第四章 光辐射探测技术2

硅光电二极管的结构 硅光电二极管的两种典型结构，其中(a)是采用N型单晶 硅和扩散工艺，称为p＋n结构。它的型号是2CU型。而 (b)是采用P型单晶和磷扩散工艺，称n ＋ p结构。它的型 号为2DU型。
2CU型
2DU型
p+n结构硅光电二极管 结构硅光电二极管(2CU) 结构硅光电二极管
n+p结构硅光电二极管（2DU）： 结构硅光电二极管（ 结构硅光电二极管 ）： 光敏区外侧有保护环（ 环区）， ），其目的是表面层漏 光敏区外侧有保护环（ n+ 环区），其目的是表面层漏 电流，使暗电流明显减少。其有三根引出线， 侧的电 电流，使暗电流明显减少。其有三根引出线，n侧的电 极称为前极， n侧的电极称为后极，环极接电源偏置正 极称为前极， 侧的电极称为后极， 侧的电极称为后极 也可断开，空着。 极，也可断开，空着。
4.4 光电导探测器工作原理
半导体材料受光照射时，由于吸收光能量而形成非 平衡载流子而导致材料电导率增加，这种现象称为 光电导效应。利用光电导效应制作的光探测器称为 光电导探测器，简称PC[Photoconductive)探测器，通 常又称为光敏电阻。
1、工作原理 、
光电导探测器是在均质的光电导体两端加上电极后构成的。 两电极加上一定电压后，当光照射到光电导体上时，材料 形成本征吸收或杂质吸收，产生光生载流子，在外加电场 作用下沿一定方向运动，在光探测器输出回路中产生反映 光信号强度的光电流。
N
XN
XP
P
A 硅光电池光探测原理
自 偏 工 作 状 态
Fra Baidu bibliotek
硅光电池的受光面的输出电极多做成如图所示的梳齿 状或“E”字型电极，目的是减小硅光电池的内电阻。
光电池的基本特性参数 开路电压和短路电流： 对应负载RL=∞和RL=0两种情况。 硅光电池的光电转换效率： 将硅光电池的输出功率与入射辐射通量之比，定义 为硅光电池的光电转换效率。
RG
CdS光敏电阻的结构和符号
1--光导层; 2--玻璃窗口; 3--金属外壳; 4--电极; 5--陶瓷基座; 6-- 黑 色 绝 缘 玻 璃 ; 7--电阻引线。
(2) PbS探测器 这是一种性能优良的近红外辐射探测器，其波长响 应范围在1µm~3.4µm，峰值响应波长为2µm，内阻 (暗阻)大约为1MΩ，响应时间约200µs，室温工作能 提供较大的电压输出。广泛应用于遥感技术和武器 红外制导技术。
4.5 pn结光伏探测器工作原理 结光伏探测器工作原理
光伏探测器是利用半导体PN结光伏特效应而制成 的探测器，简称PV(Photovoltaic)探测器。PN结光 伏探测器的典型结构及作用原理如下图所示。
1、工作原理 、 当光入射到探测器时，如果光子能量足够大，在结区、 P区和N区均能激发出电子—空穴对。这些光生载流子 靠扩散进入结区，并在结区内建电场的作用下，电子 向n区、空穴向p区漂移运动，在外回路中形成光电流。 光电流在负载电阻RL上产生与入射光通量相关的信号输 出。
N
P IL RL
u RL 反向偏置电路
原理示意图
光伏探测器伏安特性
光导模式
光伏模式
4.6 硅光电池 硅光电池——太阳电池 太阳电池
光电池也称光伏电池，实质上就是大面积的PN结， 工作在光导模式。 由于光电池常常用于把太阳光能直接变成电能，因 此又称为太阳电池。 光电池的种类很多，如有晒光电池，氧化亚铜光电 池，锗光电池，砷化镓光电池，硅光电池等等。目 前，应用最广的是硅光电池。硅光电池的价格便宜， 光电转换效率高，光谱响应宽(很适合近红外探测)， 寿命长，稳定性。
（4）温度特性 ）
光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。随着温度的 升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化 也会影响光谱特性曲线。观测光敏电阻的相对光电导率随 温度的变化关系，可以看出光敏电阻的相对光电导率随 温度的升高而下降，光电 响应特性随着温度的变化 较大。因此，在温度变化 大的情况下，应采取制冷 措施，尤其对长波长红外 辐射的探测领域更为重要。
第四章 光辐射探测技术
基本要求 （1）熟练掌握光电探测器的物理效应； （2）掌握常用光电探测器的基本特性； （3）了解光电探测器的性能参数。 重点、难点 重点：光电探测器的物理效应。 难点：pn结光伏探测器的工作模式。
内 容
一、光电探测器的物理效应 二、光电探测器的性能参数 三、光电探测器的噪声 四、光电导探测器 五、pn结光伏探测器 六、硅光电池 七、光电二极管 八、光电倍增管 九、光热探测器
