zm光電導(dǎo)探測器課件

3.2光電導(dǎo)探測器

(PC-Photoconductive)

3.2.1光敏電阻的工作原理和結(jié)構(gòu)3.2.2光敏電阻的特性參數(shù)3.2.3光敏電阻的變換電路3.2.4光敏電阻的應(yīng)用實例某些物質(zhì)吸收了光子的能量產(chǎn)生本征吸收或雜質(zhì)吸收，從而改變了物質(zhì)電導(dǎo)率的現(xiàn)象稱為物質(zhì)的光電導(dǎo)效應(yīng)。利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的材料（如硅、鍺等本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體，硫化鎘、硒化鎘、氧化鉛等）可以制成電導(dǎo)隨入射光度量變化器件，稱為光電導(dǎo)器件。最典型的光電導(dǎo)器件是光敏電阻。

光敏電阻有以下優(yōu)點：光譜響應(yīng)相當寬。根據(jù)光電導(dǎo)材料的不同，有的在可見光區(qū)靈敏，有的靈敏區(qū)可達紅外區(qū)或遠紅外區(qū)。所測的光強范圍寬，即可對強光響應(yīng)，也可對弱光響應(yīng)。無極性之分，使用方便，成本低，壽命長。靈敏度高，工作電流大，可達數(shù)毫安。光敏電阻的不足之處：強光照射下線性較差，頻率特性也較差。

3.2.1光敏電阻的工作原理和結(jié)構(gòu)圖所示為光敏電阻的原理圖與光敏電阻的符號，在均勻的具有光電導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料的兩端加上電極便構(gòu)成光敏電阻。當光敏電阻的兩端加上適當?shù)钠秒妷篣bb后，當光照射到光電導(dǎo)體上，由光照產(chǎn)生的光生載流子在外加電場作用下沿一定方向運動，在電路中產(chǎn)生電流Ip，用檢流計可以檢測到該電流。一。光敏電阻工作原理光電導(dǎo)增益參見書上推導(dǎo)過程p173－p175M>1的理解光電導(dǎo)內(nèi)增益說明載流子已經(jīng)渡越完畢，但載流子的平均壽命還未中止。這種現(xiàn)象可以這樣理解：光生電子向正極運動，空穴向負極運動，可是空穴的移動可能被晶體缺陷和雜質(zhì)形成的俘獲中心－陷阱所俘獲。因此，當電子到達正極消失時，陷阱俘獲的正電中心（空穴）仍留在體內(nèi)，它又會將負電極的電子感應(yīng)到半導(dǎo)體中來，被誘導(dǎo)進來的電子又在電場中運動到正極，如此循環(huán)直到正電中心消失。這就相當放大了初始的光生電流。如何提高M光電導(dǎo)內(nèi)增益選用平均壽命長、遷移率大的半導(dǎo)體材料；減少電極間距離；加大偏壓光電導(dǎo)器件材料禁帶寬度（eV）光譜響應(yīng)范圍（nm）峰值波長（nm）硫化鎘（CdS）2.45400～800515～550硒化鎘（CdSe）1.74680～750720～730硫化鉛（PbS）0.40500～30002000碲化鉛（PbTe）0.31600～45002200硒化鉛（PbSe）0.25700～58004000硅（Si）1.12450～1100850鍺（Ge）0.66550～18001540銻化銦（InSb）0.16600～70005500砷化銦（InAs）0.331000～40003500常用光電導(dǎo)材料每一種半導(dǎo)體或絕緣體都有一定的光電導(dǎo)效應(yīng)，但只有其中一部分材料經(jīng)過特殊處理，摻進適當雜質(zhì)，才有明顯的光電導(dǎo)效應(yīng)?，F(xiàn)在使用的光電導(dǎo)材料有Ⅱ-Ⅵ族、Ⅲ-Ⅴ族化合物，硅、鍺等，以及一些有機物。

光敏電阻的結(jié)構(gòu)是在一塊光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母、高頻瓷或其它絕緣材料基板上，兩端接電極引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。二.光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)

