒸涂金屬電極。金屬電極。 導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照表面薄層，雖然產(chǎn)生的載流子導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照表面薄層，雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴(kuò)散到內(nèi)部去，但擴(kuò)散深度有限，因此光電導(dǎo)體一般都做成薄層。也有少數(shù)擴(kuò)散到內(nèi)部去，但擴(kuò)散深度有限，因此光電導(dǎo)體一般都做成薄層。 靈敏度易受濕度的影響，因此要將導(dǎo)光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在玻璃殼體中。靈敏度易受濕度的影響，因此要將導(dǎo)光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在玻璃殼體中。光敏電阻實物圖光敏電阻實物圖 當(dāng)光敏電阻受到光照時，當(dāng)光敏電阻受到光照時， 阻值減小阻值減小。光電導(dǎo)

16、效應(yīng)：在光光電導(dǎo)效應(yīng)：在光作用下使物體的電作用下使物體的電阻率改變的現(xiàn)象阻率改變的現(xiàn)象. . 光敏電阻為多數(shù)電子導(dǎo)電的光電敏感器件，它光敏電阻為多數(shù)電子導(dǎo)電的光電敏感器件，它與其他光電器件的特性的差別表現(xiàn)在它的基本特性與其他光電器件的特性的差別表現(xiàn)在它的基本特性參數(shù)上。光敏電阻的基本特性參數(shù)包含光電導(dǎo)特性、參數(shù)上。光敏電阻的基本特性參數(shù)包含光電導(dǎo)特性、時間響應(yīng)、光譜響應(yīng)、伏安特性與噪聲特性等。時間響應(yīng)、光譜響應(yīng)、伏安特性與噪聲特性等。 一、光譜響應(yīng)率光譜響應(yīng)率光譜響應(yīng)率表示在某一特定波長下，輸出光電流(或電壓)與入射輻射能量之比光譜響應(yīng)率為dpheheMI0)()()(由由pheMIPdAnL

17、VM020和和 多用相對靈敏度曲線表示。多用相對靈敏度曲線表示。在可見光區(qū)靈敏的幾種光敏電阻的光譜特性曲線在可見光區(qū)靈敏的幾種光敏電阻的光譜特性曲線1-硫化鎘單晶 2-硫化鎘多晶 3-硒化鎘多晶4-硫化鎘與硒化鎘混合多晶 由圖可見，這幾種光敏電阻由圖可見，這幾種光敏電阻的光譜特性曲線覆蓋了整個可的光譜特性曲線覆蓋了整個可見光區(qū)，峰值波長在見光區(qū)，峰值波長在515600nm之間。因此可用于與人之間。因此可用于與人眼有關(guān)的儀器，例如照相機(jī)、眼有關(guān)的儀器，例如照相機(jī)、照度計、光度計等。但它們的照度計、光度計等。但它們的形狀與形狀與V()曲線還不完全一致。曲線還不完全一致。如直接使用，與人的視覺還有如

18、直接使用，與人的視覺還有一定的差距，所以必須一定的差距，所以必須加濾光加濾光片進(jìn)行修正片進(jìn)行修正，使其特性曲線與，使其特性曲線與V()曲線完全符合，這樣即可曲線完全符合，這樣即可得到與人眼視覺相同的效果。得到與人眼視覺相同的效果。 二、光譜特性光譜特性在紅外區(qū)靈敏的幾種光敏電阻的光譜特性曲線在紅外區(qū)靈敏的幾種光敏電阻的光譜特性曲線三三. . 噪聲特性噪聲特性 l熱噪聲（熱噪聲（1MHz） )(1k4)(202d2NJ RfTfId2NJk4)(RfTfI l產(chǎn)生復(fù)合噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲(1kHz1MHz) 2022ngr1f4 IMeIf42ngrIMeIl電流噪聲（低頻）電流噪聲（低頻）bffb

