華中科技大學《光電探測》4光電導探測器

4光電導探測器（PC:Photoconductive）光電導效應：某些物質吸收了光子的能量產生本征吸收或雜質吸收，從而改變了物質電導率的現象稱為物質的光電導效應。光敏電阻：利用具有光電導效應的材料（如硅、鍺等本征半導體與雜質半導體，硫化鎘、硒化鎘、氧化鉛等）可以制成電導隨入射光強度變化器件，稱為光電導器件或光敏電阻。光敏電阻的優(yōu)點：體積小，堅固耐用，價格低廉，光譜響應范圍寬。光敏電阻的原理圖符號工作原理：在均勻的具有光電導效應的半導體材料的兩端加上電極便構成光敏電阻。當光敏電阻的兩端加上適當的偏置電壓Ubb，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構電流的大小會隨入射光強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體的禁帶寬度時能激發(fā)電子－空穴對EcEvEg入射光子的能量大于或等于雜質電離能時就能激發(fā)電子空穴對EcEvEg沒有光照時的電流密度：沒有光照時的電流：A：光電導體的橫截面面積；L：光電導體的長度V：加在光電導體間的電壓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率的增加：＝q(nun+pup)光電導引起的光電流為：在光輻射作用下，設每單位時間產生N個電子－空穴對，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：光敏電阻的基本結構

4.２光敏電阻的主要特性參數一、光電導的增益光電導增益M

是表征光敏電阻特性的一個重要參數，它表示長度為L的光電導兩端加上電壓V后，由光照產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部電流之間的比值。速度為vn的光電子在兩極間的渡越時間為：這樣電子增益系數可以表示為：空穴增益系數可以表示為：在半導體中，電子和空穴的壽命是相等的。tdr為載流子渡越極間距離L所需要的有效時間光電導探測器的量子效率表示輸出的光電流與入射光子流之比。設入射的單色輻射功率()能產生N個光電子，則量子效率為二、光譜響應率光譜響應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率為三、頻率特性

光敏電阻是依靠非平衡載流子效應工作的，非平衡載流子的產生與復合都有一個時間過程，這個時間過程在一定程度上影響了光敏電阻對變化光照的響應。光敏電阻采用交變光照時，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系弱光照射時，、tdr不變,光電流與光通量成正比，即保持線性關系強光照射時，與光子濃度有關，tdr也會隨電子濃度變大出現溫升而產生變化，

光電流與光通量成非線性。Sg是光電導靈敏度，與光敏電阻材料有關；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，在0.5~1之間。Ip(uA)E(lx)02004006008001000300600900在弱光照情況下：照度范圍內(10-1~104lx)，的值接近于1。gp稱為光敏電阻的光電導?？紤]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～照度關系曲線暗電阻亮電阻五、前歷效應前歷效應是指光敏電阻的時間特性與工作前“歷史”有關的一種現象。前歷效應有暗態(tài)前歷與亮態(tài)前歷之分。暗態(tài)前歷效應是指光敏電阻測試或工作前處于暗態(tài)，當它突然受到光照后表現為暗態(tài)。前歷越長，光電流上升越慢。其效應曲線如下圖所示。工作電壓越低，光照度越低，則暗態(tài)前歷效應就越明顯。硫化鎘光敏電阻的暗態(tài)前歷效應曲線

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)前歷效應指光敏電阻測試或工作前已處于亮態(tài)，當照度與工作時所要達到的照度不同時，所出現的一種滯后現象，其效應曲線如下圖所示。硫化鎘光敏電阻亮態(tài)前歷效應曲線

低照度變?yōu)楦哒斩雀哒斩茸優(yōu)榈驼斩攘?、光譜特性

相對靈敏度與波長的關系曲線表示。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關系。

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：當光通量變化時，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設入射于光敏電阻的輻射為調制輻射正弦，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時；需考慮器件的噪聲：熱噪聲、產生－復合噪聲、１/f噪聲光敏電阻若接收調制輻射，其噪聲的等效電路如圖所示:ipingrintinfRLRpC噪聲等效電路ingr為產生－復合噪聲電流，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；c為載流子壽命；f是以調制頻率f為中心的通頻帶寬度。B1為常數；為常數，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熱噪聲產生復合噪聲總噪聲ffc0§4.5應用舉例

光敏電阻的重要特點是：光譜響應范圍寬，測光范圍寬，靈敏度高，無極性之分,價格便宜。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。使用中應注意：a.當用于模擬量測量時，因光照指數γ與光照強弱有關，只有在弱光照下光電流與入射輻射通量成線性關系。b.用于光度量測試儀器時，必須對光譜特性曲線進行修正，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，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。d.光敏電阻的溫度特性很復雜，電阻溫度系數有正有負，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