光敏面作成蛇形，電極是在一定的掩模下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的。這種梳狀電極可以保證有較大的受光表面，也可以減小電極之間距離，從而減小極間電子渡越時間，提高靈敏度。1--光導(dǎo)層;2--玻璃窗口;3--金屬外殼;4--電極;5--陶瓷基座;6--黑色絕緣玻璃;7--電阻引線。RG1234567(a)結(jié)構(gòu)(b)電極(c)符號CdS光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號（a）梳狀結(jié)構(gòu)：梳形電極間距很小，之間為光敏電阻材料，靈敏度高。（b）蛇形結(jié)構(gòu)：光敏面為蛇形，兩側(cè)為金屬導(dǎo)電材料，并在其上設(shè)置電極。（c）刻線式結(jié)構(gòu)：在制備好的光敏電阻襯基上刻出狹窄的光敏材料條，再蒸涂金屬電極。導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照表面薄層，雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴散到內(nèi)部去，但擴散深度有限，因此光電導(dǎo)體一般都做成薄層。靈敏度易受濕度的影響，因此要將導(dǎo)光電導(dǎo)體嚴密封裝在玻璃殼體中。光敏電阻為多數(shù)電子導(dǎo)電的光電敏感器件，它與其他光電器件的特性的差別表現(xiàn)在它的基本特性參數(shù)上。光敏電阻的基本特性參數(shù)包含光電導(dǎo)特性、時間響應(yīng)、光譜響應(yīng)、伏安特性與噪聲特性等。

一、光譜響應(yīng)率光譜響應(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光譜響應(yīng)率為由和

光譜特性多用相對靈敏度與波長的關(guān)系曲線表示。在可見光區(qū)靈敏的幾種光敏電阻的光譜特性曲線1-硫化鎘單晶

2-硫化鎘多晶

3-硒化鎘多晶

4-硫化鎘與硒化鎘混合多晶由圖可見，硫化鎘單晶、硫化鎘與硒化鎘混合多晶，硫化鎘多晶、硒化鎘多晶等幾種光敏電阻的光譜特性曲線覆蓋了整個可見光區(qū)，峰值波長在515～600nm之間。這與人眼的光譜光視效率V(λ)曲線的范圍和峰值波長（555nm）是很接近的，因此可用于與人眼有關(guān)的儀器，例如照相機、照度計、光度計等。不過它們的形狀與V(λ)曲線還不完全一致。如直接使用，與人的視覺還有一定的差距，所以必須加濾光片進行修正，使其特性曲線與V(λ)曲線完全符合，這樣即可得到與人眼視覺相同的效果。二、光譜特性三.噪聲特性

光敏電阻的主要噪聲有熱噪聲、產(chǎn)生復(fù)合和低頻噪聲(或稱1/f噪聲)。

1、熱噪聲（>1MHz）

2、產(chǎn)生復(fù)合噪聲(1kHz～1MHz)

3、低頻噪聲（電流噪聲）

總噪聲高頻

低頻

高頻

低頻

１/f熱噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲總噪聲ffc02.強光照射時，光電流與光通量（照度）成非線性。γ為光電轉(zhuǎn)換因子，是一個隨光度量變化的指數(shù)gp稱為光敏電阻的光電導(dǎo)。在通常的照度范圍內(nèi)(10-1~104lx)，的值接近于1考慮到光敏電阻的暗電流，流過光敏電阻的電流為γ與材料和入射光強弱有關(guān)，對于硫化鎘光電導(dǎo)體，在弱光照下γ＝1，在強光照下γ＝1/2，一般γ＝0.5～1。如圖所示的特性曲線反應(yīng)了流過光敏電阻的電流Ip與入射光照度E間的變化關(guān)系，由圖可見它是由直線性漸變到非線性的。

五.伏安特性在不同光照下加在光敏電阻兩端的電壓U與流過它的電流Ip的關(guān)系曲線，并稱其為光敏電阻的伏安特性。

圖所示為典型CdS光敏電阻的伏安特性曲線。圖中的虛線為額定功耗線。使用光敏電阻時，應(yīng)不使電阻的實際功耗超過額定值。從圖上來說，就是不能使靜態(tài)工作點居于虛線以內(nèi)的區(qū)域。按這一要求在設(shè)計負載電阻時，應(yīng)不使負載線與額定功耗線相交。六、前歷效應(yīng)前歷效應(yīng)是指光敏電阻的時間特性與工作前“歷史”有關(guān)的一種現(xiàn)象。前歷效應(yīng)有暗態(tài)前歷與亮態(tài)前歷之分。暗態(tài)前歷效應(yīng)是指光敏電阻測試或工作前處于暗態(tài)，當它突然受到光照后表現(xiàn)為暗態(tài)。前歷越長，光電流上升越慢。其效應(yīng)曲線如下圖所示。一般，工作電壓越低，光照度越低，則暗態(tài)前歷效應(yīng)就越重。硫化鎘光敏電阻的暗態(tài)前歷效應(yīng)曲線