19、dlIcI 212nf高頻高頻 低頻低頻 高頻高頻 低頻低頻 1、噪聲及探測率、噪聲及探測率/f熱噪聲熱噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲總噪聲總噪聲2niffc02nf2ngr2NJ2IIIIN總噪聲總噪聲2. 噪聲對偏流的影響噪聲對偏流的影響 四四. .伏安特性伏安特性 加在光敏電阻兩端的電壓加在光敏電阻兩端的電壓U與流過它的電流與流過它的電流Ip的關(guān)系的關(guān)系曲線，并稱其為光敏電阻的伏安特性。曲線，并稱其為光敏電阻的伏安特性。 典型典型CdS光敏電阻的伏安特性曲線光敏電阻的伏安特性曲線 圖中的虛線為額定功耗線。圖中的虛線為額定功耗線。使用光敏電阻時，應(yīng)使電阻的使用光敏電阻時，應(yīng)使電阻的實際功耗不

20、超過額定值。從圖實際功耗不超過額定值。從圖上來說，就是不能使靜態(tài)工作上來說，就是不能使靜態(tài)工作點居于虛線以內(nèi)的區(qū)域。按這點居于虛線以內(nèi)的區(qū)域。按這一要求在設(shè)計負(fù)載電阻時，應(yīng)一要求在設(shè)計負(fù)載電阻時，應(yīng)不使負(fù)載線與額定功耗線相交不使負(fù)載線與額定功耗線相交。 五、光電特性和光電特性和 值值光電特性：光電流與入射光通量（照度）的關(guān)系20)()(LUheInp1. 弱光照射時：光電流與光通量（照度）成正比，即弱光照射時：光電流與光通量（照度）成正比，即保持線性關(guān)系保持線性關(guān)系EUSUgIgpp式中式中g(shù) gp p稱為光敏電阻的光電導(dǎo)稱為光敏電阻的光電導(dǎo), , Sg為單位電場下的光電導(dǎo)靈敏度，為單位電場下

21、的光電導(dǎo)靈敏度，E為光敏電阻的照度。為光敏電阻的照度。2. 強(qiáng)光照射時，強(qiáng)光照射時， 光電流與光通量（照度）成非線性。光電流與光通量（照度）成非線性。EUSUgIgpp為光電轉(zhuǎn)換因子，是一個隨光度量變化的指數(shù)為光電轉(zhuǎn)換因子，是一個隨光度量變化的指數(shù) 與材料和入射光強(qiáng)弱有關(guān)，對于硫化鎘光電導(dǎo)體，在與材料和入射光強(qiáng)弱有關(guān)，對于硫化鎘光電導(dǎo)體，在弱光照下弱光照下1，在強(qiáng)光照下，在強(qiáng)光照下1/2，一般，一般0.51。在通。在通常的照度范圍內(nèi)常的照度范圍內(nèi)(10-1104lx)， 的值接近于的值接近于1 如圖所示的特性曲線反應(yīng)了流過光敏電阻的電流如圖所示的特性曲線反應(yīng)了流過光敏電阻的電流Ip與與入射光照

22、度入射光照度E間的變化關(guān)系，由圖可見它是由直線性漸變間的變化關(guān)系，由圖可見它是由直線性漸變到非線性的到非線性的。 電阻照度關(guān)系曲線電阻照度關(guān)系曲線 在實際使用時，常常將光敏電阻的光電特性曲線改用如圖所示在實際使用時，常常將光敏電阻的光電特性曲線改用如圖所示的兩種坐標(biāo)框架特性曲線。其中的兩種坐標(biāo)框架特性曲線。其中(a)為線性直角坐標(biāo)系中光敏電阻的為線性直角坐標(biāo)系中光敏電阻的阻值阻值R與入射照度與入射照度EV的關(guān)系曲線，而的關(guān)系曲線，而(b)為對數(shù)直角坐標(biāo)系下的阻值為對數(shù)直角坐標(biāo)系下的阻值R與入射照度與入射照度EV的關(guān)系曲線。的關(guān)系曲線。 1221loglogloglogEERR值為對數(shù)坐標(biāo)下特性

