光電檢測(cè)技術(shù)第三章

光電檢測(cè)技術(shù)第三章第一頁(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日

§3.1光探測(cè)器的物理基礎(chǔ)一、光探測(cè)器的分類1、光探測(cè)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(cè)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(qiáng)器內(nèi)光電效應(yīng)（1）光電導(dǎo)（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(shì)壘光電池光電二極管雪崩光電二極管肖特基勢(shì)壘光電二極管（3）光電磁光子牽引光電磁探測(cè)器光子牽引探測(cè)器（a）光電效應(yīng)第二頁(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日效應(yīng)相應(yīng)的探測(cè)器（1）測(cè)輻射熱計(jì)負(fù)電阻溫度系數(shù)正電阻溫度系數(shù)超導(dǎo)熱敏電阻測(cè)輻熱計(jì)金屬測(cè)輻射熱計(jì)超導(dǎo)遠(yuǎn)紅外探測(cè)器（2）溫差電熱電偶、熱電堆（3）熱釋電熱釋電探測(cè)器（4）其他高萊盒、液晶燈（b）光熱效應(yīng)第三頁(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日2、光電探測(cè)器也可分為：?jiǎn)卧骷?；陣列器件；成像器件?/p>

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(hào)；陣列器件或成像器件則可測(cè)出物面上的光強(qiáng)分布。成像器件一般放在光學(xué)系統(tǒng)的像面上，能獲得物面上的圖像信號(hào)。

光電檢測(cè)器件還可從用途上分為用于檢測(cè)微弱信號(hào)的存在及其強(qiáng)弱的探測(cè)器，這時(shí)主要考慮的是器件探測(cè)微弱信號(hào)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(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日3、目前，光電探測(cè)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(cè)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(qiáng)器

光敏電阻光電探測(cè)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(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日二、光電探測(cè)器原理

光電探測(cè)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(dǎo)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(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日三、光電轉(zhuǎn)換定律光電探測(cè)器的作用是將光輻射能轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電學(xué)量，所以光電探測(cè)器實(shí)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(cè)器上所產(chǎn)生的光電流，如果光子能量大于探測(cè)器材料的禁帶寬度，在觀察時(shí)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(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日而入射的瞬時(shí)光輻射能量為：

式中，P(t)是光輻射的瞬時(shí)功率。一般來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)隨機(jī)量，如果P(t)在觀察時(shí)間t內(nèi)沒(méi)有明顯的改變，則Q(t)P(t)

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

§3.2光電探測(cè)器的主要特性參數(shù)

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

光電探測(cè)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(shí)間內(nèi)入射到探測(cè)器表面的光子數(shù)

I/e—單位時(shí)間內(nèi)被光子激勵(lì)的光電子數(shù)η=Ihυ/ep—即單位時(shí)間內(nèi)探測(cè)器傳輸出的光電子數(shù)與入射到探測(cè)器表面的光子數(shù)之比。對(duì)于理想的探測(cè)器，η=1，實(shí)際上η<1。顯然，量子效率越高越好，量子效率是一個(gè)微觀參數(shù)。第十二頁(yè)，共六十五頁(yè)，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(cè)器光電轉(zhuǎn)換特性的量度，是與量子效率η相對(duì)應(yīng)的一個(gè)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(cè)器的輸出信號(hào)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(cè)器的入射光是光通量信號(hào)，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(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日光譜靈敏度

如果把光功率P換成波長(zhǎng)可變的光功率譜密度P

，則由于光電探測(cè)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(zhǎng)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(cè)器稱為無(wú)選擇性探測(cè)器（如光熱探測(cè)器），光子探測(cè)器則是選擇性探測(cè)器。第十四頁(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日頻率靈敏度Sf

如果入射光是強(qiáng)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(shí)的靈敏度稱為頻率靈敏度Sf，定義為：式中，If是光電流時(shí)變函數(shù)的傅里葉變換，通常

式中，

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

第十五頁(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日

這就是探測(cè)器的頻率特性，S0為調(diào)制頻率f＝0時(shí)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(shí)的頻率fc稱為探測(cè)器的截止響應(yīng)頻率或響應(yīng)頻率。

fc＝1/2

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

響應(yīng)時(shí)間通常用響應(yīng)時(shí)間τ來(lái)衡量。

當(dāng)階躍光輸入時(shí)，光信號(hào)探測(cè)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(shí)間為探測(cè)器的上升響應(yīng)時(shí)間，即τ上=τ1