1-黑暗放置3分鐘后

2-黑暗放置60分鐘后

3-黑暗放置24小時后

亮態(tài)前歷效應(yīng)指光敏電阻測試或工作前已處于亮態(tài)，當照度與工作時所要達到的照度不同時，所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象，其效應(yīng)曲線如下圖所示。一般，亮電阻由高照度狀態(tài)變?yōu)榈驼斩葼顟B(tài)達到穩(wěn)定值時所需的時間要比由低照度狀態(tài)變?yōu)楦哒斩葼顟B(tài)時短。

硫化鎘光敏電阻亮態(tài)前歷效應(yīng)曲線

七、溫度特性光敏電阻的溫度特性很復(fù)雜，在一定的照度下，亮電阻的溫度系數(shù)α有正有負

R1、R2分別為與溫度T1、T2相對應(yīng)的亮電阻。

溫度對光譜響應(yīng)也有影響。一般說，光譜特性主要決定于材料，材料的禁帶寬度越窄則對長波越敏感，但禁帶很窄時，半導(dǎo)體中熱激發(fā)也會使自由載流子濃度增加，使復(fù)合運動加快，靈敏度降低。因此，采取冷卻靈敏面的辦法來提高靈敏度往往是很有效的。

光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻。圖所示為典型CdS（實線）與CdSe（虛線）光敏電阻在不同照度下的溫度特性曲線。以室溫（25℃）的相對光電導(dǎo)率為100%，觀測光敏電阻的相對光電導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系，可以看出光敏電阻的相對光電導(dǎo)率隨溫度的升高而下降，光電響應(yīng)特性隨著溫度的變化較大。

隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，光譜特性曲線的峰值向波長短的方向移動。硫化鎘的光電流I和溫度T的關(guān)系如圖所示。有時為了提高靈敏度，或為了能夠接收較長波段的輻射，將元件降溫使用。例如，可利用制冷器使光敏電阻的溫度降低。I/μA100150200-50-10305010-30T/oC2040608010001.02.03.04.0λ/μmI/mA+20oC-20oC硫化鎘的光電流I和溫度T的關(guān)系一般n型半導(dǎo)體的EF位于Ei之上Ec之下的禁帶中。EF既與溫度有關(guān)，也與雜質(zhì)濃度ND有關(guān)：一定溫度下?lián)诫s濃度越高，費米能級EF距導(dǎo)帶底Ec越近；如果摻雜一定，溫度越高EF距Ec越遠，也就是越趨向Ei。Si中不同摻雜濃度條件下費米能級與溫度的關(guān)系八.響應(yīng)時間和頻率響應(yīng)光敏電阻的響應(yīng)時間（又稱為慣性）比其他光電器件要差（慣性要大）些，頻率響應(yīng)要低些，而且具有特殊性。當用一個理想方波脈沖輻射照射光敏電阻時，光生電子要有產(chǎn)生的過程，光生電導(dǎo)率Δσ要經(jīng)過一定的時間才能達到穩(wěn)定。當停止輻射時，復(fù)合光生載流子也需要時間，表現(xiàn)出光敏電阻具有較大的慣性。通常光敏電阻的響應(yīng)時間與入射輻射的強弱有關(guān)，光照越強其時間常數(shù)越小，光照越弱其時間常數(shù)越大。下面分別討論。

1.弱輻射作用情況下的時間響應(yīng)

t≥0t=0對于本征光電導(dǎo)器件在非平衡狀態(tài)下光電導(dǎo)率Δσ和光電流IΦ隨時間變化的規(guī)律為當t=τ時，Δσ=0.63Δσ0，IΦ=0.63IΦe0；

定義τ＝τr為光敏電阻的上升時間常數(shù)

停止輻射時，入射輻射通量為t=0t≥0光電導(dǎo)率和光電流隨時間變化的規(guī)律為

顯然，光敏電阻在弱輻射作用下的上升時間常數(shù)τr與下降時間常數(shù)τf近似相等。

當t=τ，Δσ=0.37Δσ0，IΦ=0.37IΦe0；

定義τ＝τf為下降時間常數(shù)

2.強輻射作用情況下的時間響應(yīng)

t≥0t=0光電導(dǎo)率和光電流變化的規(guī)律為當t=τ時，Δσ=0.76Δσ0，IΦ=0.76IΦe0；

定義τ＝τr為光敏電阻的上升時間常數(shù)