23、曲線的值為對數(shù)坐標(biāo)下特性曲線的斜率。斜率。R1與與R2分別是照度為分別是照度為E1和和E2時光敏電阻的阻值。時光敏電阻的阻值。 ESggp六、前歷效應(yīng)前歷效應(yīng) 前歷效應(yīng)前歷效應(yīng)是指光敏電阻的時間特性與工作前是指光敏電阻的時間特性與工作前“歷史歷史”有關(guān)的一種現(xiàn)象。前歷效應(yīng)有有關(guān)的一種現(xiàn)象。前歷效應(yīng)有暗態(tài)前歷暗態(tài)前歷與與亮態(tài)前歷亮態(tài)前歷之分。之分。暗態(tài)前歷效應(yīng)：是指光敏電阻測試或工作前處于暗態(tài)前歷效應(yīng)：是指光敏電阻測試或工作前處于暗態(tài)，當(dāng)它突然受到光照后表現(xiàn)為暗態(tài)。前歷越暗態(tài)，當(dāng)它突然受到光照后表現(xiàn)為暗態(tài)。前歷越長，光電流上升越慢。長，光電流上升越慢。其效應(yīng)曲線如下圖所示。一般，工作電壓越低，其

24、效應(yīng)曲線如下圖所示。一般，工作電壓越低，光照度越低，則暗態(tài)前歷效應(yīng)就越重光照度越低，則暗態(tài)前歷效應(yīng)就越重。硫化鎘光敏電阻的暗態(tài)前歷效應(yīng)曲線硫化鎘光敏電阻的暗態(tài)前歷效應(yīng)曲線 1-黑暗放置3分鐘后 2-黑暗放置60分鐘后3-黑暗放置24小時后 亮態(tài)前歷效應(yīng)亮態(tài)前歷效應(yīng) 指光敏電阻測試或工作前已處于亮態(tài)，當(dāng)照度與指光敏電阻測試或工作前已處于亮態(tài)，當(dāng)照度與工作時所要達(dá)到的照度不同時，所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)工作時所要達(dá)到的照度不同時，所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象，其效應(yīng)曲線如下圖所示。一般，亮電阻由高照度象，其效應(yīng)曲線如下圖所示。一般，亮電阻由高照度狀態(tài)變?yōu)榈驼斩葼顟B(tài)達(dá)到穩(wěn)定值時所需的時間要比由狀態(tài)變?yōu)榈驼斩葼顟B(tài)達(dá)

25、到穩(wěn)定值時所需的時間要比由低照度狀態(tài)變?yōu)楦哒斩葼顟B(tài)時短。低照度狀態(tài)變?yōu)楦哒斩葼顟B(tài)時短。 硫化鎘光敏電硫化鎘光敏電阻亮態(tài)前歷效阻亮態(tài)前歷效應(yīng)曲線應(yīng)曲線 七、溫度特性七、溫度特性 光敏電阻的溫度特性很復(fù)雜，在一定的照度下，光敏電阻的溫度特性很復(fù)雜，在一定的照度下，亮電阻的溫度系數(shù)亮電阻的溫度系數(shù)（有正有負(fù)）有正有負(fù)） )(12112TTRRRR1、R2分別為與溫度T1、T2相對應(yīng)的亮電阻。 光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻。 右圖所示為典型右圖所示為典型CdSCdS（實線）與（實線）與CdSeCdSe（虛線）（虛線）光敏電阻在不同照度下的光敏電阻在不同照度下的溫度特性曲線?？梢钥闯?/p>

26、溫度特性曲線。可以看出這兩種光敏電阻的相對光這兩種光敏電阻的相對光電導(dǎo)率隨溫度的升高而下電導(dǎo)率隨溫度的升高而下降，亮電阻變大。降，亮電阻變大。I / A100150200-50-1030 5010-30T / C硫化鎘的光電流硫化鎘的光電流I和溫度和溫度T的關(guān)系的關(guān)系溫度升高，亮電阻變大，電流變小溫度升高，亮電阻變大，電流變小 溫度對光譜響應(yīng)也有影響。隨著溫度的升高，其溫度對光譜響應(yīng)也有影響。隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，暗電阻和靈敏度下降，光譜特性曲線的峰值向波長短光譜特性曲線的峰值向波長短的方向移動。的方向移動。硫化鎘的光電流硫化鎘的光電流I I和溫度和溫度T T的關(guān)系如圖所的關(guān)系

