第四章光电导探测器

--- 光电导器件工作的物理基础
存在于大多数半导体中，金属中不存在（大量自由电子）
2．半导体的暗电导率 • 半导体的电导率定义
en nep p
暗电导——无光照的电导
g A (1)
l
3．光辐射改变半导体的电导率 1）本征光电导
光子
光激发
激发（电-空对）
产生载流子增量△n＝△P
光生载流子
导带
电子
△n↑△P ↑ → △g
加在光敏电阻上的电压为Rd与RL对电压VA的分压， 即U0={Rd/(Rd+RL) }UA，因此，流过负载电阻的电流微变 量与光电流的关系为
dIL
Ip
Rd Rd RL
Ip
Rd
RL du0 直流微变等效电路
2.2 短路电流ISC 恒压偏置电路(RL<<Rd) • 探测器上的偏置电压与Rd无关U0=VA,基本恒定,
2、InSb光电导探测 器 InSb光敏电阻是3~5μm光谱范围内的主要探测器件
之一。 InSb材料不仅适用于制造单元探测器件，也适宜制
造阵列红外探测器件。
InSb光敏电阻在室温下的长波长可达7.5μm，峰值
波长在6μm附近，比探测率D*约为1×1011cm·Hz·W-1。
当温度降低到77K（液氮）时，其长波长由7.5μm缩短到
1、本征型半导体光敏电阻 只有当入射光子的能量h等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg时才能激 发电子空穴对，在外加的电场作用下形成光电流。这种本征光电导效应可 用来检测可见光和近红外辐射。
2、掺杂型半导体光敏电阻
如n型半导体，光子的能量只要大于杂质的电离能就能把施主杂质能级上 的的电子激发到导带而形成导电电子，在外加电场的作用下形成光电流。 这种效应可以检测波长较长的辐射。主要用于超过5微米的波段。
ddu0 0
dRL
Rd RL
Rd=RL即为负载匹配工作状态的工作条件
输出电压
d0u d0IR LIpR R dd R R LL1 2IpR L
§4-2 光电导探测器的性能参数
• 一、光电导电流增益（G） • 定义 长度为L的光电导体在两端加上电压V后，由光照产
生的载流子在电场作用下在输出回路形成的光电流
光电导探测器内增益等于载流子平均寿命τ0与载 流子在探测器两极间的渡越时间τd之比。
G0 0 v0
d
L源自文库v
L
Ip
e h
PG
G=1,τ0=τd,每产生一个光电子对外回路电流正好提 供一个电子的电荷量e。
G<1,τ0<τd,每产生一个光电子对外回路电流的贡献 小于一个电子的电荷量e。
G>1,τ0>τd,每产生一个光电子对外回路电流的贡献 大于一个电子的电荷量e。
Hg1-xCdxTe系列光电导体是由HgTe和CdTe两种材料的晶体 混合制造的，其中x标明CdTe元素含量的组分。在制造混合晶体时 选用不同CdTe的组分x，可以得到不同的禁带宽度Eg，便可以制造
出不同波长响应范围的Hg1-xCdxTe探测器件。一般组分x的变化范
围为0.18~0.4，长波长的变化范围为1~30μm。
二、光电导探测器的噪声
• 光敏电阻的主要噪声 有热噪声、产生复合 和低频噪声(或称1/f 噪声)。
三、响应率
• 电流灵敏度
Ri
Ip P
e h
G
• 电压灵敏度
Rv
UIp Rd PP
ehGR d
•光敏电阻的光电导灵敏度
Sg
gp E
gp--- 光敏电阻的光电导（西门子S，-1） E--- 照度（勒克斯lx） Sg--- S/lx（S.m2/W）
第四章 光电导探测器
光电子技术
§4-1 光电导探测器的工作原理
一、光电导效应
1. 定义 • 光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光
电导效应。 • （内光电效应，photoconductive PC） • 当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能
量，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导 率增大。 • 电导率的改变通过电量测量来获得。
5.5μm，峰值波长也将移至5μm，恰为大气的窗口范围，
峰值比探测率D*升高到2×1011cm·Hz·W-1。
3、CdS光敏电阻
