光電檢測技術(shù)第三章

光電檢測技術(shù)第三章第一頁，共六十五頁，2022年，8月28日

§3.1光探測器的物理基礎(chǔ)一、光探測器的分類1、光探測器的物理效應(yīng)通常分為兩類：光電效應(yīng)和光熱效應(yīng)，如表3－1（a）（b）所示。效應(yīng)相應(yīng)的探測器外光電效應(yīng)（1）光陰極發(fā)射光電子光電管（2）光電子倍增打拿極倍增通道電子倍增光電倍增管像增強器內(nèi)光電效應(yīng)（1）光電導（本征或非本征）光電管或光敏電阻（2）光生伏特

pn結(jié)和pin結(jié)（零偏）

pn結(jié)和pin結(jié)（反偏）雪崩、肖特基勢壘光電池光電二極管雪崩光電二極管肖特基勢壘光電二極管（3）光電磁光子牽引光電磁探測器光子牽引探測器（a）光電效應(yīng)第二頁，共六十五頁，2022年，8月28日效應(yīng)相應(yīng)的探測器（1）測輻射熱計負電阻溫度系數(shù)正電阻溫度系數(shù)超導熱敏電阻測輻熱計金屬測輻射熱計超導遠紅外探測器（2）溫差電熱電偶、熱電堆（3）熱釋電熱釋電探測器（4）其他高萊盒、液晶燈（b）光熱效應(yīng)第三頁，共六十五頁，2022年，8月28日2、光電探測器也可分為：單元器件；陣列器件；成像器件。

單元器件只是把投射在其光接受面元上的平均光能量變成電信號；陣列器件或成像器件則可測出物面上的光強分布。成像器件一般放在光學系統(tǒng)的像面上，能獲得物面上的圖像信號。

光電檢測器件還可從用途上分為用于檢測微弱信號的存在及其強弱的探測器，這時主要考慮的是器件探測微弱信號的能力，要求器件輸出靈敏度高，噪聲低；用于控制系統(tǒng)中作光電轉(zhuǎn)換器，主要考慮的是光電轉(zhuǎn)換的效能。第四頁，共六十五頁，2022年，8月28日3、目前，光電探測器的種類很多，新的器件也不斷出現(xiàn)。按照現(xiàn)階段各類常用光電探測器工作原理和結(jié)構(gòu)又可分類如下：

光電管光電倍增管真空光電器件真空攝象管變象管象增強器

光敏電阻光電探測器光電池光電二極管光電三極管光電耦合器

固體光電器件光中斷器位置傳感器PSD

電荷耦合器件CCD

自掃描光電二極管列陣SSPD第五頁，共六十五頁，2022年，8月28日二、光電探測器原理

光電探測器利用材料的光電效應(yīng)制成。在光輻射作用下，電子逸出材料表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射稱為外光電效應(yīng)，或光電子發(fā)射效應(yīng)；電子并不逸出材料表面的為內(nèi)光電效應(yīng)。光電導效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)及光磁電效應(yīng)均屬于內(nèi)光電效應(yīng)。

第六頁，共六十五頁，2022年，8月28日三、光電轉(zhuǎn)換定律光電探測器的作用是將光輻射能轉(zhuǎn)換成易于測量的電學量，所以光電探測器實質(zhì)上是一種光－電轉(zhuǎn)換器件?？紤]能量為hv的光子入射到光電探測器上所產(chǎn)生的光電流，如果光子能量大于探測器材料的禁帶寬度，在觀察時間t內(nèi)，它產(chǎn)生的平均光電子數(shù)為N，則根據(jù)量子理論分析的結(jié)果，N與入射的平均光輻射能量成正比，即

第七頁，共六十五頁，2022年，8月28日而入射的瞬時光輻射能量為：

式中，P(t)是光輻射的瞬時功率。一般來說，它是一個隨機量，如果P(t)在觀察時間t內(nèi)沒有明顯的改變，則Q(t)P(t)

t。由此可得光電探測器輸出的平均光電流表達式：式中P為入射光輻射的平均功率。此式描述了光－電轉(zhuǎn)換的基本定律。

第八頁，共六十五頁，2022年，8月28日從光電轉(zhuǎn)換定律可知：①光電探測器輸出的光電流與入射平均光功率成正比，因此，一個光子探測器可視為一個電流源。②由于平均光功率與光電場強度的平方成正比，所以光電探測器輸出的光電流也與光電場強度的平方成正比。也就是說，光電探測器的響應(yīng)具有平方律特性。因此，通常稱光電探測器為平方律探測器，或者說，光電探測器本質(zhì)上是一個非線性器件。第九頁，共六十五頁，2022年，8月28日