。同樣，光信號(hào)探測(cè)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(shí)間為探測(cè)器的下降響應(yīng)時(shí)間，即τ下=τ2

。一般光電器件τ1=τ2

。第十七頁(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日頻率響應(yīng)

由于探測(cè)器存在惰性．當(dāng)用一定振幅的正弦調(diào)制光照射探測(cè)器時(shí)，若調(diào)制頻率低，則響應(yīng)度與調(diào)制頻率無(wú)關(guān)；若頻率高。響應(yīng)度就隨頻率升高而降低。探測(cè)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(shí)的響應(yīng)度，f為調(diào)制頻率。當(dāng)調(diào)制頻率升高時(shí)，S（t）就下降，一般規(guī)定S（fc）=S0/1.414時(shí)的調(diào)制頻率fc為探測(cè)器的響應(yīng)頻率。即fc=1/2лτ。由此可以看出，響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)頻率是從不同角度來(lái)表征探測(cè)器的動(dòng)態(tài)特性。第十八頁(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日5．等效噪聲功率和探測(cè)率

如果入射到探測(cè)器上的光功率或輻通量按某一頻率變化，當(dāng)探測(cè)器輸出信號(hào)電流Is(或電壓Vs)等于噪聲的均方根電流(或電壓)時(shí)，所對(duì)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(cè)器探測(cè)能力的重要參數(shù)。一個(gè)較好的光電探測(cè)器的等效噪聲功率約為10-11瓦左右。第十九頁(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日6．線性度

線性是指探測(cè)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(cè)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(guò)載決定的。實(shí)際上,探測(cè)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(hào)調(diào)制頻率、信號(hào)輸出電路等，可能會(huì)發(fā)生這樣的情況：一個(gè)探測(cè)器的光電流信號(hào)用運(yùn)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(cè)器，其光電流通過(guò)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(cè)器工作在最佳的工作狀態(tài)。探測(cè)器的線性在光度和輻射度等測(cè)量中是一個(gè)十分重要的參數(shù)。第二十頁(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日7、光電探測(cè)器的噪聲什么是噪聲？

通常把噪聲這個(gè)隨機(jī)的時(shí)間函數(shù)進(jìn)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(jiàn)有兩種典型情況：一種是功率譜大小與頻率無(wú)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(hào)的隨機(jī)起伏

圖白噪聲和1/f噪聲

第二十一頁(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日一般光電檢測(cè)系統(tǒng)的噪聲可分為三類：（1）光子噪聲包括：A.信號(hào)輻射產(chǎn)生的噪聲；B.背景輻射產(chǎn)生的噪聲。（2）探測(cè)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(hào)放大及處理電路噪聲

圖光電測(cè)量系統(tǒng)噪聲分類第二十二頁(yè)，共六十五頁(yè)，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(lái)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(dòng)。熱噪聲與溫度T成正比；與測(cè)量?jī)x器的電子帶寬Δf成正比，與頻率無(wú)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(dāng)然并不是帶寬無(wú)限增大，噪聲功率也會(huì)無(wú)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(yè)，共六十五頁(yè)，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(duì)于內(nèi)光電效應(yīng)探測(cè)器:(1)光生載流子(電子，空穴對(duì))的產(chǎn)生和復(fù)合過(guò)程的隨機(jī)性，每一瞬時(shí)通過(guò)PN結(jié)的載流子數(shù)總有微小的不規(guī)則起伏，使探測(cè)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(dá)率的起伏在某些探測(cè)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(wú)關(guān)，與帶寬有關(guān)的白噪聲。第二十四頁(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日產(chǎn)生—復(fù)合噪聲在平衡狀態(tài)時(shí)，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(dǎo)率起伏。在外加電壓下，電導(dǎo)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(shí)，第二十五頁(yè)，共六十五頁(yè)，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(dāng)電流流過(guò)時(shí)，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(yàn)公式為:

