光电传感技术第三章-光电导器件

上节回顾
噪声等效功率
两个光电特性参数
NEP是描述光电探测器探测能力的参数。
探测度
NEP的倒数
归一化探测度D*
器件的面积A和测量系统的带宽Δf的乘积的二次 方根
二、光敏电阻的基本特性
5 噪声特性
光敏电阻的主要噪声有热噪声、产生复合噪声和低 频噪声(或称1/f噪声)。
热噪声
2 (f)= I NJ
⑶涂膜式 在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成。
一、光敏电阻的原理与结构
3典型光敏电阻
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，被 广泛地应用于灯光的自动控制，照相机的自动测光等。 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。 CdS光敏电阻的光敏面常为蛇形光敏面结构。 表3-1CdS光敏电阻特性参数
一、光敏电阻的原理与结构
2光敏电阻的基本结构
三种形式 ⑴梳状式 玻璃基底上蒸镀梳状金属膜而制成；或在玻璃基底上面 蚀刻成互相交叉的梳状槽，在槽内填入黄金或石墨等导 电物质，在表面再敷上一层光敏材料。 光电导体膜
绝缘基底
一、光敏电阻的原理与结构
⑵刻线式 在玻璃基片上镀制一层薄的金属箔，将其刻划成栅状槽， 然后在槽内填入光敏电阻材料层后制成。
1 1 Us Un Sv 1 2 2 = ∆ = ∆ D= A f A f ( ) ( ) Φs NEP∗ Un
∗
( cm ⋅ Hz
12
/ W)
一、光敏电阻的原理与结构
InSb光敏电阻
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·Hz0.5·W-1。当温度降 低到77K（液氮）时，其长波长由7.5μm缩短到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·Hz0.5·W-1。
二、光敏电阻的基本特性
光敏电阻在弱辐射和强辐射作用下表现出不同的光电特 性（线性与非线性)。
ηqτµ g= Φe ,λ 弱： 2 hνl
ηbd 1 Φ e2,λ 强：g = qµ hνK l 3 f
1 2
光敏电阻在弱辐射到强辐射的作用下，它的光电特性可用在 “恒定电压”作用下流过光敏电阻的电流Ip与作用到光敏电阻上的 光照度E的关系曲线来描述。
产生复合噪声
I
2 ngr
(τ 0 / τ l )∆ f = 4q I 1 + ω 2τ 02
τl为载流子跨越电极所需要的时间，Ī为平均电流。
ω τ0<<1时，
I
2 ngr
τl = 4q I ∆f τ0
二、光敏电阻的基本特性
5）噪声特性
低频噪声（电流噪声）
由于光敏层内微粒的不均匀，或体内的杂质在偏置 电压作用下产生微火花放电现象从而引起的电爆脉冲 就是电流噪声的来源。 2
一、光敏电阻的原理与结构
Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件
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。 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 Cd元素含量的组分。在制造混合晶体时选 用不同Cd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。
§3 光电导器件
光电导效应
某些半导体吸收了光子的能量产生本征吸收或杂质吸收， 从而改变了物质电导率的现象称为物质的光电导效应。
半 导 体 对 光 的 吸 收
本征吸收 杂质吸收 激子吸收
1.24 λL = ( µm) Eg 改变导电特性 1.24 1.24 λL = λL = ( µm) ∆EA ∆ED 杂质光电导效应
当照射到光 敏电阻上的光度量 发生改变时，电流
Ip随之发生变化，
说明光敏电阻的阻 值随照度变化。
一、光敏电阻的原理与结构
组成：一块涂在绝缘基底上的光电导材料薄膜，两端接 有两个引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。
一、光敏电阻的原理与结构
2.光敏电阻的基本结构
光敏电阻在微弱辐射作用的情况下光电导灵敏度Sg与 光敏电阻两电极间距离l的平方成反比；在强辐射作用的情 况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的二分之三 次方成反比，都与两电极间距离l有关。
η bd − 1 dg dg 1 2 Sg = = = qµ Φ , e λ 3 dEe,λ dΦ e,λ 2 hν K f l
半导体的光电效应与入射辐射通量的关系为：在弱辐射 作用的情况下是线性的，随着辐射的增强，线性关系变 坏，当辐射很强时变为抛物线关系。
1 2
一、 光敏电阻的原理和结构
噪声等效功率
噪声等效功率（NEP）定义为光电器件输出的信号 电压的有效值等于噪声方均根电压值时的入射光功率。
Φs Un = NEP = U s U n Sv
Us/Un为器件的输出信噪比； Φs为入射光功率，Sv为光电器 件的电压灵敏度。
NEP越小，探测器探测微弱信号的能力越高，NEP是描 述光电探测器探测能力的参数。
上节回顾
光敏电阻的光电导灵敏度与光面电阻两电极间距 离l有关。
上节回顾
典型光敏电阻
CdS、 PbS、InSb、Hg1-xCdxTe
照相机的自动测光选用的光敏电阻? CdS 火灾的探测?
PbS PbS、 Hg1-xCdxTe
可工作在近红外波段的探测器?