§3.2光電探測器的主要特性參數(shù)

判斷光電探測器的優(yōu)劣的指標，以及根據(jù)特定的要求恰當?shù)剡x擇探測器的依據(jù)。第十頁，共六十五頁，2022年，8月28日因此，最關(guān)心的問題有：1.光電探測器的量子效率，即單位時間內(nèi)探測器傳輸出的光電子數(shù)與入射到探測器表面的光子數(shù)之比；2.根據(jù)測量光信號大小，探測器能輸出多大的電信號，即探測器的響應(yīng)率大小。3.探測器的光譜響應(yīng)范圍是否同測量光信號的相對光譜功率分布一致。4.對某種探測器，它能探測的極限功率是多少——需要知道探測器的等效噪聲功率；需要知道所產(chǎn)生電信號的信噪比。5.當測量調(diào)制或脈沖光信號時，探測器輸出電信號是否能正確反映光信號的波形—探測器的響應(yīng)時間。6.當測量的光信號幅度變化時，探測器輸出的信號幅度是否能線性地響應(yīng)。第十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日1．量子效率η

光電探測器吸收光子產(chǎn)生光電子，光電子形成電流。

I=αр=（ηe/hυ）P

式中：α—光電轉(zhuǎn)換因子，α=ηe/hυ；

P/hυ—單位時間內(nèi)入射到探測器表面的光子數(shù)

I/e—單位時間內(nèi)被光子激勵的光電子數(shù)η=Ihυ/ep—即單位時間內(nèi)探測器傳輸出的光電子數(shù)與入射到探測器表面的光子數(shù)之比。對于理想的探測器，η=1，實際上η<1。顯然，量子效率越高越好，量子效率是一個微觀參數(shù)。第十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日響應(yīng)率(響應(yīng)度)響應(yīng)率(響應(yīng)度)是光電探測器光電轉(zhuǎn)換特性的量度，是與量子效率η相對應(yīng)的一個宏觀參數(shù)。它是指單位入射的光輻射功率所引起的反應(yīng)，即探測器的輸出信號電壓或電流與入射的光輻射功率P或光輻射通量φe之比，稱為響應(yīng)率。一般有兩種方法表示：電壓靈敏度和電流靈敏度.

（1）

電壓靈敏度Ru=Us/P或Sv=Vs/φe單位為V／w。（2）

電流靈敏度Sd=Is/P或Si=Is/φe單位為A／w。注意概念：如探測器的入射光是光通量信號，那么得到的將是光照靈敏度單位為v／lm，或光照靈敏度單位為A／lm。第十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日光譜靈敏度

如果把光功率P換成波長可變的光功率譜密度P

，則由于光電探測器的光譜選擇性，在其他條件不變的情況下，光電流（或光電壓）將是光波長的函數(shù)，記為I（或U），于是光譜靈敏度定義為：SI

(λ)＝I

/dP

SU(λ)＝U

/dP

如果SI(λ)或SU(λ)是常數(shù)，則相應(yīng)的探測器稱為無選擇性探測器（如光熱探測器），光子探測器則是選擇性探測器。第十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日頻率靈敏度Sf

如果入射光是強度調(diào)制的，則在其他條件不變的情況下，光電流If將隨調(diào)制頻率f的升高而下降。這時的靈敏度稱為頻率靈敏度Sf，定義為：式中，If是光電流時變函數(shù)的傅里葉變換，通常

式中，

稱為探測器的響應(yīng)時間或時間常數(shù)，由材料、結(jié)構(gòu)和外電路決定。

第十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日

這就是探測器的頻率特性，S0為調(diào)制頻率f＝0時的靈敏度，Sf隨f升高而下降的速度與值關(guān)系很大。一般規(guī)定，Sf下降到時的頻率fc稱為探測器的截止響應(yīng)頻率或響應(yīng)頻率。

fc＝1/2

當f<fc時，認為光電流能線性再現(xiàn)光功率P的變化。第十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日4．響應(yīng)時間和頻率響應(yīng)

