第一章光電導(dǎo)探測(cè)器

一、基本概念

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)隨入射光度量變化的器件，稱為光電導(dǎo)器件。最典型的光電導(dǎo)器件是光敏電阻。

當(dāng)前第1頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)二、光電子器件的基本特性：

光電探測(cè)器的基本特性包括：響應(yīng)特性：響應(yīng)率、探測(cè)率、時(shí)間常數(shù)噪聲特性：信號(hào)噪聲比

光電成像器件的特性：響應(yīng)特性成像特性：分辨率、空間頻率特性以及空間抽樣特性噪聲特性

本節(jié)只介紹響應(yīng)特性、探測(cè)率及吸收系數(shù)1.1.1光譜響應(yīng)率和響應(yīng)率

光電探測(cè)器輸出信號(hào)電壓或電流與單位入射光功率之比、即單位入射光功率作用下探測(cè)器的輸出信號(hào)電壓或電流稱為響應(yīng)率，包括光譜響應(yīng)率和積分響應(yīng)率。１、光譜響應(yīng)率

當(dāng)前第2頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)當(dāng)前第3頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)當(dāng)前第4頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)當(dāng)前第5頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)當(dāng)前第6頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)當(dāng)前第7頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)1.2光電導(dǎo)探測(cè)器的原理根據(jù)內(nèi)光電效應(yīng)制成的光電器件。當(dāng)光子能量大于禁帶寬度時(shí)，把價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，價(jià)帶中留下自由空穴，從而引起材料電導(dǎo)率增加，這就是本征光電導(dǎo)效應(yīng)當(dāng)光子能量激發(fā)雜志半導(dǎo)體的施主或者受主，使他們電離，產(chǎn)生自由電子或者空穴，從而增加材料電導(dǎo)率，為非本征光電導(dǎo)效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)：1、歐姆定律：2、漂移速度和遷移率：當(dāng)前第8頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)當(dāng)前第9頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)

1.3光敏電阻

光敏電阻的工作原理和結(jié)構(gòu)光敏電阻的特性參數(shù)光敏電阻的變換電路常用光敏電阻小結(jié)

應(yīng)用實(shí)例當(dāng)前第10頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)

1.3.1光敏電阻的工作原理和結(jié)構(gòu)當(dāng)前第11頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)

圖示為光敏電阻的原理與器件符號(hào)圖。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(dāng)光敏電阻的兩端加上適當(dāng)?shù)钠秒妷篣bb后，當(dāng)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(chǎng)作用下沿一定方向運(yùn)動(dòng)，在電路中產(chǎn)生電流Ip，用檢流計(jì)可以檢測(cè)到該電流。一。光敏電阻工作原理當(dāng)前第12頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)光敏電阻演示

當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，光生電子—空穴對(duì)增加，阻值減小，電流增大。暗電流（越小越好）當(dāng)前第13頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)當(dāng)前第14頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)M>1的理解光電導(dǎo)內(nèi)增益

說(shuō)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(yùn)動(dòng)，空穴向負(fù)極運(yùn)動(dòng)，可是空穴的移動(dòng)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(dāng)電子到達(dá)正極消失時(shí)，陷阱俘獲的正電中心（空穴）仍留在體內(nèi)，它又會(huì)將負(fù)電極的電子感應(yīng)到半導(dǎo)體中來(lái)，被誘導(dǎo)進(jìn)來(lái)的電子又在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)到正極，如此循環(huán)直到正電中心消失。這就相當(dāng)放大了初始的光生電流。當(dāng)前第15頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)

如何提高M(jìn)光電導(dǎo)內(nèi)增益選用平均壽命長(zhǎng)、遷移率大的半導(dǎo)體材料；減少電極間距離；加大偏壓參數(shù)選擇合適時(shí)，M值可達(dá)102量級(jí)當(dāng)前第16頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)光敏電阻分類本征型摻雜型入射光子的能量大于或等于半導(dǎo)體的禁帶寬度時(shí)能激發(fā)電子－空穴對(duì)EcEvEg入射光子的能量大于或等于雜質(zhì)電離能時(shí)就能激發(fā)電子空穴對(duì)EcEvEg常用于可見(jiàn)光波段測(cè)試常用于紅外波段甚至遠(yuǎn)紅外測(cè)試當(dāng)前第17頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)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(zhǎng)（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(guò)特殊處理，摻進(jìn)適當(dāng)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(jī)物。當(dāng)前第18頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)