（3）InSb（锑化铟）探测器 主要用于3µm~5µm波段的大气窗口。 在77k下, 长波限为5.5µm，峰值响应波长为5µm， 峰值比探测率D*=4.3×1010cm·Hz1/2/W （4）HgxCd1-xTe（碲镉汞）探测器 HgxCd1-xTe也简写为MCT或CMT，它是由HgTe和 GdTe两种材料混在一起的固溶体,其禁带宽度随组 分x呈线性变化。 当x=0.2时响应波长为8～14µm,工作温度77k。
光敏电阻结构示意
光敏电阻的结构和偏置电路
光敏电阻
4、 工作特性 、
（1）光谱响应特性 光敏电阻对各种光响应灵敏度随入射光的波长λ变化而变 化的特性称为光谱响应特性。谱响应特性通常用光谱响应 曲线、光谱响应范围、峰值响应波长以及长波限来描述。 把响应度随波长变化的规律画成曲线称为光谱响应曲线。 通常取响应的相对变化值，并把响应的相对最大值作为1， 这种曲线称为“归一化光谱响应曲线”。
探 测 器 工 作 原 理
E N
XN XP
P
V
光敏电阻演示 当光敏电阻受到 光照时，光生电 子—空穴对增加， 阻值减小，电流 增大。 增大。
暗电流（越小越好） 暗电流（越小越好）
光电导探测器原理及符号
2、光电导探测器基本结构 、
两电圾间距离Z有关。因此，为了提高光敏电阻的光 电导灵敏度，要尽可能地缩短光敏电阻两电极间的 距离， 这就是光敏电阻结构设计的基本原则。
由图可见，在低反压下电流随 光电压变化非常敏感。这是由 于反向偏压增加使耗尽层加宽、 结电场增强，它对于结区光的 吸收率及光生裁流子的收集效 率影响很大。当反向偏压进一 步增加时，光生载流子的收集 已达极限，光电流就趋于饱和。 这时，光电流与外加反向偏压 几乎无关，而仅取决于入射光 功率。
光电二极管在较小负载电阻下，入射光功率与光电流 之间呈现较好的线性关系。图示出了在一定的负偏压 下，光电二极管光电流输出特性。
响应度最大时所对应的波长称为峰值响应波长，以λ m 表示。长波限λc取决于制造光敏电阻所用半导体材料的 禁带宽度，其值可由下式估算：
hc 1.24 λ0 = = ( µm) Eg Eg Eg 单位eV
（本征材料）
hc 1.24 λ0 = = ( µm) En En En 单位eV （非本征材料）
注意：教科书上峰值 响应波长的定义是错 误的。
硅光电二极管的特性 1.光谱特性 2.伏安特性 3.频率特性 4.温度特性
（1）光谱响应特性 ）
通常将其峰值响应波长的电流灵敏度作为光电二极管 的电流灵敏度。硅光电二极管的电流响应率通常在 0.4~05µA/µW
Si光电二极管光谱响 应范围：0.4~1.1µm 峰值响应波长约为 0.9 µm
（2）伏安特性 ）
伏安特性曲线
利用图所示的电路可以测出在不同光照下加在光敏电阻两 端的电压u与流过它的电流i的关系曲线，并称其为光敏电 阻的伏安特性曲线。
Rg＝ctgα
α
Vs
i
Rg RL
u
伏安特性曲线
光敏电阻工作电路
（3）时间响应特性
光敏电阻的时间响应(又称为惯性)比其他光电器件要差 一些，频率响应要低一些，当用一个理想方波脉冲辐射 照射光敏电阻时,光生电子要有产生的过程，光生电导 率，要经过一定的时间才能达到稳定。当停止辐射时， 复合光生载流子也需要时间，表现出光敏电阻具有较大 的惯性。
光电池在动力方面的应用（ 光电池在动力方面的应用（续）
太阳能发电
光电池在动力方面的应用（续）
光电池在人造卫星上的应用
4.7 光电二极管
常用光伏探测器主要有PN型光电二极管、PIN光电 二极管、雪崩光电二极管、光电三极管、硅光电池 等。 1、Si 光电二极管 具有光伏效应的半导体材料有很多，如硅(Si)、锗 (Ge)、硒(sc)、砷化镓(GaAs)等半导体材料。利用这 些材料能够制造出具有各种持点的光生伏特器件。 其中硅光生伏特器件具有制造工艺简单、成本低等 特点。因此，硅光电二极管应用最为广泛，同时也 是最具有代表性、最基本的光生伏特器件，其他光 伏器件是在它的基础上为提高某方面的特性而发展 起来的。
硅光电池的用途大致可分为两类： 第一类是用做光电探测器件使用；第二类是用做电 源。 作为光电探测器件，广泛用于近红外辐射的探测器、 光电读出，光电耦合，激光准直，光电开关以及电影 还声等。这类应用要求光电池照度特性的线性度好。 作为电源，广泛用做太阳能电池，作为人造卫星、 野外灯塔、无人气象站、微波站等设备的电源使用。 此类应用主要要求价廉，输出功率大。
光电池的光谱响应曲线
光电池外形
光敏面 光生伏特效应：在光线的作用下, 光生伏特效应：在光线的作用下,物体 产生一定方向电动势的现象. 产生一定方向电动势的现象.