27、如圖所示。有時為了提高靈敏度，或為了能夠接收較長波段示。有時為了提高靈敏度，或為了能夠接收較長波段的輻射，將元件降溫使用。例如，可利用制冷器使光的輻射，將元件降溫使用。例如，可利用制冷器使光敏電阻的溫度降低。敏電阻的溫度降低。2040608010001.02.03.04.0/mI/mA+20 C-20 C溫度改變光譜響應(yīng)溫度改變光譜響應(yīng)l一般n型半導(dǎo)體的EF位于Ei之上Ec之下的禁帶中。lEF既與溫度有關(guān)，也與雜質(zhì)濃度ND有關(guān)： 一定溫度下?lián)诫s濃度越高，費(fèi)米能級EF距導(dǎo)帶底Ec越近； 如果摻雜一定，溫度越高EF距Ec越遠(yuǎn)，也就是越趨向Ei。Si中不同摻雜濃度條件下費(fèi)米能級與溫度的關(guān)系八八. .

28、 響應(yīng)時間和頻率響應(yīng)響應(yīng)時間和頻率響應(yīng) 光敏電阻的響應(yīng)時間（又稱為慣性）比其他光電器件要差些（慣性要大），頻率響應(yīng)要低些，而且具有特殊性。當(dāng)用一個理想方波脈沖輻射照射光敏電阻時，光生電子要有產(chǎn)生的過程，光生電導(dǎo)率要經(jīng)過一定的時間才能達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)停止輻射時，復(fù)合光生載流子也需要時間，表現(xiàn)出光敏電阻具有較大的慣性。 通常光敏電阻的響應(yīng)時間與入射輻射的強(qiáng)弱有關(guān)，光照越強(qiáng)其時間常數(shù)越小，光照越弱其時間常數(shù)越大。下面分別討論。 00 對于本征光電導(dǎo)器件在非平衡狀態(tài)下光電導(dǎo)率和光電流I隨時間變化的規(guī)律為 )1 (/0te)1 (/0teII00/0te/0teII顯然，光敏電阻在弱輻射作用下的顯然，光敏電

29、阻在弱輻射作用下的上升時間常數(shù)上升時間常數(shù)r r與下降時間常數(shù)與下降時間常數(shù)f f近似相等。近似相等。 00光電導(dǎo)率和光電流變化的規(guī)律為 00/110t/110tIIttanh0tIItanh0)2/()2(/coshhstanhxxxxeeeexxinx雙曲正切函數(shù)頻率響應(yīng)特性頻率響應(yīng)特性 1-硒 2-硫化鎘 3-硫化鉈 4-硫化鉛 Uf3dB2120)2(1 )(ff021cf20LVMAn常量2200221LVLVMfAnAnc增益帶寬積增益帶寬積3.2.33.2.3 光敏電阻的變換電路光敏電阻的變換電路dR：探測器電阻：探測器電阻LR：偏置電阻（或負(fù)載電阻）：偏置電阻（或負(fù)載電阻）一、

30、基本偏置的靜態(tài)設(shè)計一、基本偏置的靜態(tài)設(shè)計1. 圖解法圖解法LBRV /BVVIOLLBRIVVLLBRIVV負(fù)載回路方程負(fù)載回路方程 ggpLVSEVSVgI伏安曲線伏安曲線 負(fù)載線負(fù)載線 伏安特性伏安特性 V2. 解析法解析法LdBLRRVI偏置電流偏置電流LdLBALRRRVVV輸出點電壓輸出點電壓222)()(LdgdBLddBLRRSRVRRdRVdIILLdgdBLRRRSRVRIV22)(222)(LddBdLmRRRVRIP光敏電阻功耗光敏電阻功耗入射輻射變化時，偏置電阻入射輻射變化時，偏置電阻RL兩端的輸出信號電流、電兩端的輸出信號電流、電壓變化為壓變化為 ？電路參數(shù)確定后，輸