光敏電阻的結(jié)構(gòu):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(shí)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(hào)CdS光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號(hào)當(dāng)前第19頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)（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(kuò)散到內(nèi)部去，但擴(kuò)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(yán)密封裝在玻璃殼體中。當(dāng)前第20頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)光敏電阻實(shí)物圖

當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，阻值減小。光電導(dǎo)效應(yīng)：在光作用下使物體的電阻率改變的現(xiàn)象.當(dāng)前第21頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)

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(shí)間響應(yīng)、光譜響應(yīng)、伏安特性與噪聲特性等。

1.3.2光敏電阻的主要特性參數(shù)當(dāng)前第22頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)一、光譜響應(yīng)率光譜響應(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光譜響應(yīng)率為由和當(dāng)前第23頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)

多用相對(duì)靈敏度曲線表示。在可見(jiàn)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(jiàn)，這幾種光敏電阻的光譜特性曲線覆蓋了整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)，峰值波長(zhǎng)在515～600nm之間。因此可用于與人眼有關(guān)的儀器，例如照相機(jī)、照度計(jì)、光度計(jì)等。但它們的形狀與V(λ)曲線還不完全一致。如直接使用，與人的視覺(jué)還有一定的差距，所以必須加濾光片進(jìn)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(jué)相同的效果。

二、光譜特性當(dāng)前第24頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)在紅外區(qū)靈敏的幾種光敏電阻的光譜特性曲線當(dāng)前第25頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)三.噪聲特性

熱噪聲（>1MHz）

產(chǎn)生復(fù)合噪聲(1kHz～1MHz)

電流噪聲（低頻）高頻

低頻

高頻

低頻

1、噪聲及探測(cè)率當(dāng)前第26頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)１/f熱噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲總噪聲ffc0總噪聲當(dāng)前第27頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2.噪聲對(duì)偏流的影響當(dāng)前第28頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)四.伏安特性

加在光敏電阻兩端的電壓U與流過(guò)它的電流Ip的關(guān)系曲線，并稱其為光敏電阻的伏安特性。

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(shí)，應(yīng)使電阻的實(shí)際功耗不超過(guò)額定值。從圖上來(lái)說(shuō)，就是不能使靜態(tài)工作點(diǎn)居于虛線以內(nèi)的區(qū)域。按這一要求在設(shè)計(jì)負(fù)載電阻時(shí)，應(yīng)不使負(fù)載線與額定功耗線相交。當(dāng)前第29頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)五、光電特性和值光電特性：光電流與入射光通量（照度）的關(guān)系1.弱光照射時(shí)：光電流與光通量（照度）成正比，即保持線性關(guān)系式中g(shù)p稱為光敏電阻的光電導(dǎo),

Sg為單位電場(chǎng)下的光電導(dǎo)靈敏度，E為光敏電阻的照度。當(dāng)前第30頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2.強(qiáng)光照射時(shí)，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(gè)隨光度量變化的指數(shù)

γ與材料和入射光強(qiáng)弱有關(guān)，對(duì)于硫化鎘光電導(dǎo)體，在弱光照下γ＝1，在強(qiáng)光照下γ＝1/2，一般γ＝0.5～1。在通常的照度范圍內(nèi)(10-1~104lx)，的值接近于1當(dāng)前第31頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)

如圖所示的特性曲線反應(yīng)了流過(guò)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(jiàn)它是由直線性漸變到非線性的。

當(dāng)前第32頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)電阻～照度關(guān)系曲線

