第03章-光電導探測器

數碼相機為什么能實現自動曝光？數碼相機NIKON5第03章光電導探測器利用半導體光電導效應制成的器件稱為光電導探測器，簡稱PC（Photoconductive）探測器－－又稱為光敏電阻。特點：①光譜響應：紫外－－遠紅外②工作電流大，可達數毫安③可測強光，可測弱光④靈敏度高，光電導增益大于1⑤無極性之分第03章光電導探測器3.1材料結構原理3.2主要特性參數3.4偏置電路和應用3.1材料結構原理3.1.1材料及分類Ⅱ－Ⅵ、Ⅲ－V族化合物，硅、鍺以及一些有機物等本征型光敏電阻：雜質型光敏電阻：注意雜質型：1.常用N型2.極低溫度下工作雜質型光敏電阻：極低溫度下工作???以N型為例：EcEvEdΔEd＝Ec－Ed<<EgEgΔEd2.常溫--雜質原子束縛電子或空穴已被熱激發(fā)成自由態(tài)作為暗電導率的貢獻量。長波光照,已無束縛電子或束縛空穴供光激發(fā)用，即光電導Δσ為零或很微弱。1.雜質原子濃度遠比基質原子濃度低得多。3.1材料結構原理3.1.2光照下的光電導響應過程光電導的響應與光生載流子Δn成正比曲線的解釋：3.1.2光照下的光電導響應過程光照時：弱光（Δn(t)=Δp(t)<<p0）初始條件：t=0，Δn(0)=0增長率產生率復合率熱致產生率3.1.2光照下的光電導響應過程光照時：為載流子壽命3.1.2.光照下的光電導響應過程光照時：光照停止時：增長率產生率復合率熱致產生率光照停止時：初始條件：t=0，

3.1.2.光照下的光電導響應過程弱光照條件下光電導響應的兩個基本結論：（1）響應時間（上升時間和下降時間）等于載流子壽命且為常數（2）穩(wěn)態(tài)光電導與產生率成線性關系，即與輻射通量成正比3.1.2.光照下的光電導響應過程(a)光照時(b)光照停止時弱光照條件下光電導響應的兩個基本結論：（1）響應時間（上升時間和下降時間）等于載流子壽命且為常數（2）穩(wěn)態(tài)光電導與產生率成線性關系，即與輻射通量成正比強光照條件下：（討論）3.1.2.光照下的光電導響應過程階躍光照時光電導響應：正弦光照時光電導響應：3.1.2.光照下的光電導響應過程階躍光照時光電導響應：正弦光照時光電導響應：上限截止頻率：（頻域）響應時間：（時域）光電導響應速度3.1.2.光照下的光電導響應過程3.1.3結構和原理3.1材料結構原理設樣品為N型材料任務：1.導出電流表達式在x處光生載流子濃度3.1.3結構和原理在x處光生載流子濃度x處的光電導率為漂移電流密度（A/m2）為3.1.3結構和原理漂移電流密度（A/m2）為光電導探測器平均光電流3.1.3結構和原理光電導探測器平均光電流由此可得到兩個結論：(1).光電導探測器為受控恒流源

(2).光電導探測器光敏面做成蛇形3.1.3結構和原理電壓源：RS<<RL補充知識1：電流源：RS>>RL兩者關系：IS=ES/RS

例如，三極管h參數等效電路補充知識2：受控電流源：光電導探測器平均光電流(1).光電導探測器為受控恒流源

微變等效電路光電阻Rp0--平均光照時光敏電阻的阻值U--光電阻Rp0上的分電壓。利用該等效電路可方便地計算光電導探測器接受交變輻射時的輸出信號。使用條件：光通量變化較小3.1.3結構和原理光電導探測器平均光電流(1).光電導探測器為受控恒流源

(2).光電導探測器光敏面做成蛇形－－光電流Ip與長度lz的平方成反比3.1.3結構和原理光敏電阻結構示意圖3.1.3結構和原理2.光電導增益－－光電導探測器的內增益，也稱為光電導增益3.1.3結構和原理第03章光電導探測器3.1材料結構原理3.2主要特性參數3.3偏置電路和應用3.2主要特性參數1.光電特性和γ值2.光電導靈敏度3.光譜特性7.噪聲特性4.頻率特性5.溫度特性6.前歷效應1.光電特性和γ值光敏電阻的光電流與入射光通量（光照度）之間的關系稱光電特性Sg比例系數，與材料有關α為電壓指數，～1γ＝