響應(yīng)時間通常用響應(yīng)時間τ來衡量。

當階躍光輸入時，光信號探測器在上升弦的輸出電流為：

Is（t）=I0[1-exp（-t/τ1

）]

定義：Is（t）上升到穩(wěn)態(tài)值I0的0．63倍的時間為探測器的上升響應(yīng)時間，即τ上=τ1

。同樣，光信號探測器在下降弦的輸出電流為

Ix（t）=I0exp（-t/τ2）定義Ix（t）下降到穩(wěn)態(tài)值I0的0．37倍的時間為探測器的下降響應(yīng)時間，即τ下=τ2

。一般光電器件τ1=τ2

。第十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日頻率響應(yīng)

由于探測器存在惰性．當用一定振幅的正弦調(diào)制光照射探測器時，若調(diào)制頻率低，則響應(yīng)度與調(diào)制頻率無關(guān)；若頻率高。響應(yīng)度就隨頻率升高而降低。探測器的響應(yīng)度與調(diào)制頻率的關(guān)系是：

式中，S0為調(diào)制頻率f=0時的響應(yīng)度，f為調(diào)制頻率。當調(diào)制頻率升高時，S（t）就下降，一般規(guī)定S（fc）=S0/1.414時的調(diào)制頻率fc為探測器的響應(yīng)頻率。即fc=1/2лτ。由此可以看出，響應(yīng)時間和響應(yīng)頻率是從不同角度來表征探測器的動態(tài)特性。第十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日5．等效噪聲功率和探測率

如果入射到探測器上的光功率或輻通量按某一頻率變化，當探測器輸出信號電流Is(或電壓Vs)等于噪聲的均方根電流(或電壓)時，所對應(yīng)的入射光功率P或輻通量φe稱為等效噪聲功率NEP。即

NEP=P/（Us/Un）=Un/Ru

或

NEP=φe/（Us/Un）

NEP=P/（Is/In）=In/Sd

或

NEP=φe/（Is/In）式中，（Us/Un）、（Is/In）分別稱為電壓和電流信噪比。顯然，NEP值越小越好，這是表示光電探測器探測能力的重要參數(shù)。一個較好的光電探測器的等效噪聲功率約為10-11瓦左右。第十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日6．線性度

線性是指探測器的輸出光電流或電壓與輸入的光功率或輻通量成比例的程度和范圍。探測器線性的下限往往由暗電流和噪聲等因素決定的，而上限通常由飽和效應(yīng)或過載決定的。實際上,探測器的線性范圍的大小與其工作狀態(tài)有很大的關(guān)系。如偏置電壓、光信號調(diào)制頻率、信號輸出電路等，可能會發(fā)生這樣的情況：一個探測器的光電流信號用運算放大器作電流電壓轉(zhuǎn)換輸出，在很大的范圍內(nèi)是線性的，而同一探測器，其光電流通過一只100kQ的電阻輸出，線性范圍可能就很小。因此要獲得寬的線性范圍，必須使探測器工作在最佳的工作狀態(tài)。探測器的線性在光度和輻射度等測量中是一個十分重要的參數(shù)。第二十頁，共六十五頁，2022年，8月28日7、光電探測器的噪聲什么是噪聲？

通常把噪聲這個隨機的時間函數(shù)進行傅氏頻譜分析，得到噪聲功率隨頻率變化關(guān)系，這就是噪聲的功率譜s(f)。根據(jù)噪聲的功率譜與頻率的關(guān)系，常見有兩種典型情況：一種是功率譜大小與頻率無關(guān)的噪聲，通常稱為白噪聲；一種噪聲是功率譜與1/f成正比，稱為1/f噪聲。圖信號的隨機起伏

圖白噪聲和1/f噪聲

第二十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日一般光電檢測系統(tǒng)的噪聲可分為三類：（1）光子噪聲包括：A.信號輻射產(chǎn)生的噪聲；B.背景輻射產(chǎn)生的噪聲。（2）探測器噪聲包括：熱噪聲；散粒噪聲；產(chǎn)生—復(fù)合噪聲；1/f噪聲；溫度噪聲。（3）信號放大及處理電路噪聲

圖光電測量系統(tǒng)噪聲分類第二十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日熱噪聲(又稱電阻噪聲或白噪聲)

