第03章_光电导探测器

未引入等效电容 两个时间
c
e (Rp0 //Ri //RL ) (C0 Ci )
e (Rp0 // Ri //RL ) Ci
Rp0Ci c
3.2 主要特性参数
3. 频率特性
i0 ip Rp0 iL RL
C
光电导探测器 输出电路
响应时间：
1. 光－电 载流子平均寿命 （较大） 2. 外接电路的时间常数 （可忽略）
杂质型光敏电阻：
hc 1240 0 ( nm ) E E
注意杂质型：1.常用N型 2.极低温度下工作
杂质型光敏电阻：极低温度下工作???
以N型为例： 1.杂质原子浓度远比基质原 Δ E ＝ E － E << E d c d g 子浓度低得多。 2. 常温--杂质原子束缚电子 或空穴已被热激发成自由态 作为暗电导率的贡献量。长 波光照,已无束缚电子或束缚 空穴供光激发用，即光电导 Δσ为零或很微弱。
Sg Gp E 或 Sg Gp Φ
光电导灵敏度： S/1m，S/1x S/μW，S/μW/cm2
3.2 主要特性参数
3. 频率特性
ip Rp0 RL Ri Ci
光电导探测器
两个阶段：
输出电路
c
e (Rp0 // Ri //RL ) Ci Rp0Ci Rp0C0 c
3.1.2.光照下的光电导响应过程
光照停止时：
dn(t ) 0 r n0 n(t ) p0 p(t ) rn0 p0 dt
初始条件：t =0，
Δn(0)=g c
Δn(t ) g ce
t / c
3.1.2.光照下的光电导响应过程
Δn(t ) g c (1 e
弱光（Δn(t) =Δp(t)<< p0） 初始条件：t =0，Δn(0) =0
Δn(t ) g c (1 e
t / c
)
3.1.2 光照下的光电导响应过程
光照时：
Δn(t ) g c (1 e
c 1/( p0 ) 为载流子寿命
t / c
)
t
Δn()=g c
Eg
ΔEd
Ec Ed
Ev
3.1 材料结构原理
3.1.2 光照下的光电导响应过程
光电导的响应与光生载流子Δn成正比
曲线的解释：
3.1.2 光照下的光电导响应过程
光照时： 增长率 产生率 复合率 热致产生率
dn(t ) g r n0 n(t ) p0 p(t ) rn0 p0 dt
(1 r )e x
U dxdy lz
e U n c (1 r )(1 elx ) 2 hv lz
U e I p 2 n c hv lz
3.1.3
结构和原理
光电导探测器 平均光电流
U e I p 2 n c hv lz
由此可得到两个结论：
(1). 光电导探测器为受控恒流源 (2). 光电导探测器光敏面做成蛇形
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第03章
光电导探测器
利用半导体光电导效应制成的器件称为光电导探 测器，简称PC（Photoconductive）探测器－－又 称为光敏电阻。
特点 ：
①光谱响应：紫外－－远红外 ②工作电流大，可达数毫安 ③可测强光，可测弱光 ④灵敏度高，光电导增益大于1 ⑤无极性之分
光电导探测器总的响应时间由探测器本身响应时间 决定 ，与外接负载电阻大小无关。
3.2 主要特性参数
3. 频率特性
信号发生器 偏 压
Rf CH1 示波器 CH2
光电导探测器 负载电阻
发光二极管
CdSe光电导探测器：
Load resistance RL/ Response time tr/ms
100 5.4
2
上限截止频率： f 1 HC 2 π c （频域）
光 电 导 响 应 速 度
3.1 材料结构原理
3.1.3
结构和原理
设样品为N型材料
任务：1.导出电流表达式
U e I p 2 n c hv lz
3.1.3
结构和原理
在x 处 光生载流子浓度
g ( x)
0 ΔN (1 r )e x ly lz Δx hvly lz
3.1.3
结构和原理
光电导探测器 平均光电流
U e I p 2 n c hv lz
(1). 光电导探测器为受控恒流源
光电阻Rp0--平均光照时 光敏电阻的阻值 U--光电阻Rp0上的分电压。 利用该等效电路可方便地计 算光电导探测器接受交变辐 射时的输出信号。 微变等效电路 使用条件：光通量变化较小
第03章
光电导探测器
3.1
材料结构原理
3.2
3.4
主要特性参数
偏置电路和应用
光电科学与工程学院
College Of Optoelectric Science and Engineering
3.1 材料结构原理
3.1.1
材料及分类
Ⅱ－Ⅵ、Ⅲ－V族化合物，硅、锗以及一些有机物等
本征型光敏电阻：
hc 1240 0 ( nm) Eg Eg
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College Of Optoelectric Science and Engineering
3.2 主要特性参数
1. 光电特性和γ值 2. 光电导灵敏度 3. 光谱特性 4. 频率特性 5. 温度特性 6. 前历效应 7. 噪声特性
1. 光电特性和γ值
光敏电阻的光电流与入射光通量（光照度） 之间的关系称光电特性
J ( x ) Δ ( x ) E en en
c
hvly lz
x
(1 r )e x E U lz
c
hvly lz
(1 r )e
光电导探测器 平均光电流
Ip
ly 0
0
lx
J ( x )dxdy
ly 0
0
lx
en
c
hvl y lz
3.1.3
结构和原理
2.光电导增益
U e I p 2 n c hv lz
e Ip M 0 hv
U M 2 c n e /( hv ) lz
－－光电导探测器的内增益，也称为光电导增益
Ip
第03章
Leabharlann Baidu
光电导探测器
3.1
材料结构原理
3.2
3.3
主要特性参数
偏置电路和应用
Δn(t ) g c (1 e
)
Δn(t ) g ce
t / c
弱光照条件下光电导响应的两个基本结论：
（1）响应时间（上升时间和下降时间） 等于载流子寿命且为常数 （2）稳态光电导 与产生率成线性关系，即与辐射通量成正比
强光照条件下： Δn(t ) g / r 1 / 2 tanh gr 1 / 2 t （讨论）
5. 噪声特性 光敏电阻噪声：
i i i
2 n 2 nr
2 ngr
4kTf cI f i 4eMIf R f
2 nf