CdS光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应 特性最接近人眼光谱光视效率，它在可见光波段范围内 的灵敏度最高，因此，被广泛地应用于灯光的自动控制， 照相机的自动测光等。
与光生载流子在内部形成的初生光电流之比
G e iN V L A 2 nn V L A 2 pp G n G p
• Gn称为光电导探测器中电子增益系数 • Gp称为光电导探测器中空穴增益系数
Gn
n tn
G
p
p tp
• 在半导体中,电子和空穴的寿命是相同的
n p
• 总的光电导增益G为
GGnGptntp
CdS光敏电阻的峰值响应波长为0.52μm，CdSe光 敏电阻为0.72μm，一般调整S和Se的比例，可使Cd（S， Se）光敏电阻的峰值响应波长大致控制在0.52~0.72μm 范围内。
4、PbS光敏电阻
PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件。
PbS光敏电阻在2μm附近的红外辐射的探测灵敏度 很高，因此，常用于火灾的探测等领域。
温度升高，光敏电阻在黑暗时的 电流增大，导致在光照时电流增 加不多，则I减小，灵敏度降低
温度还影响光谱特性、峰值响应 波长等等一些因素。
六、频率响应及响应时间
--- 非平衡载流子的产生与复合有一个时间过程（影响 光敏电阻对变化光照的响应）
--- 频率响应
R0 --- 器件在零频时的响应度； =2f为信号的调制圆频率； f为调制频率；为响应时间 相对输出随光调制频率的增加而减小
g光 = gL-gd
2.1 基本偏置电路
设在某照度Ev下，光敏电阻的阻值为Rd，电导为g， 流过负载电阻RL的电流为IL
IL
VA Rd RL
用微变量表示
dIL(RdV ARL)2dRd
Rd
RL
而，dRd=d(1/g)=(-1/g2 )dg
VA
dg=Ip/u0
因此
ddR R d2u Io p R d2IpR R d d V A R L
流过RL输出的电流信号为
dLIISC IpR dR dR LIpehP G
2.3 开路电压VOC 恒流偏置电路(RL>>Rd)
• 工作过程中流过探测器的电流基本恒定
,IL=VA/RL+Rd,输出的电压信号
V OC d0 U dLIRLIpRd
2.4 负载匹配时探测器输出电压
d0u dILR L(R dV A R L)2dR d R L
t1nt1p
•令
1 11 tdr tn t p
• tdr为载流子渡越极间距离L所需要的有效渡越时间
G
t dr
增益、带宽矛盾
光敏电阻结构
一块半导体材料两端加上电极，两端面接上电极引 线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内
光敏电阻的 基本结构
梳状电极 --- 光敏 面做成蛇形（较大 的受光表面，减小 电极之间的距离 --- 减小载流子的有 效极间渡越时间， 提高灵敏度）
Sg
Ip U
E
Ip UE
Ip SgVE
光电特性
图为硫化镉光敏电阻的光电 特性。 强光照射时，光电特性为非 线性。
在实用范围内，有如下关系：
Ip＝KU a E b
式中 I p——光电流； U ——加于光敏电阻的电压； E——光敏电阻上的照度； K ——材料决定的比例系数； a ——电压指数，一般近于1； b ——照度指数。
• 本征型用于可见光长波段,杂质型用于红外波段。
4．光电导计算
g A l e( nn pp)A l
n ANln
Al―――体积 τn―――寿命 N―――每秒产生的电子空穴对数
• 光电导
A N N N
g e l(A nn l A nl p ) e l2 (nn np )
• 5．光电导电流增益（G） • 定义 长度为L的光电导体在两端加上电压V后，由光照产 生的载流子在电场作用下在输出回路形成的光电流 与光生载流子在内部形成的初生光电流之比
Eg
价带
空穴
只有光子能量h大于材料禁带宽度Eg 的入射光才能 激发出电子空穴对，使材料产生光电导效应的现象
hEcEvEg
故探测器能吸收光波长为
c
hc Eg
c 为截止波长
c(m)
1.24(eV) Eg
2）非本征光电导
导带
电子
导带
ΔＥi
施主
空穴
受主
电子
价带
价带
ΔＥi 空穴
• 杂质型光电导效应：对于Ｎ型半导体，当入射光子的 能量等于或大于杂质电离能ΔＥi时，将施主能级上的 电子激发到导带而成为导电电子，在外电场的作用下 ，形成光电流。