目前最优良最有前途的光电导探测器件？ Hg1-xCdxTe
4KT∆f Rd (1 + ω 2τ 02 )
τ0为载流子的平均寿命，ω=2πf为信号角频率，Δf调 制频率的带宽。
ω τ0<<1时，
2 I NJ (f)=
4KT∆f Rd
白噪声
4KT ∆f ω τ0>>1时， I (f ) = 2 2 2 π f τ 0 Rd
2 NJ
二、光敏电阻的基本特性
5）噪声特性
在弱辐射作用下的半导体材料的光电导灵敏度是与材料性 质有关的常数，与光电导材料两电极间的长度l的平方成反比。
光电导效应
强辐射情况下，半导体材料的光电导与入射辐射通量间 的关系为 1 ηbd 2 1 抛物线关系 Φ e2,λ g = qµ hνK l 3 f 半导体材料在强辐射作用下的光电导灵敏度Sg
c1 I ∆f I = bdl f b
2 nf
c1是与材料有关的常数；I为流过光敏电阻的电流；f 为光的调制频率；指数b为接近1的系数。
总噪声
2 2 2 I N = ( I NJ + I ngr + I nf ) 1 2
二、光敏电阻的基本特性
6）光谱响应
光敏电阻的光谱响应主要由光敏材料禁带宽度、杂质电离 能、材料掺杂比与掺杂浓度等因素有关。
本征光电导效应
自由载流子吸收 晶格吸收
光电导效应
微弱辐射下半导体材料的光电导g为 求导可得
ηqτµ dg = dΦ e , λ 2 hνl
ηqτµ g= Φ e ,λ 2 hνl
半导体材料在弱辐射作用下的光电导灵敏度Sg
dg d g ηqτµ = = Sg = dEe,λ dΦ e,λ hνl 2
二、光敏电阻的基本特性
3 温度特性
以室温（25℃）的相对光 电导率为100%，观测光敏电 阻的相对光电导率随温度的变 化关系。 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。
二、光敏电阻的基本特性
4 时间响应
光敏电阻的时间响应（又称为惯性）比其他光电器件 要差（惯性要大）些，频率响应要低些。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Δσ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。
二、光敏电阻的基本特性
在恒定电压的作用下，流过光敏电阻的光电流Ip为
I p = g pU = US g E
式中Sg为光电导灵敏度，E为 光敏电阻的照度。 直线性渐变到非线性
二、光敏电阻的基本特性
光敏电阻的光电特性可用一个随光度量变化的指数γ来描述， 并定义γ为光电转换因子。
I p = g pU = US g E γ
如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中A 为发光仪器，B为水平传送带，由电动机带动做匀 速直线运动。R1为光敏电阻，R2为定值电阻，R1、 R2串联在电路中，电源电压保持不变。每当传送 带上有易拉罐挡住由A射向R1的光线时，R1的电阻 值就增大，计数器就计数一次。则：（1）当传送 带上有易拉罐挡住由A射向R1的光线时，定值电 阻R2两端的电压将________。（填“变大”、 “变小”或“不变”）
一、光敏电阻的原理与结构 光电器件的性能参数（补充）
探测度
NEP越小，探测器探测能力越高，这不符合人们“越大 越好”的习惯，于是将NEP的倒数定义为探测度。用公 式表示为 U s U n Sv 1 = D = = NEP Φs Un
实验发现许多光电器件的NEP与器件的面积A和测量系统的带宽 Δf的乘积的二次方根成正比。 归一化探测度
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。 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。广泛应用于微弱辐射信号的探测领域。
一、光敏电阻的原理与结构
1.光敏电阻的基本原理
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。
二、光敏电阻的基本特性
光敏电阻的基本特性参数包含光电导特性、时间响应、光 谱响应、伏安特性与噪声特性等。
1 光电特性
光敏电阻在黑暗的室温条件下，由于热激发产生的载流子 使它具有一定的电导，该电导称为暗电导 。 当有光照射在光敏电阻上时，它的电导将变大，这时的电 导称为光电导。 电导随光照量变化越大的光敏电阻就越灵敏。这个特性称为 光敏电阻的光电特性。
0 Φ 0 t = 入射辐射： Φ = 0 t≥0
∆σ = ∆σ 0 e − t / τ
∆I = ∆I 0 e − t / τ
t= τ时，Δσ=0.37 Δσ0， ΔI=0.37 ΔI0，定义为下降时间即τf。
二、光敏电阻的基本特性
强辐射作用情况下的时间响应
开始辐射时，光电导率和光电流随时间变化 的规律为 t ∆σ = ∆σ 0 tanh
τ
t
∆I = ∆I 0 tanh
t= τ时，Δσ=0.76 Δσ0， ΔI=0.76 ΔI0，定义为 上升时间即τr。 停止辐射时光电导率和光电流的变化规律 可表示为
τ
1 ∆σ = ∆σ 0 1 + t /τ 1 IΦ = IΦ0 1 + t /τ
t= τ时，Δσ=0.5 Δσ0， ΔI=0.5 ΔI0，定义为下 降时间即τf。
一、光敏电阻的原理与结构
3典型光敏电阻
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，常用于 火灾的探测等领域。 PbS光敏电阻的光谱响应和比探测率等特性与工作温度有 关，随着工作温度的降低其峰值响应波长和长波长将向长波方 向延伸，且比探测率D*增加。
比探测率D*
一、光敏电阻的原理与结构 光电器件的性能参数（补充）
二、光敏电阻的基本特性
弱辐射作用情况下的时间响应
0 t =0 入射辐射： Φ = Φ 0 t ≥ 0
光电导率和光电流随时间变化的规律为
t= τ时，Δσ=0.63 Δσ0， ΔI=0.63 ΔI0，定义为 上升时间即τr。
∆σ = ∆σ 0 (1 − e − t / τ ) ∆I = ∆I 0 (1 − e − t / τ )
光电转换因子在弱辐射作 用的情况下为（γ=1）， 随着入射辐射的增强，γ 值减小，当入射辐射很强 时γ值降低到0.5。
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lg R1 − lg R2 γ= lgE 2 − lgE1
二、光敏电阻的基本特性
2 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度 量而变化的。