第二十六頁(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日溫度噪聲

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

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

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

一、光電導(dǎo)效應(yīng)（1）定義第二十九頁(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D3－3光電導(dǎo)過(guò)程（2）光電導(dǎo)效應(yīng)分類分為本征型和雜質(zhì)型兩類第三十頁(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日（3）本征型的長(zhǎng)波限條件由禁帶寬度Eg決定，即當(dāng)光子的能量等于或大于Eg時(shí)，才能釋放出電子—空穴對(duì)，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(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日（4）雜質(zhì)型雜質(zhì)型光電導(dǎo)效應(yīng)則是能量足夠大的光子使施主能級(jí)中的電子或受主能級(jí)中的空穴躍遷到導(dǎo)帶或價(jià)帶，從而使電導(dǎo)增加。此時(shí)長(zhǎng)波限由雜質(zhì)的電離能Ei決定，因?yàn)镋i<<Eg，所以雜質(zhì)型光電導(dǎo)的長(zhǎng)波限比本征型光電導(dǎo)的要長(zhǎng)得多。第三十二頁(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日第三十三頁(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日（5）光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象光輻射入射到本征或非本征半導(dǎo)體材料上，開(kāi)始時(shí)隨時(shí)間的增加光生載流子逐漸增加，經(jīng)過(guò)一定時(shí)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(guò)一定時(shí)間才趨于照射前的水平，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象。光電導(dǎo)的弛豫時(shí)間或時(shí)間常數(shù)

光輻射入射到本征或非本征半導(dǎo)體材料上，建立穩(wěn)定的光生載流子濃度所需要的時(shí)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(shí)間第三十四頁(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日（a）上升（b）下降圖3-4本征光電導(dǎo)上升和下降的弛豫過(guò)程第三十五頁(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日

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

光敏電阻結(jié)構(gòu)及符號(hào)

二、光敏電阻的工作原理第三十六頁(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日

本征型光敏電阻的長(zhǎng)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(zhǎng)波限遠(yuǎn)大于本征型光敏電阻光敏電阻也有兩種類型：本征型半導(dǎo)體光敏電阻和摻雜型半導(dǎo)體光敏電阻。第三十七頁(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日光敏電阻工作原理圖及其符號(hào):

第三十八頁(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)際光敏電阻

第三十九頁(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日光敏電阻光照特性:

無(wú)光照時(shí)，內(nèi)部電子被原子束縛，具有很高的電阻值；有光照時(shí)，電阻值隨光強(qiáng)增加而降低；光照停止時(shí)，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(wú)光照時(shí)的電阻；暗電流——無(wú)光照時(shí)的電流；亮電阻、亮電流——受光照時(shí)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(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日三、光敏電阻的主要特性

光電導(dǎo)增益一個(gè)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(shí)間之比，即

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

/dr

載流子的平均壽命大于有效渡越時(shí)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(dāng)提高工作電壓Ub，對(duì)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(dá)103數(shù)量級(jí)。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(shí)間。第四十一頁(yè)，共六十五頁(yè)，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(dāng)弱光照射時(shí)，τ，dr不變，IP（λ）與（λ）成正比，即保持線性關(guān)系；當(dāng)強(qiáng)光照射時(shí)，τ與光電子濃度有關(guān)，dr也會(huì)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(yè)，共六十五頁(yè)，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(dǎo)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(shí)，

＝1，Ip與Φ有良好的線性關(guān)系，即線性光電導(dǎo)；強(qiáng)光照射時(shí)，＝0.5，即拋物線性光電導(dǎo)。第四十三頁(yè)，共六十五頁(yè)，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(zhǎng)有關(guān);

光敏電阻靈敏度與半導(dǎo)體摻雜的材料有關(guān)，材料與相對(duì)靈敏度峰位波長(zhǎng)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(yè)，共六十五頁(yè)，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(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日光譜響應(yīng)率

光敏器件對(duì)某個(gè)波長(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)表征光譜特性。光譜響應(yīng)率表示在某一特定波長(zhǎng)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(yè)，共六十五頁(yè)，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(gè)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(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日三、光敏電阻的主要特性

光敏電阻的時(shí)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(guò)一段時(shí)間，而且時(shí)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(shí)，其輸出將隨入射光頻率的增加而減少。第四十八頁(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日

在忽略外電路時(shí)間常數(shù)的影響時(shí)，響應(yīng)時(shí)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(shí)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(huì)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(shí)間。三、光敏電阻的主要特性光敏電阻的時(shí)間特性第四十九頁(yè)，共六十五頁(yè)，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(wú)飽和，但受最大功耗限制。光敏電阻伏安特性第五十頁(yè)，共六十五頁(yè)，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(zhǎng)、長(zhǎng)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(cè)率，就十分必要采用冷卻裝置。第五十一頁(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日

