光敏电阻

第四章 光电导探测器第四章 光电导探测器

§4-1光电导探测器的工作原理

(Photoconductive, PC)

§4-1光电导探测器的工作原理一、光电导效应

1 半导体物理基础1.半导体物理基础

导体 电阻率10-6~10-3 Ωcm半导体 之间 （四价元素）半导体 之间 （四价元素）

绝缘体 1012 Ωcm以上

原子 晶体

（1）“电子-空穴”观点

本征半导体

原子→晶体

热生载流子

本征半导体

自由电子

空穴空穴

外加电场→导电

第四章 光电导探测器第四章 光电导探测器

N型（掺5价元素） 施放自由电子N型（掺5价元素） 施放自由电子

P型（掺3价元素） 接受价电子（产生空穴）杂质半导体

【阅读】童诗白 华成英 模拟电子技术基础 第三版 北【阅读】童诗白,华成英. 模拟电子技术基础(第三版)[M]. 北京：高等教育出版社，2001：1-5.

第四章 光电导探测器第四章 光电导探测器（2）能带观点

能带：晶体中，相邻原子的外层电子轨道交叠，不同位置的轨道能级略有差别，形成能带。

价带：最外层（价）电子所在的能带。价带：最外层（价）电子所在的能带。

导带：自由电子所在的能带。

禁带：价带和导带之间的区域——电子能量的量子化间隔。

第四章 光电导探测器第四章 光电导探测器本征半导体 杂质半导体

施主能级 受主能级

【阅读】雷玉堂. 光电信息技术[M].北京：电子工业出版社，【阅读】雷玉堂. 光电信息技术[M].北京：电子工业出版社，2011：5-8.

第四章 光电导探测器第四章 光电导探测器

2.半导体材料的电导/电导率2.半导体材料的电导/电导率

①热平衡

单位时间内，热生载流子数=复合消失数，电子浓度n，空穴单位时间内，热生载流子数=复合消失数，电子浓度n，空穴浓度p

②热平衡+外电场（偏压/偏流）

载流子迁移率 2[ / ( )]L cm V s 载流子迁移率

电导率

电导

[ ( )]AE V

1[( ) ]n pen ep cm

1[ ]AG

③热平衡+外电场+光照

[ ]GL

0( )

光生载流子：1s产生N对自由电子/空穴

电子/空穴浓度增量 n pN Nn pAL AL

第四章 光电导探测器第四章 光电导探测器

光电导（电导增量）光电导（电导增量）

/ ( ) /n pG A L e n p A L

2 ( )n n p pNeL

3.光电导效应

定义：光作用于光电导材料，形成本征吸收或杂质吸收，产定义：光作用于光电导材料，形成本征吸收或杂质吸收，产生附加的光生载流子，从而使半导体的电导率发生变化。

【阅读】安毓英，等. 光电子技术（第3版）[M].北京：电子工业出版社，2011：116 117工业出版社，2011：116-117.

第四章 光电导探测器

二、光电导探测器的工作原理

第四章 光电导探测器

二、光电导探测器的工作原理

1.输出光电流

注：以N型半导体（电子为多数载流子）为例

光功率P沿x方向均匀入射光敏面→

表面反射→体内吸收→

材料内深度x处的光功率：

吸收系数

( ) (1 ) xP x P R e

：

dx

表面反射率

→设光生电子体密度为n(x)→

R :

该处电流密度： ( ) ( )( ) /

n

n A

J x en x ven x V L

第四章 光电导探测器

输出的光电流:

第四章 光电导探测器

输出的光电流:

( ) ( )d d

p nI J x wdx wev n x dx 由 稳态下电子产生率=复合率，得

0 0( ) ( )p n

(1 )( )x

nP R en xh wL

从而

20(1 )

d x n n Ap

VeI R e dx Ph L

20

'

p h Le P M

——电荷放大系数P Mh

等效量子效率

——电荷放大系数

第四章 光电导探测器

内增益：

第四章 光电导探测器

V v 电子平均寿命内增益：2M = =n n A n n n

n

V vL L t

渡越时间

电子平均寿命

，可达到几百。1M

相当于本来光子激发一个电子，被放大为多个电子。

结论：光电导探测器是一个具有内增益的器件。

【讨论】

内增益与哪些因素有关？

如何看出？

光敏电阻如何利用？

第四章 光电导探测器

2.工作模式及等效电路

第四章 光电导探测器

2.工作模式及等效电路

电流源∥电阻（亮电阻）∥电容（交流）

一般：

亮电阻与暗电阻相差越大，探测器的灵敏度越高。

10R M 暗 暗亮

） RR 62 10~10(

第四章 光电导探测器第四章 光电导探测器

(1)短路电流(1)短路电流

时,负载电阻可忽略，近似外回路短路，输出电流为探测器输出电流：

L dR R为探测器输出电流：

(2)开路电压

'SC p

eI I PMh

(2)开路电压

时，探测器内阻可忽略，输出电压近似等于探测器开路电压：

h

L dR R开路电压： '