在實(shí)際使用時(shí)，常常將光敏電阻的光電特性曲線改用如圖所示的兩種坐標(biāo)框架特性曲線。其中(a)為線性直角坐標(biāo)系中光敏電阻的阻值R與入射照度EV的關(guān)系曲線，而(b)為對(duì)數(shù)直角坐標(biāo)系下的阻值R與入射照度EV的關(guān)系曲線。

γ值為對(duì)數(shù)坐標(biāo)下特性曲線的斜率。R1與R2分別是照度為E1和E2時(shí)光敏電阻的阻值。

當(dāng)前第33頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)六、前歷效應(yīng)

前歷效應(yīng)是指光敏電阻的時(shí)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(cè)試或工作前處于暗態(tài)，當(dāng)它突然受到光照后表現(xiàn)為暗態(tài)。前歷越長(zhǎng)，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。當(dāng)前第34頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)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(shí)后

當(dāng)前第35頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)亮態(tài)前歷效應(yīng)

指光敏電阻測(cè)試或工作前已處于亮態(tài)，當(dāng)照度與工作時(shí)所要達(dá)到的照度不同時(shí)，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(dá)到穩(wěn)定值時(shí)所需的時(shí)間要比由低照度狀態(tài)變?yōu)楦哒斩葼顟B(tài)時(shí)短。

硫化鎘光敏電阻亮態(tài)前歷效應(yīng)曲線

當(dāng)前第36頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)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(fù)）

R1、R2分別為與溫度T1、T2相對(duì)應(yīng)的亮電阻。

光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻。當(dāng)前第37頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)

右圖所示為典型CdS（實(shí)線）與CdSe（虛線）光敏電阻在不同照度下的溫度特性曲線。可以看出這兩種光敏電阻的相對(duì)光電導(dǎo)率隨溫度的升高而下降，亮電阻變大。I/μA100150200-50-10305010-30T/oC硫化鎘的光電流I和溫度T的關(guān)系溫度升高，亮電阻變大，電流變小當(dāng)前第38頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)

溫度對(duì)光譜響應(yīng)也有影響。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(zhǎng)短的方向移動(dòng)。硫化鎘的光電流I和溫度T的關(guān)系如圖所示。有時(shí)為了提高靈敏度，或?yàn)榱四軌蚪邮蛰^長(zhǎng)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。2040608010001.02.03.04.0λ/μmI/mA+20oC-20oC溫度改變光譜響應(yīng)當(dāng)前第39頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)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(fèi)米能級(jí)EF距導(dǎo)帶底Ec越近；如果摻雜一定，溫度越高EF距Ec越遠(yuǎn)，也就是越趨向Ei。Si中不同摻雜濃度條件下費(fèi)米能級(jí)與溫度的關(guān)系當(dāng)前第40頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)八.響應(yīng)時(shí)間和頻率響應(yīng)

光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間（又稱為慣性）比其他光電器件要差些（慣性要大），頻率響應(yīng)要低些，而且具有特殊性。當(dāng)用一個(gè)理想方波脈沖輻射照射光敏電阻時(shí)，光生電子要有產(chǎn)生的過(guò)程，光生電導(dǎo)率Δσ要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)停止輻射時(shí)，復(fù)合光生載流子也需要時(shí)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(shí)間與入射輻射的強(qiáng)弱有關(guān)，光照越強(qiáng)其時(shí)間常數(shù)越小，光照越弱其時(shí)間常數(shù)越大。下面分別討論。

當(dāng)前第41頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)1.弱輻射作用情況下的時(shí)間響應(yīng)

t≥0t=0對(duì)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(shí)間變化的規(guī)律為當(dāng)t=τ時(shí)，Δσ=0.63Δσ0，IΦ=0.63IΦe0；

定義τ＝τr為光敏電阻的上升時(shí)間常數(shù)

停止輻射時(shí)，入射輻射通量為t=0t≥0光電導(dǎo)率和光電流隨時(shí)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(shí)間常數(shù)τr與下降時(shí)間常數(shù)τf近似相等。

當(dāng)t=τ，Δσ=0.37Δσ0，IΦ=0.37IΦe0；

定義τ＝τf為下降時(shí)間常數(shù)