31、出信號變化與入射輻射量的變化成線性關(guān)系。電路參數(shù)確定后，輸出信號變化與入射輻射量的變化成線性關(guān)系。 gSG 設(shè)入射于光敏電阻的輻射為調(diào)制輻射正弦，ttmsin)(0RLRdipCdVL等效微變電路基本偏置電路V二、基本偏置的動態(tài)設(shè)計二、基本偏置的動態(tài)設(shè)計思考：用圖解法如何分析？思考：用圖解法如何分析？BVOtVStimBgpsin)(輸出的交流部分電流LddLLdLddmBgLddmBgLRRRRRRRRCtVSRRCtVStV2/1)(1 sin)/(sin)(輸出的交流部分電壓m0m00檢測微弱信號時需考慮器件的固有噪聲：檢測微弱信號時需考慮器件的固有噪聲：熱噪聲、產(chǎn)生復(fù)合噪聲及熱噪聲、產(chǎn)

32、生復(fù)合噪聲及/f噪聲噪聲光敏電阻若接收調(diào)制輻射，其噪聲的等效電路如圖所示ipingrintinfRLRdCd考慮噪聲時的噪聲等效電路三、輸出信號特性分析三、輸出信號特性分析LLddBLSRRRSRVRIVV22)(令令VVS從功率匹配和最大信噪比兩個方面分析： VS和VB、RL的關(guān)系推導(dǎo)：將式推導(dǎo)：將式對對LR求導(dǎo)，并令等式為零以求解求導(dǎo)，并令等式為零以求解SV的最大值，即的最大值，即:0)()()()(2)()(342LdLddBLddLBLdLddBRSRRRRRVRRRRVRRRRRVVL則僅則僅LdRR SV有極大值：有極大值：LdBSRRVV4max此時稱為功率匹配，輸出信號電壓的變

33、化也最大。此時稱為功率匹配，輸出信號電壓的變化也最大。1. 功率匹配功率匹配 dLdLBASRRRRVdVV2)(（1） VS與與RL的關(guān)系的關(guān)系（定負(fù)載線斜率）（定負(fù)載線斜率）(2) VS和和VB的關(guān)系的關(guān)系 (由功耗線確定由功耗線確定VB )BV增大，增大， SV也隨之增大，但功耗也隨之增大，但功耗mP也會增大，導(dǎo)致探測器損壞。也會增大，導(dǎo)致探測器損壞。maxBV因此對應(yīng)一定功耗存在一偏置電壓最大值因此對應(yīng)一定功耗存在一偏置電壓最大值222)(LddBdLmRRRVRIPLdBSRRVV4maxLBRV/BVVIO最大功耗最大功耗超出功耗！超出功耗！例：例：PbS最大功耗為最大功耗為0.2

34、W/cm2，使用時要低于比值，使用時要低于比值0.1W/cm2解：由解：由222)(LddBdLmRRRVRIP)(1 . 0)(LdddLddmBMAXRRRARRRPV其中，其中，dA為探測器光敏面積（單位：平方厘米）為探測器光敏面積（單位：平方厘米） 存在一個最佳偏流，其對應(yīng)最高信噪比，信噪比較大時所對存在一個最佳偏流，其對應(yīng)最高信噪比，信噪比較大時所對應(yīng)的偏壓要比最大可加電壓應(yīng)的偏壓要比最大可加電壓VBmax小小 。 2. 信噪比最佳時偏置條件的確定信噪比最佳時偏置條件的確定最佳偏流最佳偏流abnfffIki12fMIeirgn42g-r 噪聲1/f 噪聲LdBLRRVI偏置電流偏置電