弱光时,b=1 --- 光电流与 光照度的线性关系
Ip KUE
四、光谱特性
--- 相对电流灵敏度与波长的关系曲线 --- 灵敏度范围、峰值波长位置、各波长下灵敏度的相对关系
整个可见光区域 峰值波长：515~600nm --- 与人眼有关的仪器 （照相机、照度计、光度计）
五、温度特性
光敏电阻的性质受温度的影响较 大，随着温度的升高灵敏度要下 降。图示硫化镉的光电流与温度 的关系。不同的材料其温度特性 也不一样
fc •GC
七、前历效应
前历效应分为短态前历效应和中态前历效应
• 短态前历效应数值越大,灵敏度越高;通常在黑暗中放置的时 间越短,短态前历效应越显著。 • 中态前历效应数值越小越好。
光敏电阻的使用要点
① 用于模拟量时，只有在弱光照射下光电流与入射 辐射通量成线性关系
② 用于光度量测试仪器时，必须对光谱特性曲线进行 修正，保证其与人眼的光谱光视效率曲线相符合 ③ 冷却灵敏面-—提高长波区灵敏度（光谱特性与温 度有关，温度低时，灵敏范围和峰值波长都向长波方 向移动）
④ 不适于在高温下使用（温度特性复杂） ⑤ 要求带宽---牺牲灵敏度（频带宽度比较窄）
⑥ 动态设计 --- 前历效应
§4-3 实用光电导探测器
1、Hg1-xCdxTe光电导探测器件
Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件是目前所有红外探测器中性能 最优良最有前途的探测器件，尤其是对于4~8μm大气窗口波段辐 射的探测更为重要。
漂移面电流密度 Jxen xv
漂移速度 v=μnE=μnVA/L
光电导探测器输出的总光电流
IpJxd A 0 dJxwd exw 0 dnv xd
Ad
光电导探测器在高为dx的长方体微元每秒钟单位体积产生的光 生自由电子数
Px
wLh
产生率
n型半导体光敏电阻自由电子的寿命τ0
复合率
nx
0
稳态后,产生率=复合率
光敏电阻具有体积小，坚固耐用，价格低廉，光谱响应 范围宽等优点。
三、光电导探测器的工作原理
下图所示为光敏电阻的原理图与光敏电阻的符号，在 均匀的具有光电导效应的半导体材料的两端加上电极便构 成光敏电阻。
电极
光照
入射光
1.光电导探测器的光电流
n型半导体光敏电阻
VA为外加偏压,RL为负载电阻
设入射的光功率为 P xP 1 R e x
Px nx
wLh 0
n xP h x•w 0 L P 1 h R e x•w 0 L
I p eP w h 1 w R v 00 d L e x d P x 1 h R L 0 2 e n V A u 0 d e x dx
令有效量子效率
1R dexd 0
x
IpP h 0 e L 2 n V u A h eP 0 u L n 2 V A h eP v L 0
2.光电导探测器的工作模式及等效电路
• 光敏电阻两端加电压（直流或交流）。无光照 时，阻值（暗电阻）很大，电流（暗电流）很 小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值（亮 电阻）急剧减少。在外场作用下，光生载流子 沿一定方向运动，形成光电流（亮电流）。 光电流：亮电流和暗电流之差；
I光 = IL-Id
光电导：亮电导和暗电导之差；
GeiN V l2(nnpp)
其中 iV gel2N(V nnpp)
6. 光电导弛豫过程 • 光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要
经过一定时间的。同样光照停止后光电流也是逐 渐消失的。这些现象称为弛豫过程或惰性。 • 对光电导体受矩形脉冲光照时，常有上升时间常 数τ所时r表τ需 所r和 示的 需下 光时 的降 生间 时时载， 间间流。τf表常子示数浓从度τf来停从描光零述前增弛稳长豫态到过值稳程衰态的减值长到63短3%7。时%
6. 光电导弛豫过程
弛豫特性限制了器件对调制频率高的光功率的响应
7. 光电导的光谱分布
二、光电导探测器
利用具有光电导效应的材料（如硅、锗等本征半导体 与杂质半导体，硫化镉、硒化镉、氧化铅等）可以制成 电导随入射光度量变化器件，称为光电导器件或光敏电 阻。根据半导体材料的分类，将光敏电阻分为两种类型 —本征型半导体光敏电阻和掺杂型半导体光敏电阻。