OC p L LeV I R PMRh

(3)负载匹配时探测器的输出电压

时，时，L dR =R 12

L dL p p L

L d

R RV I I RR R

第四章 光电导探测器

此时探测器输出的电功率

第四章 光电导探测器

此时探测器输出的电功率2

LVP

最大，光探测系统总的光电变换效率最高。

LLR

【思考】

（1）如何知道负载匹配时输出电功率最大？

0LL d

P R R

（2）光探测系统总的光电变换效率如何表示？

0 L dL

R RR

LPP

第四章 光电导探测器

§4-2光电导探测器的性能参数

第四章 光电导探测器

§4-2光电导探测器的性能参数一、电流增益（内增益）

光电导（电导增量）→光电导（电导增量）→

电流增量 →

电流增益 I V 2 ( )A

p A n n p peNVI G V

L

电流增益

【思考】N型或P型光电导探测器的电流增益如何表达？

2 ( )p pnAn n p p

n p

I VMeN L t t

【思考】N型或P型光电导探测器的电流增益如何表达？

二、量子效率

单位时间内：单位时间内：( )

( ) / ( ) p

N NP h N

与材料的反射率、吸收率、和厚度有关。

所有光子探测器的通用核心指标之一。

第四章 光电导探测器

三、灵敏度

第四章 光电导探测器

三、灵敏度

灵敏度：单位光功率（输入/原因）下产生的光电导（输出/结果）强弱。结果）强弱。 2( ) /n n p p

Gp A

eN LG e MSP N h h V

四、噪声

主要有 种：热噪声、产生复合

p

主要有3种：热噪声、产生复合

噪声、1/f 噪声。

注：

与工作频率有关。1.与工作频率有关。

2.可推导D*。

第四章 光电导探测器第四章 光电导探测器

五、光谱响应特性五、光谱响应特性

光谱响应度

'( )( )

( )p

I

e P MI hRP P

0

( )

( ) ( )[1 ( )]d xe R e dx M

hc

六、光照特性

实际情况下

低偏压（几伏~几十伏）、弱光照（10-1lx~103lx）下，通常可认为 （直线型光电导）

p AI KV P

可认为 （直线型光电导）

强光照下， （抛物线型光电导）

1 1/ 2

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七、时间响应特性七、时间响应特性

弛豫：光开始（停止）照射样品后，光电导逐渐增加（减少），一段时间后达到稳态。少），一段时间后达到稳态。

弛豫时间/响应时间：光电导上升（下降）段对应的时间。

注：注：

1.光电导对光照的反应速度、惯性、惰性。

决定可响应的光强度变化频率。2.决定可响应的光强度变化频率。

（1）直线型光电导

当 时，光电流上升到饱和值的

（约63%）或下降到饱和值的 （约37%），上升和下降是

t 1(1 )e1e

对称的， 为直线性光电导的弛豫时间，和光强无关。t

第四章 光电导探测器

（2）抛物线型光电导

第四章 光电导探测器

（2）抛物线型光电导

下降段为双曲线性衰减，

上升下降不对称。

近似为： 1/ 21( ) ( )In b

对于上升段： 时，光电导增加到饱和值的0.76；t 下降段： 时，光电导减小到饱和值的1/2。

和光照强弱有关：

t ,nI 短

第四章 光电导探测器第四章 光电导探测器

八、温度特性八、温度特性

光谱响应度、弛豫时间随工作

温度变化。温度变化。

工作时一般需要冷却！

九、前历效应

t0时刻光电导探测器的性能受

t<t0时间段内探测器状态的影响。

第四章 光电导探测器第四章 光电导探测器

§4-3实用光电导探测器§4-3实用光电导探测器一、几种典型的光电导探测器

和1. CdS和CdSe响应光谱范围：可见光（室温）

应用领域：灯光自动控制、照相机自动测光 （光敏电阻）应用领域：灯光自动控制、照相机自动测光 （光敏电阻）

2. PbS响应光谱范围：1~3.5μm（室温）

应用领域：火焰探测

3. InSb响应光谱范围：5~7.5 μm（室温，噪声大） ，4~5.5μm

（ ）（77K）应用领域：遥感(红外成像)

第四章 光电导探测器第四章 光电导探测器

4 Hg Cd Te4. HgxCd1-xTe

应用领域：遥感(红外成像)应用领域：遥感(红外成像)

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二、应用举例二、应用举例

1. 路灯自动控制

电阻 、电容 、二极管电阻R、电容C、二极管VD——半波整流电路

光敏电阻CdS、电流继电器J——控制电路

2. 火焰探测报警

稳压二极管VDZ、R1、R2、

三极管VT1——恒压偏置

PbS暗(亮)电阻1(0.2)MΩ,峰值响应波长2.2μmC2通过“跳变”火焰交流信号

放大

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三、使用要点三、使用要点

1. 防止探测器受杂散光的影响；

防止探测器的电参数（电压、功耗）超过允许值；2. 防止探测器的电参数（电压、功耗）超过允许值；

3. 根据不同用途，选用不同特性的探测器：

用于测光：需与光源的光谱特性匹配；

用于数字信息传输：选用亮、暗电阻差别大（光照指数γ大）的；大）的；

用于模拟信息传输：选用γ小的(线性度好)；需考虑探测器特性随温度的变化，必要时进行制冷；4. 需考虑探测器特性随温度的变化，必要时进行制冷；

5. 进行动态设计时，应考虑探测器的前历效应。