華中科技大學(xué)《光電探測》4光電導(dǎo)探測器

4光電導(dǎo)探測器（PC:Photoconductive）光電導(dǎo)效應(yīng)：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)象稱為物質(zhì)的光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻：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，硫化鎘、硒化鎘、氧化鉛等）可以制成電導(dǎo)隨入射光強(qiáng)度變化器件，稱為光電導(dǎo)器件或光敏電阻。光敏電阻的優(yōu)點(diǎn)：體積小，堅(jiān)固耐用，價(jià)格低廉，光譜響應(yīng)范圍寬。光敏電阻的原理圖符號(hào)工作原理：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構(gòu)成光敏電阻。當(dāng)光敏電阻的兩端加上適當(dāng)?shù)钠秒妷篣bb，即有電流Ip流過，可以檢測到該電流。4.1光敏電阻的工作原理與結(jié)構(gòu)電流的大小會(huì)隨入射光強(qiáng)度的變化而變化光敏電阻本征型摻雜型入射光子的能量大于或等于半導(dǎo)體的禁帶寬度時(shí)能激發(fā)電子－空穴對(duì)EcEvEg入射光子的能量大于或等于雜質(zhì)電離能時(shí)就能激發(fā)電子空穴對(duì)EcEvEg沒有光照時(shí)的電流密度：沒有光照時(shí)的電流：A：光電導(dǎo)體的橫截面面積；L：光電導(dǎo)體的長度V：加在光電導(dǎo)體間的電壓un：電子的遷移率；up：空穴的遷移率

q：電子的電量材料的電導(dǎo)率的增加：＝q(nun+pup)光電導(dǎo)引起的光電流為：在光輻射作用下，設(shè)每單位時(shí)間產(chǎn)生N個(gè)電子－空穴對(duì)，它們的壽命分別為n和p，那么由于光輻射增加的電子和空穴濃度分別為：光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)

4.２光敏電阻的主要特性參數(shù)一、光電導(dǎo)的增益光電導(dǎo)增益M

是表征光敏電阻特性的一個(gè)重要參數(shù)，它表示長度為L的光電導(dǎo)兩端加上電壓V后，由光照產(chǎn)生的光生載流子在電場作用下所形成的外部光電流與光電子形成的內(nèi)部電流之間的比值。速度為vn的光電子在兩極間的渡越時(shí)間為：這樣電子增益系數(shù)可以表示為：空穴增益系數(shù)可以表示為：在半導(dǎo)體中，電子和空穴的壽命是相等的。tdr為載流子渡越極間距離L所需要的有效時(shí)間光電導(dǎo)探測器的量子效率表示輸出的光電流與入射光子流之比。設(shè)入射的單色輻射功率()能產(chǎn)生N個(gè)光電子，則量子效率為二、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響應(yīng)率為三、頻率特性

光敏電阻是依靠非平衡載流子效應(yīng)工作的，非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合都有一個(gè)時(shí)間過程，這個(gè)時(shí)間過程在一定程度上影響了光敏電阻對(duì)變化光照的響應(yīng)。光敏電阻采用交變光照時(shí)，其輸出將隨入射光頻率的增加而減小。

1-硒

2-硫化鎘

3-硫化鉈

4-硫化鉛

四、光電特性和值光電特性：光敏電阻的光電流與入射光通量之間的關(guān)系弱光照射時(shí)，、tdr不變,光電流與光通量成正比，即保持線性關(guān)系強(qiáng)光照射時(shí)，與光子濃度有關(guān)，tdr也會(huì)隨電子濃度變大出現(xiàn)溫升而產(chǎn)生變化，

