第4章 光电导器件

光谱特性多用相对灵敏度与波长的关系曲线表示。从这种曲线中可以直接看出灵敏范围、峰值波长位 置和各波长下灵敏度的相对关系。见图 4− 7 和图 4− 8。
4．2． 5 响应时间和频率特性 光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是需要一定时间的，这个时间叫响应时间；同样，当光照 停止后光电流也是逐渐消失的。以上整个过程如图 4− 9 所示，称为光电导弛豫过程。它反映了光敏电阻 的惰性，响应时间长说明光敏电阻对光的变化反应慢或惰性大。
J 0 E x q p (b 1) Ex
s hvV
(4−5)
由于光照的增加，电导率增加了，光电流也增加了。 也可以推导出光电流随半导体电导率变化的公式。若无光照时，图 4− 1 所示光敏电阻 的暗电流为
Id
式中：L——光电导体长度； A——光电导体横截面面积。
V 0 A L
t p p0 exp( )

(4− 14)
光照停止后，定义光生载流子下降到稳定值的 37％时所需的时间为下降时间。上升时间和下降时间相 等，同等于载流子寿命，t = τ。 当输入光功率按正弦规律变化时，光生载流子浓度随光调制频率变化的关系为
p
g 1 w
2 2

p0 1 w

qAV(n0 n p0 p ) L
在光辐射作用下，假定每单位时间产生 N 个电子 −空穴对，它们的寿命分别为 τn 和 τp，那么，由于光 辐射激发增加的电子和空穴浓度分别为
n p
N n AL N p AL
于是，材料的电导率增加了 Δσ， q(nn p p ) 称为光电导率。由光电导率 Δσ 引起的光电 流为
4．1． 2 光敏电阻的工作原理 光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时两电极可加直流电压，也可加交流电压。无光照时， 光敏电阻的阻值很大，电路中电流很小。接受光照时，由光照产生的光生载流子迅速增加，它的阻值急剧 减少。在外电场作用下光生载流子沿一定方向运动，在电路中形成电流，光生载流子越多电流越大。 如图 4−1 所示，当光电导体上加上电压，无光照时光电导体具有一定的热激发载流子浓度，其相应的 暗电导率为
0 q(n0 n p0 p )
有光照时产生的光生载流子浓度用 Δ n 和 Δ p 表示。光照稳定情况下的电导率为
(4−1)
0 q[(n0 n)n ( p0 p) p ]
得到光电导率为ห้องสมุดไป่ตู้
(4−2)
0 q(nn p p ) q p (bn )
式中，b = μn / μp 为迁移比。 在恒定的光照下，光生载流子不断产生，也不断复合。当光照稳定时，光生载流子的浓度为
(4−3)
n0 p0 g
其中， g 为载流子产生率。若入射的光功率为 ，两者的关系为
g
式中，η 为量子效率，V 为材料体积。
s hvV
(4−4)
在电场强度的作用下，短路光电流密度为
I = Ip + I D = gpU + gdU = SgEU + gd U = ( SgE + gd )U = gU (4− 8) 式中，I 为亮电流；I D 为暗电流； gd 为暗电导； g 为亮电导。所以若考虑暗电流时光敏电阻的光电导为 gp = g − gd 4．2． 2 光电导增益 光电导增益 M 是光敏电阻的一个重要特性参数，它表示长度为 L 的光电导体两端加上电压 U 后，由 光照产生的光生载流子在电场作用下所形成的外部光电流与光电子形成的内部电流 (qN)之间的比值，并由 式(4− 6)得
M Mn M p

tn


tp
(
1 1 ) tn t p
如果把 1／t n 和 1／tp 之和定义为 1／tdr，即
1 1 1 tdr tn t p
式中，tdr 称为载流子通过极间距离 L 所需要的有效渡越时间，于是
M