0.5~1－－照度指數強光－－γ為0.5弱光－－γ為1弱光－－線性（測量）強光－－非線性（控制）

2.光電導靈敏度弱光，光電導靈敏度：S/1m，S/1xS/μW，S/μW/cm23.2主要特性參數3.頻率特性3.2主要特性參數兩個階段：光電導探測器總的響應時間由探測器本身響應時間決定，與外接負載電阻大小無關。3.頻率特性3.2主要特性參數LoadresistanceRL/

1001kl0k100kResponsetimetr/ms5.45.55.45.4CdSe光電導探測器：光電導探測器總的響應時間由探測器本身響應時間決定，與外接負載電阻大小無關。3.頻率特性3.2主要特性參數引入等效電容未引入等效電容弛豫特性總響應時間探測器弛豫特性反映在電路兩個時間3.頻率特性

最高頻率~104HZ≈10KHZ響應時間~ms量級3.2主要特性參數響應時間：1.光－電載流子平均壽命（較大）2.外接電路的時間常數（可忽略）光電導探測器的頻率特性差，不適于接收高頻光信號。C4.光譜特性

峰值波長在515～600nm，接近555nm，可用于與人眼有關的儀器，例如照相機、照度計、光度計等，加濾光片進行修正3.2主要特性參數可見光區(qū)靈敏的幾種光敏電阻4.光譜特性紅外區(qū)靈敏的幾種光敏電阻3.2主要特性參數4.光譜特性3.2主要特性參數每一種器件都有特定的光譜響應波段。常用的光電導探測器組合起來后可以覆蓋從可見光、近紅外、中紅外延伸至極遠紅外波段的光譜響應范圍常用光電導探測器的光譜響應示意圖可見光近紅外中紅外遠紅外近中紫外波長增大5.噪聲特性光敏電阻噪聲：減小噪聲途徑：－－光調制技術－－致冷－－合理偏置電路3.2主要特性參數總結：常用光電導探測器

光電導探測器波長響應范圍按工作波長：按材料分，兩大類型：本征型光敏電阻

雜質型光敏電阻紫外光響應可見光響應紅外光響應紫外光可見光紅外－－極遠紅外光碲鎘汞(HgCdTe)系列光敏電阻Hg1-xCdxTe合金法：CdTeHgTex是Cd含量組分x=0.2，光譜響應8～14μmx=0.28，光譜響應3～5μmx=0.39，光譜響應1～3μm工作溫度3.3偏置電路1．基本偏置電路及直流參數的計算2．幾種典型的偏置電路3．光敏電阻應用舉例3.3.1基本偏置電路及直流參數的計算為使器件正常工作，提供合適的電流或者電壓。TRb+VCCcR偏置電路:例如：意義：1.提高探測靈敏度2.降低噪聲3.提高頻率響應－－偏置電壓－－偏置電阻3.3偏置電路基本偏置電路:直流參數計算:1）.計算Ub,RL2）.計算ΔΦ對應的輸出電壓3.3偏置電路3.3.1基本偏置電路及直流參數的計算1）.計算Ub,RL3.3偏置電路2）.計算ΔΦ對應的輸出電壓3.3偏置電路1．恒流偏置電路RL>>RP

特點:信噪比高－－弱信號檢測3.3偏置電路3.3.2幾種典型偏置電路2．恒壓偏置電路RL<<RP

特點:輸出信號與光敏電阻無關－－更換3.3偏置電路3.3.2幾種典型偏置電路恒壓偏置電路RL<<RP

3.3偏置電路3.3.2幾種典型偏置電路恒流偏置電路RL>>RP

如何增大輸出信號？－－－恒流偏置電路恒壓偏置電路3.3偏置電路數碼相機為什么能實現自動曝光？數碼相機NIKON53．光電導探測器噪聲主要包括：熱噪聲、g-r噪聲和1／f噪聲本章小結：1．利用半導體光電導效應制成的器件稱為光電導探測器：

本征光電導探測器和雜質光電導探測器光譜響應范圍可從紫外－－遠紅外波段2．光電流Ip=(eη/hv)MΦ，M－內增益，與器件材料、性質和外加電場大小有關4．上限截止頻率fc或響應時間τ，與光電導探測器的光生載流子的平均壽命有關。響應頻率僅在幾兆赫的數量級。5．偏置電路：恒流電路、恒壓電路、交流等效電路習題3-9指導：3-9如圖3－24所示的電路，耦合電容C足夠大，在交流回路中其容抗可以忽略不計。光敏電阻Rp的參數為Sg=2×10-5S／lx，τ