能提供较大电流的大面积 光电池外形 光电池外形
其他光电池及在照度测量中的应用
柔光罩下面为圆形光电池
光电池在动力方面的应用
太阳能赛车 太阳能 硅光电池板 太阳能电动机模型
硅光电二极管的封装
光敏二极管
光敏二极管的反向偏置接线及 光照特性示意图 照
在没有光照时，由于 二极管反向偏置，反 向电流（暗电流）很 小。
光照
RL
光敏二极 光敏二极 管的反向 偏置接法
当光照增加 光电流I 时，光电流 Φ与 光照度成正比关 系。
光敏二极管外形
包含1024个InGaAs元件 个 包含 元件 的线性光电二极管阵列， 的线性光电二极管阵列，可用 于分光镜。 于分光镜。
（2）光敏电阻的光照特性和伏安特性 ）
光照特性 图是GdS光敏电阻的光照特性曲线。可以看出在入射 光功率较弱时，光电流与入射光功率可简单视为线 性关系，若入射光功率过大，则将出现非线性特性。 使用时应注意这个问题。
伏安特性
光敏电阻的本质是电阻，符合欧姆定律，因此它具有与普 通电阻相似的伏安特性，但是它的电阻值是随入射光功率 而变化的。 暗电阻：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后 经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定 电压下流过的电流为暗电流。 亮电阻：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下 的亮电阻。此时流过的电流称为亮电流。 实 用 的 光 敏 电 阻 的 暗 电 阻 往 往 超 过 10M , 甚 至 高 达 100M ，而亮电阻则在几k 以下，暗电阻与亮电阻之比 在102～106之间，这一比值越大，光敏电阻的灵敏度越高。
光电池结构
硅光电池按衬底材料的不同可分为2DR型和2CR型。图所 示为2DR硅光电池的结构。它是在P型硅片上扩散硼形成 N型层，并用电极引线把N型和P列层引出，形成正负电 极。为防止表面反射光，提高转换效率，通常在器件受 光面上进行氧化，形成SiO2保护膜。
ℏω G Si 绝缘层 透明电极 引出电极
3、几种典型的光敏电阻 、
(1) CdS和CdSe探测器 这是两种低造价的可见光辐射探测器，它们的主要特点 是高可靠和长寿命，因而广泛应用于自动化技术和摄影 机中的光计量。这两种器件的光电导增益比较高(103~ 104)，但响应时间比较长(大约50ms)。
1 2 3 4 5 6 7 (a)结构 (b)电极 (c)符号
RL
2、光伏探测器工作模式 、
光伏探测器工作模式： 光伏探测器工作模式：光伏模式和光导模式。在零偏 压时称为光伏工作模式，在反偏电压时称为光导模式。
光导模式
光伏模式
在反向偏置状态，PN结势垒区加宽，有利于光全载流 子的漂移运动，使光生伏特器件的线性范围和光电变 换的动态范围加宽，响应频率高。 Ubb
+
硅光电池
钢片
测量硅光电池的主要功能是光电探测，即在不加偏置 的情况下将光信号转换成电信号，此时对它的要求是 线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性高、 寿命长等。它常被应用在光度、色度、光学精密计量 和测试设备中。
测量硅光电池的主要功能是光电探测，即在不加偏置 的情况下将光信号转换成电信号。