tdr
4．2． 3 量子效率 光电导器件的量子效率 η，表示输出的光电流与入射光子流之比。 假设入射的单色辐射功率中 Φ(λ )能产生 N 个光电子，则量子 效率
2 2
(4 − 15)
可见，输出光电流与调制频率的关系具有低通特性，如图 4− 10 所示。光电导的弛豫特性限制了器件 对调制频率高的光信号的响应。 许多光电导材料在弱光照时表现为线性光电导，即光电导与入射光功率成正比，其时间响应和频率响 应规律如图 4− 9 和图 4− 10 所示。而在强光照时光电导与入射光功率的平方根成正比，呈抛物线特性。这 时定义其上升和下降时间仍是 t= 。但它们相当于上升到稳态值的 76%，下降到稳态值的 50%。
通常材料突然受光照到稳定状态时，光生载流子浓度的变化规律为
t p p0 1 exp( )
其中，Δp0 为稳态光生载流子浓度。 定义光生载流子浓度上升到稳态值的 63％所需的时间称为光敏电阻的上升响应时间。 同样，在停止光照后光生载流子浓度的变化为
(4− 13)
(4 − 7)
Gp 为光电导，单位为西门子 S(Ω-1)；E 为照度，单位为勒克斯(lx)。所以 S g 单位为西门子每勒克斯(S ／lx)或 Sm2／W。 gp 称为光敏电阻的光电导，可表示为
gp
Ip U
Sg E
或
gp = S gΦ 注意以上两式中 Sg 单位不同。若考虑暗电导产生的电流时，则流过光敏电阻的电流为
()
N Nhv () / hv ()
(4− 10)
这是个无量纲的量，它表示单位时间内每人射一个光子所能引 起的载流子数。图 4− 5 分别为硅和锗的量子效率 η 与波长 λ 的关 系曲线。
4．2． 4 光谱响应率与光谱响应曲线 因为通常人射光的单位以瓦或流明数表示，量子效率在实际应用上很不方便。一般用安／瓦为单位的 光谱响应率来表征光敏电阻的特性。光谱响应率表示在某一特定波长下，输出光电流 (或电压)与入射辐射 能量之比。输出光电流为
光敏电阻是在一块均质光电导体两端加上电极， 贴在硬质玻璃、 云母、 高频瓷或其他绝缘材料基板上， 两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内而成的，如图 4−2。
光敏电阻分为两类——本征型光敏电阻和掺杂型光敏电阻，前者只有当入射光子能量 hv 等于或大于 半导体材料的禁带宽度 Eg 时才能激发一个电子−空穴对，在外加电场作用下形成光电流，能带结构如图 4−3(a)所示；后者如图 4−3(b)所示的 N 型半导体，光子的能量 hv 只要等于或大于△E(杂质电离能)时，就 能把施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外加电场作用下形成电流。从原理上说， P 型、N 型半导体均可制成光敏电阻， 但由于电子的迁移率比空穴大， 而且用 N 型半导体材料制成的光敏电阻性能 较稳定，特性较好，故目前大都使用 N 型半导体光敏电阻。为了减少杂质能级上电子的热激发，常需要在 低温下工作。
第4章 光电导器件
1.光敏电阻的工作原理 2.光敏电阻的特性参数 3.光敏电阻的偏置电路和噪声 4.光敏电阻的特点和应用
光电导器件是利用半导体材料的光电导效应制成的一种光电探测器件。 所谓光电导效应是当材料受到 光辐射后， 材料的电导率发生变化的现象。 对于每一种半导体或绝缘体来说， 它们都有一定的光电导效应， 但只有其中一部分材料经过特殊处理，掺进适当杂质，才有明显的光电导效应。现在使用的光电导材料有 Ⅱ−Ⅵ族、Ⅲ −V 族化合物，硅、锗及一些有机物等。最典型也是最常用的光电导器件是光敏电阻。 光敏电阻有以下特点： ①光谱响应范围宽，尤其是对红光和红外辐射有较高的响应度； ②偏置电压低，工作电流大； ③动态范围宽，既可测强光，也可测弱光； ④光电导增益大，灵敏度高； ⑤光敏电阻无极性，使用方便。 本章主要介绍光敏电阻的工作原理、基本特性和基本偏置电路。 4． 1 光敏电阻的工作原理 4．1． 1 光敏电阻的结构和分类 光敏电阻是用光电导体制成的光电器件，又称光导管，其符号如图 4−1 所示。