减小噪声途径： －－光调制技术 －－致冷 －－合理偏置电路
总结：
常用光电导探测器
杂质型光敏电阻
按材料分，两大类型： 本征型光敏电阻
按工作波长： 紫外光响应 可见光响应 红外光响应
3.1.2.光照下的光电导响应过程
光照时： 增长率 产生率 复合率 热致产生率
dn(t ) g r n0 n(t ) p0 p(t ) rn0 p0 dt
光照停止时：
dn(t ) 0 r n0 n(t ) p0 p(t ) rn0 p0 dt
紫外光
可见光
红外－－极远红外光
光电导探测器波长响应范围
碲镉汞(HgCdTe)系列光敏电阻
Hg1-xCdxTe
合金法：CdTe
x是Cd含量组分
HgTe 工 作 温 度
x=0.2，光谱响应8～14μm
x=0.28，光谱响应3～5μm
x=0.39，光谱响应1～3μm
3.3 偏置电路 1．基本偏置电路及直流参数的计算
2．几种典型的偏置电路 3．光敏电阻应用举例
光电科学与工程学院
College Of Optoelectric Science and Engineering
hvly lz
( 1 r )e
x
漂移电流密度 （A/m2）为
J ( x ) Δ ( x ) E en en
c
hvly lz
x
(1 r )e x E U lz
c
hvly lz
(1 r )e
3.1.3
结构和原理
漂移电流密度 （A/m2）为
t / c
)
Δn(t ) g ce
t / c
弱光照条件下光电导响应的两个基本结论：
（1）响应时间（上升时间和下降时间） 等于载流子寿命且为常数
（2）稳态光电导 与产生率成线性关系，即与辐射通量成正比
3.1.2.光照下的光电导响应过程
(a) 光照时
(b) 光照停止时
t / c
I p S gU Φ


强光－－γ为0.5 弱光－－γ为1 γ＝ 0.5~1－－照度指数
弱光－－线性（测量） 强光－－非线性（控制）
α为电压指数，～1 Sg比例系数，与材料有关
＝ 1
3.2 主要特性参数
2. 光电导灵敏度
I p S gU E


弱光 ，
＝ 1
I p S gUE＝GpU
4. 光谱特性
红外区灵敏的几种光敏电阻
3.2 主要特性参数
4. 光谱特性
每一种器件都有特定的光谱响应波段。常用的光 电导探测器组合起来后可以覆盖从可见光、近红 外、中红外延伸至极远红外波段的光谱响应范围
近中紫外 可见光
近红外
中红外
远红外
波长增大 常用光电导探测器的光谱响应示意图
3.2 主要特性参数
1k 5.5
l0k 5.4
100k 5.4
光电导探测器总的响应时间由探测器本身响应时间 决定 ，与外接负载电阻大小无关。
3.2 主要特性参数
3. 频率特性
弛豫特性
ip
Rp0
C0
RL
Ri
Ci
ip
Rp0
RL
Ri
Ci
光电导探测器
输出电路
光电导探测器
输出电路
引入等效电容 总响应时间 探测器弛豫特性反映在电路
Δn(x )=g (x ) c
c
hvly lz
( 1 r )e x
3.1.3 在x处光生载流子浓度
结构和原理
Δn(x )=g (x ) c
x处的光电导率为
c
hvly lz
( 1 r )e x
Δ (x )=eΔn(x )n en
c
补充知识1：
电压源：RS<<RL
RS ES RL
电流源：RS>>RL
IS
RS
RL
两者关系： IS=ES/RS
补充知识2： 受控电流源： 例如，三极管h参数等效电路
ic ib
+
T
+
+
+
b
ib rbe
+ e
ic
c
+
+
+
+
u be +
u ce +
μr uce +
u be
β i b rce u ce +
最高频率 ~104HZ≈10KHZ 响应时间 ~ms量级
光电导探测器的频率特性差，不适于接收高频光信号。
3.2 主要特性参数
4. 光谱特性
可见光区灵敏的几种光敏电阻
峰值波长在515～600nm，接近555nm，可用于与 人眼有关的仪器，例如照相机、照度计、光度计 等，加滤光片进行修正
3.2 主要特性参数
光电导响应：
Δn
1 ω c
2

1 ω c
2
3.1.2.光照下的光电导响应过程
阶跃光照时 光电导响应： 响应时间： （时域） 正弦光照时
Δn(t ) g c (1 e
t / c
)
c
Δn g c 1 ω c
2
光电导响应：

Δn0 1 ω c
3.1.2.光照下的光电导响应过程
阶跃光照时
dn(t ) g r n0 n(t ) p0 p(t ) rn0 p0 dt
光电导响应： 正弦光照时
Δn(t ) g c (1 e
t / c
)
dΔn t ge jωt r n0 n( t ) p0 p( t ) rn0 p0 dt g c Δn0
光电导探测器 平均光电流
U e I p 2 n c hv lz
3.1.3
结构和原理
(1). 光电导探测器为受控恒流源 (2). 光电导探测器光敏面做成蛇形
－－光电流Ip与长度lz的平方成反比
3.1.3
结构和原理
光敏电阻结构示意图
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