停止輻射時，入射輻射通量為t=0t≥0光電導(dǎo)率和光電流隨時間變化的規(guī)律為

當t=τ，Δσ=0.5Δσ0，IΦ=0.5IΦe0；

定義τ＝τf為下降時間常數(shù)

頻率響應(yīng)特性

光敏電阻是依靠非平衡載流子效應(yīng)工作的，非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合都有一個時間過程，這個時間過程在一定程度上影響了光敏電阻對變化光照的響應(yīng)。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小。1-硒

2-硫化鎘

3-硫化鉈

4-硫化鉛f3dB通常，CdS的響應(yīng)時間在幾十毫秒至幾秒；CdSe的響應(yīng)時間約為10-2～10-3s；PbS約為10-4s。由此可見，要達到穩(wěn)定輸出，頻率響應(yīng)不會超過10kHz，一般為1kHz。增益帶寬積意義：當一個器件制作完后，外加電壓確定后，增益帶寬積為常量。也就是說，光電導(dǎo)器件的頻帶寬度和光電增益是矛盾的，二者不可兼容，靈敏度高的光電導(dǎo)器件，頻帶必然窄。忽視外電路時間常數(shù)影響時，響應(yīng)時間等于光生載流子平均壽命增益帶寬積3.2.3光敏電阻的變換電路一、基本偏置電路RLRpVbIV<Pmax由電路圖：當光通量變化時，光敏電阻變化Rp，電流變化I：a.恒流偏置(RL》Rp)b.恒壓偏置(RL《Rp)c.恒功率偏置(RLRp)設(shè)入射于光敏電阻的輻射為調(diào)制輻射正弦，如：

RLRpVbRLRp~ipCpVL等效微變電路基本偏置電路輸出的交流部分電流輸出的交流電壓二、噪聲和等效電路用光敏電阻檢測微弱信號時需考慮器件的固有噪聲熱噪聲、產(chǎn)生－復(fù)合噪聲及１/f噪聲光敏電阻若接收調(diào)制輻射，其噪聲的等效電路如圖所示ipingrintinfRLRpC噪聲等效電路3.2.4應(yīng)用舉例光譜響應(yīng)范圍寬，測光范圍寬，靈敏度高，無極性之分,價格便宜。

光敏電阻的重要特點是：光敏電阻按光譜范圍可分為紫外、可見光、紅外；按晶體結(jié)構(gòu)分為單晶和多晶；按制作工藝分為薄膜燒結(jié)型和真空蒸發(fā)型。

幾種常用的光敏電阻光敏電阻紫外硫化鎘(CdS)和硒化鎘(CdSe)可見硫化鉈(TiS)、硫化鎘(CdS)和硒化鎘(CdSe)紅外硫化鉛(PbS)、碲化鉛(PbTe)、銻化銦(InSb)、碲汞鎘（Hg1-xCdxTe）光敏電阻常用光電導(dǎo)材料一.典型光敏電阻

1、CdS光敏電阻

CdS光敏電阻是最常見的光敏電阻，它的光譜響應(yīng)特性最接近人眼光譜光視效率，它在可見光波段范圍內(nèi)的靈敏度最高，因此，被廣泛地應(yīng)用于燈光的自動控制，照相機的自動測光等。

CdS光敏電阻的峰值響應(yīng)波長為0.52μm，CdSe光敏電阻為0.72μm，一般調(diào)整S和Se的比例，可使Cd（S，Se）光敏電阻的峰值響應(yīng)波長大致控制在0.52~0.72μm范圍內(nèi)。

CdS光敏電阻的光敏面常為蛇形光敏面結(jié)構(gòu)。

2.PbS光敏電阻

PbS光敏電阻是近紅外波段最靈敏的光電導(dǎo)器件。

PbS光敏電阻在2μm附近的紅外輻射的探測靈敏度很高，因此，常用于火災(zāi)的探測等領(lǐng)域。

PbS光敏電阻的光譜響應(yīng)和比探測率等特性與工作溫度有關(guān)，隨著工作溫度的降低其峰值響應(yīng)波長和長波長將向長波方向延伸，且比探測率D*增加。例如，室溫下的PbS光敏電阻的光譜響應(yīng)范圍為1~3.5μm，峰值波長為2.4μm，峰值比探測率D*高達1×1011cm·Hz·W-1。當溫度降低到（195K）時，光譜響應(yīng)范圍為1~4μm，峰值響應(yīng)波長移到2.8μm，峰值波長的比探測率D*也增高到2×1011cm·Hz·W-1。