光電流與光通量成非線性。Sg是光電導(dǎo)靈敏度，與光敏電阻材料有關(guān)；V是外加電源電壓；入射光通量;E是入射光照度；為照度指數(shù)，在0.5~1之間。Ip(uA)E(lx)02004006008001000300600900在弱光照情況下：照度范圍內(nèi)(10-1~104lx)，的值接近于1。gp稱為光敏電阻的光電導(dǎo)。考慮到光敏電阻的暗電流，流過光敏電阻的電流為：R(K)E(lx)050010005001000電阻～照度關(guān)系曲線暗電阻亮電阻五、前歷效應(yīng)前歷效應(yīng)是指光敏電阻的時(shí)間特性與工作前“歷史”有關(guān)的一種現(xiàn)象。前歷效應(yīng)有暗態(tài)前歷與亮態(tài)前歷之分。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)，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。其效應(yīng)曲線如下圖所示。工作電壓越低，光照度越低，則暗態(tài)前歷效應(yīng)就越明顯。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(shí)后

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)照度與工作時(shí)所要達(dá)到的照度不同時(shí)，所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象，其效應(yīng)曲線如下圖所示。硫化鎘光敏電阻亮態(tài)前歷效應(yīng)曲線

低照度變?yōu)楦哒斩雀哒斩茸優(yōu)榈驼斩攘?、光譜特性

相對(duì)靈敏度與波長的關(guān)系曲線表示。從這種曲線中可以直接看出靈敏范圍、峰值波長位置和各波長下靈敏度的相對(duì)關(guān)系。

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

在紅外區(qū)靈敏的幾種光敏電阻的光譜特性曲線

幾種常用的光敏電阻光敏電阻紫外硫化鎘(CdS)和硒化鎘(CdSe)可見硫化鉈(TiS)、硫化鎘(CdS)和硒化鎘(CdSe)紅外硫化鉛(PbS)、碲化鉛(PbTe)光敏電阻常用光電導(dǎo)材料4.3光敏電阻的基本偏置電路和噪聲一、基本偏置電路RLRpVbIV<Pmax由電路圖：當(dāng)光通量變化時(shí)，光敏電阻變化Rp，電流變化

I：a.恒流偏置，RL>>Rpb.恒壓偏置，RL<<Rpc.恒功率偏置，RLRp三種典型的偏置方式RLRpVb設(shè)入射于光敏電阻的輻射為調(diào)制輻射正弦，如：

RLRpVbRLRp~ipCpVL等效微變電路基本偏置電路二、噪聲和等效電路用光敏電阻檢測微弱信號(hào)時(shí)；需考慮器件的噪聲：熱噪聲、產(chǎn)生－復(fù)合噪聲、１/f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:ipingrintinfRLRpC噪聲等效電路ingr為產(chǎn)生－復(fù)合噪聲電流，int為熱噪聲電流；inf為1/f噪聲電流，其中I為光敏電阻的電流；N0為總的載流子數(shù)；c為載流子壽命；f是以調(diào)制頻率f為中心的通頻帶寬度。B1為常數(shù)；為常數(shù)，通常等于１；I為通過光敏電阻的電流，等于暗電流和光電流之和。光敏電阻的合成噪聲的均方值為１/f熱噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲總噪聲ffc0§4.5應(yīng)用舉例

光敏電阻的重要特點(diǎn)是：光譜響應(yīng)范圍寬，測光范圍寬，靈敏度高，無極性之分,價(jià)格便宜。在可見光波段，光敏電阻主要用于光控場合，較少用于光功率的定量探測。在紅外光波段，各種場合均用到光敏電阻。由于材料不同，在性能上差別較大。使用中應(yīng)注意：a.當(dāng)用于模擬量測量時(shí)，因光照指數(shù)γ與光照強(qiáng)弱有關(guān)，只有在弱光照下光電流與入射輻射通量成線性關(guān)系。b.用于光度量測試儀器時(shí)，必須對(duì)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。

c.光敏電阻的光譜特性與溫度有關(guān)，溫度低時(shí)，靈敏范圍和峰值波長都向長波方向移動(dòng)，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。d.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(shí)輸出將明顯減小，甚至無輸出。e.光敏電阻頻帶寬度都比較窄，在室溫下只有少數(shù)品種能超過1000Hz，而且光電增益與帶寬之積為一常量.

如要求帶寬較寬，必須以犧牲靈敏度為