當(dāng)前第42頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2.強(qiáng)輻射作用情況下的時(shí)間響應(yīng)

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

定義τ＝τr為光敏電阻的上升時(shí)間常數(shù)

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

當(dāng)t=τ，Δσ=0.5Δσ0，IΦ=0.5IΦe0；

定義τ＝τf為下降時(shí)間常數(shù)

當(dāng)前第43頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)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(gè)時(shí)間過(guò)程，這個(gè)時(shí)間過(guò)程在一定程度上影響了光敏電阻對(duì)變化光照的響應(yīng)。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小。

1-硒

2-硫化鎘

3-硫化鉈

4-硫化鉛f3dB通常，CdS的響應(yīng)時(shí)間在幾十毫秒至幾秒；CdSe的響應(yīng)時(shí)間約為10-2～10-3s；PbS約為10-4s。由此可見(jiàn)，要達(dá)到穩(wěn)定輸出，頻率響應(yīng)不會(huì)超過(guò)10kHz，一般為1kHz。當(dāng)前第44頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)增益帶寬積意義：當(dāng)一個(gè)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(shuō)，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(shí)間常數(shù)影響時(shí)，響應(yīng)時(shí)間等于光生載流子平均壽命增益帶寬積當(dāng)前第45頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)光敏電阻的變換電路當(dāng)前第46頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)：探測(cè)器電阻：偏置電阻（或負(fù)載電阻）一、基本偏置的靜態(tài)設(shè)計(jì)1.圖解法負(fù)載回路方程伏安曲線負(fù)載線伏安特性（緩變輻射）當(dāng)前第47頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2.解析法偏置電流輸出點(diǎn)電壓光敏電阻功耗入射輻射變化時(shí)，偏置電阻RL兩端的輸出信號(hào)電流、電壓變化為

？電路參數(shù)確定后，輸出信號(hào)變化與入射輻射量的變化成線性關(guān)系。

當(dāng)前第48頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)設(shè)入射于光敏電阻的輻射為調(diào)制輻射正弦，RLRd~ipCdVL等效微變電路基本偏置電路二、基本偏置的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)當(dāng)前第49頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)思考：用圖解法如何分析？輸出的交流部分電流輸出的交流部分電壓當(dāng)前第50頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)檢測(cè)微弱信號(hào)時(shí)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ipingrintinfRLRdCd考慮噪聲時(shí)的噪聲等效電路當(dāng)前第51頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)三、輸出信號(hào)特性分析令從功率匹配和最大信噪比兩個(gè)方面分析：VS和VB、RL的關(guān)系當(dāng)前第52頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)推導(dǎo)：將式對(duì)求導(dǎo)，并令等式為零以求解的最大值，即:則僅有極大值：此時(shí)稱為功率匹配，輸出信號(hào)電壓的變化也最大。1.功率匹配VB是否能無(wú)窮大？（1）VS與RL的關(guān)系（定負(fù)載線斜率）當(dāng)前第53頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)(2)VS和VB的關(guān)系(由功耗線確定VB)增大，也隨之增大，但功耗也會(huì)增大，導(dǎo)致探測(cè)器損壞。因此對(duì)應(yīng)一定功耗存在一偏置電壓最大值最大功耗超出功耗！當(dāng)前第54頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)例：PbS最大功耗為0.2W/cm2，使用時(shí)要低于比值0.1W/cm2解：由其中，為探測(cè)器光敏面積（單位：平方厘米）

當(dāng)前第55頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)存在一個(gè)最佳偏流，其對(duì)應(yīng)最高信噪比，信噪比較大時(shí)所對(duì)應(yīng)的偏壓要比最大可加電壓VBmax小。

2.信噪比最佳時(shí)偏置條件的確定最佳偏流g-r噪聲1/f噪聲偏置電流輸出點(diǎn)信號(hào)電壓當(dāng)前第56頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)