3.InSb光敏電阻

InSb光敏電阻是3~5μm光譜范圍內(nèi)的主要探測器件之一。

InSb材料不僅適用于制造單元探測器件，也適宜制造陣列紅外探測器件。

InSb光敏電阻在室溫下的長波長可達7.5μm，峰值波長在6μm附近，比探測率D*約為1×1011cm·Hz·W-1。當溫度降低到77K（液氮）時，其長波長由7.5μm縮短到5.5μm，峰值波長也將移至5μm，恰為大氣的窗口范圍，峰值比探測率D*升高到2×1011cm·Hz·W-1。

4.Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)探測器件

Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)探測器件是目前所有紅外探測器中性能最優(yōu)良最有前途的探測器件，尤其是對于4~8μm大氣窗口波段輻射的探測更為重要。Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)體是由HgTe和CdTe兩種材料的晶體混合制造的，其中x標明Cd元素含量的組分。在制造混合晶體時選用不同Cd的組分x，可以得到不同的禁帶寬度Eg，便可以制造出不同波長響應(yīng)范圍的Hg1-xCdxTe探測器件。一般組分x的變化范圍為0.18~0.4，長波長的變化范圍為1~30μm。

二.應(yīng)用實例

1照明燈的光電控制電路

如圖所示為一種最簡單的由光敏電阻作光電敏感器件的照明燈光電自動控制電路。

它由3部分構(gòu)成：半波整流濾波電路（整流二極管D和濾波電容C）

測光與控制的電路（限流電阻R、光敏電阻及繼電器繞組）執(zhí)行電路（繼電器的常閉觸頭）設(shè)使照明燈點亮的光照度為EV，繼電器繞組的直流電阻為RJ，使繼電器吸合的最小電流為Imin，光敏電阻的光電導(dǎo)靈敏度為Sg，暗電導(dǎo)go=0，則

顯然，這種最簡單的光電控制電路還有很多缺點，還需要改進。在實際應(yīng)用中常常要附加其他電路，如樓道照明燈常配加聲控開關(guān)或微波等接近開關(guān)使燈在有人活動時照明燈才被點亮；而路燈光電控制器則要增加防止閃電光輻射或人為的光源（如手電燈光等）對控制電路的干擾措施。

2火焰探測報警器

圖所示為采用光敏電阻為探測元件的火焰探測報警器電路圖。PbS光敏電阻的暗電阻的阻值為1MΩ，亮電阻的阻值為0.2MΩ(幅照度1mw/cm2下測試)，峰值響應(yīng)波長為2.2μm，恰為火焰的峰值輻射光譜。

3照相機電子快門

圖所示為利用光敏電阻構(gòu)成的照相機自動曝光控制電路，也稱為照相機電子快門。電子快門常用于電子程序快門的照相機中，其中測光器件常采用與人眼光譜響應(yīng)接近的硫化鎘(CdS)光敏電阻。照相機曝光控制電路是由光敏電阻R、開關(guān)K和電容C構(gòu)成的充電電路，時間檢出電路(電壓比較器)，三極管T構(gòu)成的驅(qū)動放大電路，電磁鐵M帶動的開門葉片（執(zhí)行單元）等組成。在初始狀態(tài)，開關(guān)K處于如圖所示的位置，電壓比較器的正輸入端的電位為R1與RW1分電源電壓Ubb所得的閾值電壓Vth（一般為1~1.5V），而電壓比較器的負輸入端的電位VR近似為電源電位Ubb，顯然電壓比較器負輸入端的電位高于正輸入端的電位，比較器輸出為低電平，三極管截止，電磁鐵不吸合，開門葉片閉合。當按動快門的按鈕時，開關(guān)K與光敏電阻R及RW2構(gòu)成的測光與充電電路接通，這時，電容C兩端的電壓UC為0，由于電壓比較器的負輸入端的電位低于正輸入端而使其輸出為高電平，使三極管T導(dǎo)通，電磁鐵將帶動快門的葉片打開快門，照相機開始曝光?？扉T打開的同時，電源Ubb通過電位器RW2與光敏電阻R向電容C充電，且充電的速度取決于景物的照度，景物照度愈高光敏電阻R的阻值愈低，充電速度愈快。VR的變化規(guī)律可由電