35、流LdLBLLLRRRVRIV輸出點信號電壓輸出點信號電壓 在滿足功耗的前提下，根據(jù)系統(tǒng)要求在滿足功耗的前提下，根據(jù)系統(tǒng)要求綜合考慮信號幅度和信噪比。綜合考慮信號幅度和信噪比。 最佳偏壓的確定最佳偏壓的確定 分析：流過探測器的電流近似恒定電分析：流過探測器的電流近似恒定電流，與流，與Rd無關(guān)無關(guān), ,不隨光輻射的變化而不隨光輻射的變化而變化。變化。 dLRR LBLdBLRVRRVI1. 恒流偏置恒流偏置四、光電導(dǎo)探測器三種偏置方式四、光電導(dǎo)探測器三種偏置方式ddLLdddLLLddLLLddLBSGRIRRGRRIRRRRIRRdRRVV222)(特點：信號受探測器電阻影響嚴(yán)重！特點：信號受

36、探測器電阻影響嚴(yán)重！dLRR 例：高阻高阻PC探測器的恒流偏置電路課本p276圖4.12如果采用左圖簡單的恒流偏置電路要求RLRd，又要IL較大，則VB要求很高電壓。例：VB（RLRd）IL=(500K+100K)0.5mA=300 V 例：銻化銦（例：銻化銦（InSb）PC探測器（探測器（77K）的恒流偏置電路）的恒流偏置電路2. .恒壓偏置恒壓偏置 分析分析：探測器上的電壓近似等于：探測器上的電壓近似等于VB，與與Rd無關(guān)，基本恒定，與光輻射變化無關(guān)，基本恒定，與光輻射變化無關(guān)。但流過探測器的偏流不恒定，無關(guān)。但流過探測器的偏流不恒定，隨隨Rd變化。變化。dLRR 0LdLBARRRVVS

37、RVGRVGRRIRRGRRIRRdRRVVLBdLBdLdLLdddLLLddLBS22)(特點：輸出信號電壓不受探測器電阻特點：輸出信號電壓不受探測器電阻Rd的影響的影響!dLRR BABVVVV例：硫化鉛（例：硫化鉛（PbS）PC探測器的恒壓偏置探測器的恒壓偏置 課本p276圖4.14課本p276圖4.13 特點：與上兩種偏置比較，當(dāng)特點：與上兩種偏置比較，當(dāng)R Rd d變化時探測變化時探測器上的功率變化最小器上的功率變化最小( (恒功率的來源恒功率的來源) )。 輸出信號電壓的變化也最大（如前分析）。輸出信號電壓的變化也最大（如前分析）。 dLRR dBLddBmRVRRRVP4)(2

38、223. 恒功率偏置（匹配偏置）恒功率偏置（匹配偏置）功率匹配功率匹配例：銻化銦（例：銻化銦（InSb）光電導(dǎo)探測器（）光電導(dǎo)探測器（77K）的匹配偏置電路）的匹配偏置電路 由偏置電壓源（12V）和R1，DW1,R2,R3以及C1構(gòu)成的穩(wěn)壓濾波電路提供穩(wěn)定的偏置電壓。探測器暗阻（77K時）為1.8k，RL亦為1.8k，構(gòu)成匹配偏置。注意該處的穩(wěn)壓管DW2用來保護(hù)探測器，使之兩端電壓不超過額定值。 4. 三種偏置方式比較（1）從響應(yīng)度和偏置電壓源方面比較）從響應(yīng)度和偏置電壓源方面比較 恒流偏置（恒流偏置（RLRd，取，取RL=10Rd)21dLgRISdLBRIV111匹配偏置（匹配偏置（RL

39、= Rd）222dRISLgdLBRIV22恒壓偏置（恒壓偏置（RL匹配偏置匹配偏置恒壓偏置恒壓偏置由于恒流偏置需要由于恒流偏置需要很高的很高的VB，在實用，在實用中可采用匹配偏置中可采用匹配偏置而獲得與恒流偏置而獲得與恒流偏置相當(dāng)?shù)捻憫?yīng)度。相當(dāng)?shù)捻憫?yīng)度。偏置電壓偏置電壓: 恒流偏置恒流偏置匹配偏置匹配偏置恒壓偏置恒壓偏置LLddBLSRRRSRVRIVV22)(（2）從放大器輸出的）從放大器輸出的S/N比較比較22222222 )()()(dLdLnndLdnLdLLnsniRRRRIERRRERRREEn 當(dāng)探測器與放大器系統(tǒng)的噪聲當(dāng)探測器與放大器系統(tǒng)的噪聲以放大器的非熱噪聲（以放大器的非