在滿足功耗的前提下，根據(jù)系統(tǒng)要求綜合考慮信號(hào)幅度和信噪比。

最佳偏壓的確定

當(dāng)前第57頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)分析：流過(guò)探測(cè)器的電流近似恒定電流，與Rd無(wú)關(guān),不隨光輻射的變化而變化。

1.恒流偏置四、光電導(dǎo)探測(cè)器三種偏置方式特點(diǎn)：信號(hào)受探測(cè)器電阻影響嚴(yán)重！當(dāng)前第58頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)例：高阻PC探測(cè)器的恒流偏置電路課本p276圖4.12如果采用左圖簡(jiǎn)單的恒流偏置電路要求RL>>Rd，又要IL較大，則VB要求很高電壓。例：VB＝（RL＋Rd）IL=(500K+100K)×0.5mA=300V當(dāng)前第59頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)例：銻化銦（InSb）PC探測(cè)器（77K）的恒流偏置電路當(dāng)前第60頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2.恒壓偏置

分析：探測(cè)器上的電壓近似等于VB，與Rd無(wú)關(guān)，基本恒定，與光輻射變化無(wú)關(guān)。但流過(guò)探測(cè)器的偏流不恒定，隨Rd變化。特點(diǎn)：輸出信號(hào)電壓不受探測(cè)器電阻Rd的影響!當(dāng)前第61頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)例：硫化鉛（PbS）PC探測(cè)器的恒壓偏置

課本p276圖4.14課本p276圖4.13當(dāng)前第62頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)

特點(diǎn)：與上兩種偏置比較，當(dāng)Rd變化時(shí)探測(cè)器上的功率變化最小(恒功率的來(lái)源)。輸出信號(hào)電壓的變化也最大（如前分析）。

3.恒功率偏置（匹配偏置）功率匹配當(dāng)前第63頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)例：銻化銦（InSb）光電導(dǎo)探測(cè)器（77K）的匹配偏置電路

由偏置電壓源（12V）和R1，DW1,R2,R3以及C1構(gòu)成的穩(wěn)壓濾波電路提供穩(wěn)定的偏置電壓。探測(cè)器暗阻（77K時(shí)）為1.8k?，RL亦為1.8k?，構(gòu)成匹配偏置。注意該處的穩(wěn)壓管DW2用來(lái)保護(hù)探測(cè)器，使之兩端電壓不超過(guò)額定值。當(dāng)前第64頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)4.三種偏置方式比較（1）從響應(yīng)度和偏置電壓源方面比較

恒流偏置（RL>>Rd，取RL=10Rd)匹配偏置（RL=Rd）恒壓偏置（RL<<Rd，取RL=Rd/10）響應(yīng)度:恒流偏置>匹配偏置>恒壓偏置由于恒流偏置需要很高的VB，在實(shí)用中可采用匹配偏置而獲得與恒流偏置相當(dāng)?shù)捻憫?yīng)度。偏置電壓:恒流偏置>匹配偏置>恒壓偏置當(dāng)前第65頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)（2）從放大器輸出的S/N比較當(dāng)探測(cè)器與放大器系統(tǒng)的噪聲以放大器的非熱噪聲（1/f噪聲,g-r噪聲）和前放的In為主時(shí)，信噪比與偏置方式無(wú)關(guān)（即與RL無(wú)關(guān)）。當(dāng)系統(tǒng)以探測(cè)器的熱噪聲和前放的En為主時(shí)：恒流偏置S/N＞匹配偏置S/N＞恒壓偏置S/N。當(dāng)前第66頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)5．小結(jié)（1）PC探測(cè)器一定要加偏置電路。（2）設(shè)計(jì)偏置電路時(shí)（確定VB和RL），首先要根據(jù)所用探測(cè)器的信號(hào)噪聲及S/N輸出對(duì)偏置電流IL的關(guān)系曲線選定IL值。通常在S/N最大值范圍內(nèi)選取。（3）選定IL值，再根據(jù)系統(tǒng)情況選擇偏置方式來(lái)確定RL值。一般按S/N大為準(zhǔn)則，優(yōu)先選用恒流偏置，即RL>>Rd（一般為RL≥10Rs），無(wú)必要或不便采用恒流偏置時(shí)，可用恒壓和匹配偏置。選用恒壓偏置時(shí)，一般使10RL≤Rd，其信號(hào)輸出幅值穩(wěn)定，受Rd變化影響小。對(duì)于高阻探測(cè)器（Rd一般大于1MΩ），一般不采用恒流偏置（偏壓要相當(dāng)高），同時(shí)如對(duì)響應(yīng)時(shí)間也有較高要求，則RL就不能選大，而常采用恒壓偏置或匹配偏置。（4）根據(jù)VB＝IL（RL+Rs），在Rd，RL，IL已定下，算出VB值，且滿足VB≤VBmax，否則需重新設(shè)計(jì)選定。當(dāng)前第67頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)判斷電路的偏置方式當(dāng)前第68頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)3.2.4常用光敏電阻當(dāng)前第69頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)光譜響應(yīng)范圍寬，測(cè)光范圍寬，靈敏度高，無(wú)極性之分,價(jià)格便宜,強(qiáng)光照射下線性較差，頻率特性也較差。