凡有功耗電阻的元件都有熱噪聲，它來源于電阻內(nèi)部自由電子或電荷載流子的不規(guī)則的熱騷動。熱噪聲與溫度T成正比；與測量儀器的電子帶寬Δf成正比，與頻率無關(guān)。熱噪聲均方電流In2和熱噪聲均方電壓Vn2分別由下式?jīng)Q定

In2＝4KTΔf/RVn2＝4KTΔf.R式中:K是玻爾茲曼常數(shù)；T是溫度(K)；R是器件電阻值；Δf為所取的通帶寬度(頻率范圍)。因此，所取的帶寬愈大，噪聲功率也愈大。當然并不是帶寬無限增大，噪聲功率也會無限增大。在常溫下，上式只適合于1012Hz頻率以下范圍。第二十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日散粒噪聲

一種由電子或光生載流子的粒子性所引起的噪聲。對于內(nèi)光電效應(yīng)探測器:(1)光生載流子(電子，空穴對)的產(chǎn)生和復(fù)合過程的隨機性，每一瞬時通過PN結(jié)的載流子數(shù)總有微小的不規(guī)則起伏，使探測器的輸出電流也隨之起伏，引起散粒噪聲。(2)此外，光輻射中光子到達率的起伏在某些探測器光電轉(zhuǎn)換后也表現(xiàn)為散粒噪聲。散粒噪聲由下式?jīng)Q定：

In2＝2eiΔf

式中：i為器件輸出平均電流。可以看出，散粒噪聲是與頻率無關(guān)，與帶寬有關(guān)的白噪聲。第二十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日產(chǎn)生—復(fù)合噪聲在平衡狀態(tài)時，載流子產(chǎn)生和復(fù)合的平均數(shù)是一定的，但其瞬間載流子的產(chǎn)生數(shù)和復(fù)合數(shù)是有起伏的，于是載流子濃度的起伏引起光電器件電導率起伏。在外加電壓下，電導率的起伏使輸出電流中帶有產(chǎn)生－復(fù)合噪聲。如果頻率低，滿足wτ<<1時，第二十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日1/f噪聲（電流噪聲）因?qū)щ娫?nèi)微粒的不均勻性和不必要的微量雜質(zhì)存在，當電流流過時，在元件微粒間發(fā)生微火化放電而引起的微電爆脈沖就是1/f噪聲的起源。

1/f噪聲的經(jīng)驗公式為:

第二十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日溫度噪聲

溫度噪聲主要存在于熱探測器中。在熱探測器中，不是由于輻射信號的變化，而是由器件本身吸收和傳導等的熱交換引起的溫度起伏稱為溫度噪聲，其表達式為

式中，Gt為器件的熱導；τt＝Ct/Gt是器件的熱時間常數(shù)，Ct是器件的熱容；T是周圍溫度（K）。在低頻時，<<1，

溫度噪聲也具有白噪聲的性質(zhì)。第二十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日光敏電阻與其它半導體光電器件相比有以下特點：①光譜響應(yīng)范圍相當寬，根據(jù)光電導材料的不同，光譜響應(yīng)范圍可從紫外、可見光、近紅外擴展到遠紅外，尤其是對紅光和紅外輻射有較高的響應(yīng)度。②工作電流大，可達數(shù)毫安。⑧所測的光強范圍寬，既可測強光，也可測弱光。④靈敏度高，光電導增益大于一。⑤偏置電壓低，無極性之分，使用方便。光敏電阻的不足之處是：在強光照射下光電轉(zhuǎn)換線性較差；光電弛豫過程較長；頻率響應(yīng)很低。因此它的使用受到一定限制?！?.3光電導器件第二十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日光電導效應(yīng)：入射光強改變物質(zhì)導電率的物理現(xiàn)象稱光電導效應(yīng)。這種效應(yīng)幾乎所有高電阻率半導體都有，為使電子從價帶激發(fā)到導帶，入射光子的能量E0應(yīng)大于禁帶寬度Eg?；诠怆妼?yīng)的光電器件有光敏電阻。