40、熱噪聲（1/f噪聲噪聲, g-r噪聲）和前放的噪聲）和前放的In為主時，信為主時，信噪比與偏置方式無關(guān)（即與噪比與偏置方式無關(guān)（即與RL無無關(guān)）。關(guān)）。n 當(dāng)系統(tǒng)以探測器的熱噪聲和當(dāng)系統(tǒng)以探測器的熱噪聲和前放的前放的En為主時：為主時：恒流偏置恒流偏置S/N匹配偏置匹配偏置S/N恒壓偏置恒壓偏置S/N。5小結(jié)小結(jié)（1）PC探測器一定要加偏置電路。探測器一定要加偏置電路。（2）設(shè)計偏置電路時（確定）設(shè)計偏置電路時（確定VB和和RL ），首先要根據(jù)所用探測器的信號噪聲及），首先要根據(jù)所用探測器的信號噪聲及S/N輸出對偏置電流輸出對偏置電流IL的關(guān)系曲線選定的關(guān)系曲線選定IL值。通常在值。通常在S/

41、N最大值范圍內(nèi)選取。最大值范圍內(nèi)選取。（3）選定）選定IL值，再根據(jù)系統(tǒng)情況選擇偏置方式來確定值，再根據(jù)系統(tǒng)情況選擇偏置方式來確定RL值。值。l一般按一般按 S/N大為準(zhǔn)則，優(yōu)先選用恒流偏置大為準(zhǔn)則，優(yōu)先選用恒流偏置，即，即RL Rd（一般為（一般為RL10Rs），無），無必要或不便采用恒流偏置時，可用恒壓和匹配偏置。必要或不便采用恒流偏置時，可用恒壓和匹配偏置。l選用恒壓偏置時，一般使選用恒壓偏置時，一般使10RLRd，其信號輸出幅值穩(wěn)定，受，其信號輸出幅值穩(wěn)定，受Rd變化影響小。變化影響小。l對于高阻探測器（對于高阻探測器（ Rd一般大于一般大于1M），一般不采用恒流偏置（偏壓要相當(dāng)高），

42、一般不采用恒流偏置（偏壓要相當(dāng)高），同時如對響應(yīng)時間也有較高要求，則，同時如對響應(yīng)時間也有較高要求，則RL就不能選大，而常采用恒壓偏置或匹配就不能選大，而常采用恒壓偏置或匹配偏置。偏置。（4）根據(jù)）根據(jù)VB IL （RL+Rs），在），在Rd，RL，IL已定下，算出已定下，算出VB值，且滿足值，且滿足VBVBmax，否則需重新設(shè)計選定。，否則需重新設(shè)計選定。判斷電路的偏置方式3.2.4 常用光敏電阻常用光敏電阻光譜響應(yīng)范圍寬，光譜響應(yīng)范圍寬，測光范圍寬，測光范圍寬，靈敏度高，靈敏度高，無極性之分無極性之分, ,價格便宜價格便宜, ,強(qiáng)光照射下線性較差，頻率特性也較差。強(qiáng)光照射下線性較差，頻率特

43、性也較差。 光敏電阻的光敏電阻的重要特點重要特點是：是：光敏電阻按光譜范圍可分為紫外、可見光、紅外；光敏電阻按光譜范圍可分為紫外、可見光、紅外；按晶體結(jié)構(gòu)分為單晶和多晶；按制作工藝分為薄按晶體結(jié)構(gòu)分為單晶和多晶；按制作工藝分為薄膜燒結(jié)型和真空蒸發(fā)型。膜燒結(jié)型和真空蒸發(fā)型。幾種常用的光敏電阻幾種常用的光敏電阻光光敏敏電電阻阻紫外紫外 硫化鎘硫化鎘(CdS)和硒化鎘和硒化鎘(CdSe)可見可見硫化鉈硫化鉈(TiS)、硫化鎘、硫化鎘(CdS)和硒化鎘和硒化鎘(CdSe)紅外紅外硫化鉛硫化鉛(PbS)、碲化鉛、碲化鉛(PbTe)、銻化銦銻化銦(InSb)、碲汞鎘（、碲汞鎘（光敏電阻常用光電導(dǎo)材料一、C