具有光電導(dǎo)性能的半導(dǎo)體材料很多，但能夠滿足光敏電阻的各項(xiàng)要求而又能實(shí)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(zhǎng)范圍，基本上可分為三類：對(duì)紫外光靈敏的光敏電阻，如硫化鎘(CdS)和硒化鎘(CdSe)等；對(duì)可見(jiàn)光靈敏的光敏電阻，如硫化鉈(TiS)，硫化鎘(CdS)和硒化鎘(CdSe)等；對(duì)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(yè)，共六十五頁(yè)，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(jiàn)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(diǎn)是它的峰值波長(zhǎng)很接近人眼最敏感的555nm波長(zhǎng)，可用于視覺(jué)亮度有關(guān)的測(cè)量和底片曝光方面的測(cè)量。特點(diǎn)：有很高的響應(yīng)度，性價(jià)比高。缺點(diǎn)：受單晶大小的限制，受光面積小，響應(yīng)時(shí)間與光照強(qiáng)度有關(guān),隨著光照強(qiáng)度減弱響應(yīng)時(shí)間也增加。

CdS光敏電阻的響應(yīng)度為50A/Im（安/流明），響應(yīng)時(shí)間為毫秒至秒，響應(yīng)波長(zhǎng)為0.3—0.8um。CdSe光敏電阻比CdS光敏電阻波長(zhǎng)稍長(zhǎng)些。它的響應(yīng)度為50A／Im

響應(yīng)時(shí)間為500us至1s。工作波長(zhǎng)范圍為0.3—0.4um。四、幾種常用的光敏電阻第五十三頁(yè)，共六十五頁(yè)，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(dāng)光照PbS薄膜時(shí)，無(wú)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(dǎo)帶,價(jià)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(shì)壘的部分空間電荷中和，從而降低勢(shì)壘高度，使原來(lái)被陷的載流子（N區(qū)導(dǎo)帶中的電子、P區(qū)價(jià)帶中的空穴）釋放出來(lái)，從而提高載流子的遷移率，產(chǎn)主較大的光電導(dǎo)率。

溫度對(duì)光電導(dǎo)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(zhǎng)為1.0一3.5um，峰值2.4um左右，在冷卻到干冰溫度時(shí)（195K）時(shí)，光譜響應(yīng)為1—4um，峰值2.8um，探測(cè)度可提高近一個(gè)數(shù)量級(jí),響應(yīng)時(shí)間一般為100—300us。四、幾種常用的光敏電阻第五十四頁(yè)，共六十五頁(yè)，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(dǎo)體，光激發(fā)是本征型的。它主要被用于探測(cè)大氣第二個(gè)紅外透過(guò)窗口波長(zhǎng)3—5um，常溫下長(zhǎng)波限可達(dá)7.3um；冷卻到77K時(shí)，長(zhǎng)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(shí)，長(zhǎng)波限能達(dá)到4um，峰值波長(zhǎng)3.2um。四、幾種常用的光敏電阻第五十五頁(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日4、雜質(zhì)光電導(dǎo)探測(cè)器

雜質(zhì)光電導(dǎo)探測(cè)器是基于非本征光電導(dǎo)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(dǎo)器件，它們都工作于遠(yuǎn)紅外區(qū)8——40um波段。由于雜質(zhì)光電導(dǎo)器件中施主和受主的電離能ΔE一般比本征半導(dǎo)體禁帶寬度Eg小得多，所以響應(yīng)波長(zhǎng)比本征光電導(dǎo)器件要長(zhǎng)，相比來(lái)說(shuō)，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(shí)，熱激發(fā)載流子的濃度很高，為使光照時(shí)在雜質(zhì)能級(jí)上激發(fā)出較多的載流子，所以雜質(zhì)光電導(dǎo)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(yè)，共六十五頁(yè)，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(yè)，共六十五頁(yè)，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(dǎo)，Gp是光電導(dǎo)。若忽略暗電導(dǎo)，則G=Gp，并且G=Gp=SgE或G=SgΦ。第五十八頁(yè)，共六十五頁(yè)，2022年，8月28日

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

負(fù)號(hào)的物理意義是：當(dāng)光敏電阻上的照度增加，阻值減?。处P<0）時(shí)，電流ΔI>0增加。

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