一、光電導效應(yīng)（1）定義第二十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日圖3－3光電導過程（2）光電導效應(yīng)分類分為本征型和雜質(zhì)型兩類第三十頁，共六十五頁，2022年，8月28日（3）本征型的長波限條件由禁帶寬度Eg決定，即當光子的能量等于或大于Eg時，才能釋放出電子—空穴對，釋放的多少，與材料的反射系數(shù)，吸收系數(shù)和厚度有關(guān)。第三十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日（4）雜質(zhì)型雜質(zhì)型光電導效應(yīng)則是能量足夠大的光子使施主能級中的電子或受主能級中的空穴躍遷到導帶或價帶，從而使電導增加。此時長波限由雜質(zhì)的電離能Ei決定，因為Ei<<Eg，所以雜質(zhì)型光電導的長波限比本征型光電導的要長得多。第三十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日第三十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日（5）光電導的弛豫現(xiàn)象光輻射入射到本征或非本征半導體材料上，開始時隨時間的增加光生載流子逐漸增加，經(jīng)過一定時間后，載流子濃度才逐漸趨于一穩(wěn)定值。此后，若突然遮斷入射的光輻射，光生載流子并不立即下降到照射前的水平，而是經(jīng)過一定時間才趨于照射前的水平，這種現(xiàn)象稱為光電導的弛豫現(xiàn)象。光電導的弛豫時間或時間常數(shù)

光輻射入射到本征或非本征半導體材料上，建立穩(wěn)定的光生載流子濃度所需要的時間，或停止照射后光生載流子濃度下降到照射前的水平所需要的時間第三十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日（a）上升（b）下降圖3-4本征光電導上升和下降的弛豫過程第三十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日

光敏電阻的工作原理是基于光電導效應(yīng)，其結(jié)構(gòu)是在玻璃底版上涂一層對光敏感的半導體物質(zhì)，兩端有梳狀金屬電極，然后在半導體上覆蓋一層漆膜。

光敏電阻結(jié)構(gòu)及符號

二、光敏電阻的工作原理第三十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日

本征型光敏電阻的長波限為：=hc/Eg=1240/Eg摻雜型光敏電阻：=hc/E=1240/E

由于E<<Eg，因此摻雜型光敏電阻的長波限遠大于本征型光敏電阻光敏電阻也有兩種類型：本征型半導體光敏電阻和摻雜型半導體光敏電阻。第三十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日光敏電阻工作原理圖及其符號:

第三十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日實際光敏電阻

第三十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日光敏電阻光照特性:

無光照時，內(nèi)部電子被原子束縛，具有很高的電阻值；有光照時，電阻值隨光強增加而降低；光照停止時，自由電子與空穴復(fù)合，電阻恢復(fù)原值。光敏電阻主要參數(shù):

暗電阻——無光照時的電阻；暗電流——無光照時的電流；亮電阻、亮電流——受光照時的阻值、電流；光電流——亮電流與暗電流之差稱光電流。三、光敏電阻的主要特性第四十頁，共六十五頁，2022年，8月28日三、光敏電阻的主要特性

光電導增益一個自由載流子的壽命與該載流子在光敏電阻兩極間的有效渡越時間之比，即

式中，A為光電導增益；τ為器件的時間響應(yīng)；dr為載流子在兩極間的渡越時間。A=

/dr

載流子的平均壽命大于有效渡越時間，增益就可大于1。提高載流子壽命，減小電極間的間距L，適當提高工作電壓Ub，對提高A值和響應(yīng)度有利。如果L減得太小，使受光面太小，也是不利的，一般A值可達103數(shù)量級。電極做成梳狀，既增大面積，又減小電極間距，從而減小渡越時間。第四十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日三、光敏電阻的主要特性

光敏電阻的光電特性和光照指數(shù)光敏電阻的光電流與入射通量之間的關(guān)系稱為光電特性。當弱光照射時，τ，dr不變，IP（λ）與（λ）成正比，即保持線性關(guān)系；當強光照射時，τ與光電子濃度有關(guān)，dr也會隨電子濃度變大，或出現(xiàn)溫升而產(chǎn)生變化，故IP（λ）與（λ）偏離線性而呈非線性。

圖3-6CdS的光電流－照度特性曲線第四十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日三、光敏電阻的主要特性

光敏電阻的光電特性和光照指數(shù)式中，Sg是光電導靈敏度，與光敏電阻材料有關(guān)；U為外加電源電壓；Φ為入射光通量；E為入射光照度。為0.5～1之間的系數(shù)，弱光照射時，

＝1，Ip與Φ有良好的線性關(guān)系，即線性光電導；強光照射時，＝0.5，即拋物線性光電導。第四十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日三、光敏電阻的主要特性