44、dS光敏電阻 CdS光敏電阻是最常見的光敏電阻，它的光譜響應(yīng)特性最接近人眼光譜光視效率，它在可見光波段范圍內(nèi)的靈敏度最高，因此，被廣泛地應(yīng)用于燈光的自動控制，照相機(jī)的自動測光等。 CdS光敏電阻的峰值響應(yīng)波長為0.52m，CdSe光敏電阻為0.72m，一般調(diào)整S和Se的比例，可使Cd（S，Se）光敏電阻的峰值響應(yīng)波長大致控制在0.520.72m范圍內(nèi)。 CdS光敏電阻的光敏面常為蛇形光敏面結(jié)構(gòu)。 二二.PbS.PbS光敏電阻光敏電阻 PbS光敏電阻的光譜響應(yīng)和比探測率等特性與工作溫度有關(guān)，隨著工作溫度的降低其峰值響應(yīng)波長和長波長將向長波方向延伸，且比探測率D*增加。 例如，室溫下的PbS光敏電

45、阻的光譜響應(yīng)范圍為13.5m，峰值波長為2.4m，峰值比探測率D*高達(dá)11011cmHzW-1。當(dāng)溫度降低到（195K）時，光譜響應(yīng)范圍為14m，峰值響應(yīng)波長移到2.8m，峰值波長的比探測率D*也增高到21011cmHzW-1。 三三.InSb.InSb光敏電阻光敏電阻 InSb光敏電阻是35m光譜范圍內(nèi)的主要探測器件之一。 InSb材料不僅適用于制造單元探測器件，也適宜制造陣列紅外探測器件。 InSb光敏電阻在室溫下的長波長可達(dá)7.5m，峰值波長在6m附近，比探測率D*約為11011cmHzW-1。當(dāng)溫度降低到77K（液氮）時，其長波長由7.5m縮短到5.5m，峰值波長也將移至5m，恰為大氣

46、的窗口范圍，峰值比探測率D*升高到21011cmHzW-1。 四. Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)探測器件 Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)探測器件是目前所有紅外探測器中性能最優(yōu)良最有前途的探測器件，尤其是對于48m大氣窗口波段輻射的探測更為重要。 Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)體是由HgTe和CdTe兩種材料的晶體混合制造的，其中x標(biāo)明Cd元素含量的組分。在制造混合晶體時選用不同Cd的組分x，可以得到不同的禁帶寬度Eg，便可以制造出不同波長響應(yīng)范圍的Hg1-xCdxTe探測器件。一般組分x的變化范圍為0.180.4，長波長的變化范圍為130m。 實例一Infrared detector mod

47、ule with preamp P4245 實例二PbS photoconductive detector P9217-03 3.2.5 小結(jié)小結(jié)光電導(dǎo)探測器具有內(nèi)增益M特性， M與材料器件性質(zhì)和外加電場大小有關(guān)。當(dāng)用于模擬量測量時，因光照指數(shù)與光照強(qiáng)弱有關(guān)，只有在弱光照弱光照下光電流與入射輻射通量成線性關(guān)系。用于光度量測試儀器時，必須對光譜特性曲線進(jìn)行修正，保證其與人眼的光譜光視效率曲線符合。光敏電阻的光譜特性與溫度有關(guān)，溫度低時，靈敏范圍和峰值波長都向長波方向移動，可采取冷卻靈敏面的辦法來提高光敏電阻在長波區(qū)的靈敏度。 光敏電阻的溫度特性很復(fù)雜，電阻溫度系數(shù)有正有負(fù)，一般說，光敏電阻不適于在高溫下使用，溫度高時輸出將明顯減小，甚