光敏電阻的重要特點(diǎn)是：光敏電阻按光譜范圍可分為紫外、可見(jiàn)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。當(dāng)前第70頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)

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(jiàn)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）當(dāng)前第71頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)光敏電阻常用光電導(dǎo)材料當(dāng)前第72頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)一、CdS光敏電阻

CdS光敏電阻是最常見(jiàn)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(jiàn)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(dòng)控制，照相機(jī)的自動(dòng)測(cè)光等。

CdS光敏電阻的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)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(zhǎng)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)。

當(dāng)前第73頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)二.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。特別是在2μm附近的紅外輻射的探測(cè)靈敏度很高，因此，常用于火災(zāi)的探測(cè)等領(lǐng)域。

PbS光敏電阻的光譜響應(yīng)和比探測(cè)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(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)將向長(zhǎng)波方向延伸，且比探測(cè)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(zhǎng)為2.4μm，峰值比探測(cè)率D*高達(dá)1×1011cm·Hz·W-1。當(dāng)溫度降低到（195K）時(shí)，光譜響應(yīng)范圍為1~4μm，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)移到2.8μm，峰值波長(zhǎng)的比探測(cè)率D*也增高到2×1011cm·Hz·W-1。

當(dāng)前第74頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)三.InSb光敏電阻

InSb光敏電阻是3~5μm光譜范圍內(nèi)的主要探測(cè)器件之一。

InSb材料不僅適用于制造單元探測(cè)器件，也適宜制造陣列紅外探測(cè)器件。

InSb光敏電阻在室溫下的長(zhǎng)波長(zhǎng)可達(dá)7.5μm，峰值波長(zhǎng)在6μm附近，比探測(cè)率D*約為1×1011cm·Hz·W-1。當(dāng)溫度降低到77K（液氮）時(shí)，其長(zhǎng)波長(zhǎng)由7.5μm縮短到5.5μm，峰值波長(zhǎng)也將移至5μm，恰為大氣的窗口范圍，峰值比探測(cè)率D*升高到2×1011cm·Hz·W-1。

當(dāng)前第75頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)四.Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)探測(cè)器件

Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)探測(cè)器件是目前所有紅外探測(cè)器中性能最優(yōu)良最有前途的探測(cè)器件，尤其是對(duì)于4~8μm大氣窗口波段輻射的探測(cè)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(biāo)明Cd元素含量的組分。在制造混合晶體時(shí)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(zhǎng)響應(yīng)范圍的Hg1-xCdxTe探測(cè)器件。一般組分x的變化范圍為0.18~0.4，長(zhǎng)波長(zhǎng)的變化范圍為1~30μm。

當(dāng)前第76頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)實(shí)例一InfrareddetectormodulewithpreampP4245當(dāng)前第77頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)實(shí)例二PbSphotoconductivedetector

P9217-03當(dāng)前第78頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)3.2.5小結(jié)當(dāng)前第79頁(yè)\共有87頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)光電導(dǎo)探測(cè)器