当光敏电阻接收交变调制光(入射光为 Φ(t)=Φ·e jwt)时，随着调制光频率的增加，输出电压会减小。当 输出的相对幅值下降至 0.707 倍(相应的零频时的信号功率为一半)时，入射光的频率就是该光敏电阻的截 止频率 f3dB。
截止频率表示为
f 3dB
1 2
(4 − 16)
可见，响应时间与响应频率是完全等价的。一般对脉冲光信号用响应时间 τ 来描述，而对正弦调制光 信号用频率响应来描述，图 4− 11 给出了 4 种不同材料光敏电阻的频率响应曲线。
4．2． 6 光电特性和 γ 值 光敏电阻的光电流与入射光通量之间的关系称光电特性，式(4− 11)给出了光电流与入 射单色辐射通量之间的关系，即
I p ( ) q
( )
hv tdr
由前面分析可知，当弱光照时 τ、tdr 不变，Ip(λ )与 Φ(λ )成正比，即保持线性关系。但当强光照时，τ 与光电子浓度有关， tdr 也会随电子浓度变大或出现温升而产生变化，故 Ip(λ ) 与 Φ(λ )偏离线性而呈非线性。一般采用表示光敏电阻的光电特性的公式为
Ip
UA qAU(nn p p ) qNU 2 ( n n p p ) L L L
(4− 6)
由式(4− 6)知道，光敏电阻的光电流，Ip 与 L 的平方成反比。因此在设计光敏电阻时为了既减小电极 间的距离 L，又保证光敏电阻有足够的受光面积，一般采用图 4− 4 所示的几种电极结构。
(4 − 12)
从式(4− 12)看出，增大增益系数可得到很高的光谱响应率，实际上常用的光敏电阻的光谱响应率小于 1 A／W，原因是高增益系数的光敏电阻的电极间距很小，使得光敏电阻集光面积太小而不实用。若延长 载流子寿命也可提高增益因数，但这样会降低响应速度，因此在光敏电阻中，增益与响应速度是相互矛盾 的两个量。 不同频率时的光谱响应率连接起来就成为光谱响应曲线。 图 4− 6(a)为本征光电导材料的理想光谱响应曲线。 但是实际光电导材料对各种波长辐射的吸收系数不 同，在材料不同深度上获得的光功率为 Φ = Φs( 1 − e -ay )也不同。在较长波长上，吸收系数很小，一部分辐 射会穿过材料，量子效率较低。随着波长减小，吸收系数增大，入射光功率几乎全被材料吸收，光电导率 将达到峰值。当波长再减小时，吸收系数进一步增加，靠近材料表面附近光生载流子比较密集，致使复合 增加，光生载流子寿命减低，量子效率也随之下降，向短波长方向的光谱响应显著下降。一般情况下峰值 靠近长波限， 实际定义长波限为峰值一半处所对应的波长。 光电导材料的光谱响应的一般规律如图 4− 6(b) 所示。
4． 2 光敏电阻的主要特性参数 光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻，此时流过电阻的电流称 为暗电流。光敏电阻在一定照度下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。亮 电流和暗电流之和称为光电流。 光敏电阻有以下几个特性参数。 4．2． 1 光电导灵敏度 按灵敏度定义(响应量与输入量之比)，可得光电导灵敏度 S g 为 Sg = Gp／E
I p ( ) qNM q
则光谱响应率为
( )
hv
M q
( )
hv tdr
(4 − 11)
S ( )
I p ( ) ( )

q( ) 1 q q q M hv tdr ( ) hvtdr hc tdr hc
M
式中：
Ip qN

U U U ( ) p p M n M p n n p p n n L2 L2 L2
(4−9)
U n n L2 U M p 2 p p L Mn
M n 和 Mp 分别为光敏电阻中电子和空穴的增益系数。 在半导体中，电子和空穴的寿命是相同的，都等于载流子的平均寿命 τ 来表示它们的寿命，即 τ = τ n = τp，则本征型光敏电阻的增益可写成