光譜特性光敏電阻靈敏度與入射波長有關(guān);

光敏電阻靈敏度與半導體摻雜的材料有關(guān)，材料與相對靈敏度峰位波長例圖：硫化鎘（CdS）0.3～0.8(μm)硫化鉛（PbS）1.0～3.5(μm)銻化銦（InSb）1.0～7.3(μm)

第四十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日三、光敏電阻的主要特性

光敏電阻的光譜特性第四十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日光譜響應(yīng)率

光敏器件對某個波長光輻射的響應(yīng)度或靈敏度叫做單色靈敏度或光譜靈敏度。而把光譜靈敏度隨波長變化的關(guān)系曲線叫做光譜響應(yīng)或光譜特性。

還可以用光譜響應(yīng)率來表征光譜特性。光譜響應(yīng)率表示在某一特定波長下，輸出光電流（或電壓）與入射輻射能量之比，輸出光電流：三、光敏電阻的主要特性第四十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日光敏電阻的光譜響應(yīng)率與A成正比；光敏電阻的光譜響應(yīng)速度與A成反比。η表示入射的單色輻射功率（）能產(chǎn)生N個光電子的量子效率。則光譜響應(yīng)率：三、光敏電阻的主要特性第四十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日三、光敏電阻的主要特性

光敏電阻的時間和頻率特性1-硒2-CdS3-TeS4-PbS圖3-10幾種光敏電阻的頻率特性曲線

光敏電阻是依靠非平衡載流子效應(yīng)工作的。光生載流子的產(chǎn)生或者復(fù)合都要經(jīng)過一段時間，而且時間常數(shù)比較大，所以其上限頻率f上低。

截止頻率：f3dB=1/2光敏電阻采用交變光照時，其輸出將隨入射光頻率的增加而減少。第四十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日

在忽略外電路時間常數(shù)的影響時，響應(yīng)時間等于光生載流子的平均壽命τ。增大τ可提高器件的響應(yīng)率，但器件的響應(yīng)時間卻增加，影響器件的高頻性能。而光照、溫度等外界條件的變化又都會影響載流子的壽命，因此，光照、溫度的變化同樣直接影響光敏電阻的響應(yīng)率和響應(yīng)時間。三、光敏電阻的主要特性光敏電阻的時間特性第四十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日三、光敏電阻的主要特性

伏安特性給定偏壓光照越大光電流越大；給定光照度電壓越大光電流越大；光敏電阻的伏安特性曲線不彎曲、無飽和，但受最大功耗限制。光敏電阻伏安特性第五十頁，共六十五頁，2022年，8月28日三、光敏電阻的主要特性

溫度特性溫度變化影響光敏電阻的靈敏度、暗電流和光譜響應(yīng)、峰值響應(yīng)波長、長波限等參數(shù)。

光敏電阻溫度特性為了提高光敏電阻性能的穩(wěn)定性，降低噪聲和提高探測率，就十分必要采用冷卻裝置。第五十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日

具有光電導性能的半導體材料很多，但能夠滿足光敏電阻的各項要求而又能實際應(yīng)用的卻不多。光敏電阻若按照它的光譜特性及最佳工作波長范圍，基本上可分為三類：對紫外光靈敏的光敏電阻，如硫化鎘(CdS)和硒化鎘(CdSe)等；對可見光靈敏的光敏電阻，如硫化鉈(TiS)，硫化鎘(CdS)和硒化鎘(CdSe)等；對紅外光靈敏的光敏電阻如硫化鉛(PbS)、碲化鉛(PbTe)、硒化鉛(PbSe)和碲化銦(InSb)，碲鎘汞(Hg1-xCdxTe)，碲錫鉛(Pb1-xSnxTe)和鍺摻雜等。下面介紹幾種常用的光敏電阻。四、幾種常用的光敏電阻第五十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日1、硫化鎘CdS和硒化鎘CdSe光敏電阻

硫化鎘和硒化鎘（CdS和CdSe）是可見光區(qū)用得較多的兩種光敏電阻；它的光譜響應(yīng)如圖(3-8)所示。CdS光敏電阻的特點是它的峰值波長很接近人眼最敏感的555nm波長，可用于視覺亮度有關(guān)的測量和底片曝光方面的測量。特點：有很高的響應(yīng)度，性價比高。缺點：受單晶大小的限制，受光面積小，響應(yīng)時間與光照強度有關(guān),隨著光照強度減弱響應(yīng)時間也增加。

CdS光敏電阻的響應(yīng)度為50A/Im（安/流明），響應(yīng)時間為毫秒至秒，響應(yīng)波長為0.3—0.8um。CdSe光敏電阻比CdS光敏電阻波長稍長些。它的響應(yīng)度為50A／Im

響應(yīng)時間為500us至1s。工作波長范圍為0.3—0.4um。四、幾種常用的光敏電阻第五十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日2、硫化鉛PbS和硒化鉛PbSe光敏電阻

多為多晶薄膜型，以PbS光敏電阻使用最多。

多晶PbS光敏電阻工作原理

當光照PbS薄膜時，無論是P區(qū)還是N區(qū)吸收能量大于PbS禁帶寬度Eg的光子，產(chǎn)生本征激發(fā)，電子躍遷到導帶,價帶中出現(xiàn)空穴，光生載流子漂移到晶粒間PN結(jié)附近與構(gòu)成勢壘的部分空間電荷中和，從而降低勢壘高度，使原來被陷的載流子（N區(qū)導帶中的電子、P區(qū)價帶中的空穴）釋放出來，從而提高載流子的遷移率，產(chǎn)主較大的光電導率。

溫度對光電導的影響也很大，薄膜所處的溫度越高，熱激發(fā)的裁流子就越多。降低溫度可以提高光敏電阻的響應(yīng)度。

性能

PbS光敏電阻響應(yīng)波長為1.0一3.5um，峰值2.4um左右，在冷卻到干冰溫度時（195K）時，光譜響應(yīng)為1—4um，峰值2.8um，探測度可提高近一個數(shù)量級,響應(yīng)時間一般為100—300us。四、幾種常用的光敏電阻第五十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日3、銻化銦InSb和砷化銦InAs光敏電阻

銻化銦InSb光敏電阻為單晶半導體，光激發(fā)是本征型的。它主要被用于探測大氣第二個紅外透過窗口波長3—5um，常溫下長波限可達7.3um；冷卻到77K時，長波限為5.4um（主要是材料禁帶寬度變寬）。通常工作于低溫狀態(tài)，它也能做成多元列陣。砷化銦InAs光敏電阻在致冷到196K時，長波限能達到4um，峰值波長3.2um。四、幾種常用的光敏電阻第五十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日4、雜質(zhì)光電導探測器

雜質(zhì)光電導探測器是基于非本征光電導效應(yīng)的光敏電阻。目前已制成許多鍺、硅及鍺硅金的雜質(zhì)紅外光電導器件，它們都工作于遠紅外區(qū)8——40um波段。由于雜質(zhì)光電導器件中施主和受主的電離能ΔE一般比本征半導體禁帶寬度Eg小得多，所以響應(yīng)波長比本征光電導器件要長，相比來說，雜質(zhì)原子的濃度比材料本身原子的濃度要小很多，在溫度較高時，熱激發(fā)載流子的濃度很高，為使光照時在雜質(zhì)能級上激發(fā)出較多的載流子，所以雜質(zhì)光電導器件都必須工作于低溫狀態(tài)。四、幾種常用的光敏電阻第五十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日

(a)原理電路(b)交流變換微變等效電路(c)伏安特性曲線（電路圖解）曲線圖3-18光敏電阻偏置電路及伏安特性五、基本偏置電路(一）基本偏置電路第五十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日

在一定范圍內(nèi)光敏電阻阻值Rp不隨外電壓Ub改變，僅取決于輸入光通量Φ或光照度E，并有式中，Gd是暗電導，Gp是光電導。若忽略暗電導，則G=Gp，并且G=Gp=SgE或G=SgΦ。第五十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日

建立負載線和再根據(jù)不同的光照Φ1，Φ2，Φ3可畫出不同光照下光敏電阻的伏安特性曲線，就可以確立對應(yīng)于輸入光通量變化的負載電阻上的輸出信號。

負號的物理意義是：當光敏電阻上的照度增加，阻值減?。处P<0）時，電流ΔI>0增加。

（3-37）（3-38）（3-39）第五十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日由（3-36）（3-40）（3-41）（3-42）第六十頁，共六十五頁，2022年，8月28日負載RL和電源電壓Ub的確定：①負載電