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1、1 第四章 光辐射的探测技术 2 半导体材料受光照射时，由于吸收光能量而形成非 平衡载流子而导致材料电导率增加，这种现象称为 光电导效应。 4.4 光电导探测器光敏电光电导探测器光敏电阻阻 利用光电导效应制作的光探测器称为光电导探测器， 简称PC(Photoconductive)探测器，通常又称为光敏电 阻。 3 N P XN XP V E 1. 工作原理 光电导探测器是在均质的光电导体两端加上电极后构成的光电导探测器是在均质的光电导体两端加上电极后构成的。 两电极加上一定电压后两电极加上一定电压后，当光照射到光电导体上时当光照射到光电导体上时，材料形材料形 成本征吸收或杂质吸收成本征吸收或杂
2、质吸收，产生光生载流子产生光生载流子，在外加电场作用在外加电场作用 下沿一定方向运动下沿一定方向运动，在光探测器输出回路中产生反映光信号在光探测器输出回路中产生反映光信号 强度的光电流强度的光电流。 4 光敏电阻演示光敏电阻演示 当光敏电阻受到光当光敏电阻受到光 照时照时，光生电子光生电子空空 穴对增加穴对增加，阻值减小阻值减小， 电流增大电流增大。 暗电流（越小越好）暗电流（越小越好） 5 光电导探测器原理及符号 6 光电转换原理光电转换原理 以非本征以非本征N型材料为例，型材料为例，u表示外加偏置电压，表示外加偏置电压，L、W、H分分 别表示材料的尺寸，光功率别表示材料的尺寸，光功率P在在
3、x方向均匀入射。光电流方向均匀入射。光电流 i 等于等于 多少？多少？ ( )()rPexPx=1( )xnevJn=( )00HHniJWdxev Wn x dx=( )( )nWLhxPxn=PMhei=有效量子效率有效量子效率 ()=Hxdxer 01光电导探测器是具有光电导探测器是具有电流内增益电流内增益 的探测器的探测器。 7 光敏电阻的结构和偏置电路 8 光敏电阻光敏电阻 9 （1 1）光谱响应特性）光谱响应特性 2.工作特性 光敏电阻对各种光响应灵敏度随入射光的波长光敏电阻对各种光响应灵敏度随入射光的波长 变化而变化变化而变化 的特性称为光谱响应特性的特性称为光谱响应特性。 谱响
4、应特性通常用光谱响应曲线谱响应特性通常用光谱响应曲线、光谱响应范围光谱响应范围、峰值响应峰值响应 波长以及长波限来描述波长以及长波限来描述。 通常取响应的相对变化值通常取响应的相对变化值，并把响应的相对最大值作为并把响应的相对最大值作为1， 这种曲线称为这种曲线称为“归一化光谱响应曲线归一化光谱响应曲线”。 10 响应度最大时所对应的波长称为响应度最大时所对应的波长称为峰值响应波长峰值响应波长，以以 m表示表示。 长波限长波限 c取决于制造光敏电阻所用半导体材料的禁带宽度取决于制造光敏电阻所用半导体材料的禁带宽度， 其值可由下式估算：其值可由下式估算： eVEg m)( eVEg m)( 单位
5、ggEEhc24. 10=eVEn m)( eVEn m)( 单位nnEEhc24. 10=（本征材料） （非本征材料） 11 （2 2）光敏电阻的光照特性和伏安特性）光敏电阻的光照特性和伏安特性 GdS光敏电阻的光照特性曲线光敏电阻的光照特性曲线，可以看出在可以看出在入射光功率较弱入射光功率较弱 时时，光电流与入射光功率可简单视为线性关系光电流与入射光功率可简单视为线性关系，若入射光功若入射光功 率过大率过大，则将出现非线性特性则将出现非线性特性。使用时应注意这个问题使用时应注意这个问题。 光照特性光照特性 12 光敏电阻的本质是电阻光敏电阻的本质是电阻，符合欧姆定律符合欧姆定律，因此它具有
6、与普通因此它具有与普通 电阻相似的伏安特性电阻相似的伏安特性，但它的电阻值是随入射光功率而变化但它的电阻值是随入射光功率而变化。 伏安特性伏安特性 暗电阻暗电阻：光敏电阻在室温条件下：光敏电阻在室温条件下，全暗全暗（无光照射无光照射）后经过后经过 一定时间测量的电阻值一定时间测量的电阻值，称为暗电阻称为暗电阻。此时在给定电压下流此时在给定电压下流 过的电流为暗电流过的电流为暗电流。 亮电阻亮电阻：光敏电阻在某一光照下的阻值：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮称为该光照下的亮 电阻电阻。此时流过的电流称为亮电流此时流过的电流称为亮电流。 实用的光敏电阻的暗电阻往往超过实用的光敏电阻的暗
7、电阻往往超过10M,甚至高达甚至高达100M， 而亮电阻则在几而亮电阻则在几k以下以下，暗电阻与亮电阻之比在暗电阻与亮电阻之比在102106之之 间间，这一比值越大这一比值越大，光敏电阻的灵敏度越高光敏电阻的灵敏度越高。 RL Rg Vs 利用图所示的电路可以测出在不同光照下加在光敏电阻两 端的电压u与流过它的电流i的关系曲线，并称其为光敏电 阻的伏安特性曲线。 伏安特性曲线伏安特性曲线 u i 伏安特性曲线 ctgRg光敏电阻工作电路光敏电阻工作电路 14 （3）时间响应特性 光敏电阻的时间响应光敏电阻的时间响应(又称为惯性又称为惯性)比其他光电器件要差一些比其他光电器件要差一些， 频率响应
8、要低一些频率响应要低一些，当用一个理想方波脉冲辐射照射光敏电阻当用一个理想方波脉冲辐射照射光敏电阻 时时,光生电子要有产生的过程光生电子要有产生的过程，光生电导率光生电导率，要经过一定的时要经过一定的时 间才能达到稳定间才能达到稳定。当停止辐射时当停止辐射时，复合光生载流子也需要时间复合光生载流子也需要时间， 表现出光敏电阻具有较大的惯性表现出光敏电阻具有较大的惯性。 光敏电阻的响应时间光敏电阻的响应时间与与入射光的照度、所加入射光的照度、所加电压、负载电阻及照度电压、负载电阻及照度变化前电阻所经历的时变化前电阻所经历的时间（前历时间）间（前历时间）有关。有关。 光敏电阻是多数载流子导电光敏电
9、阻是多数载流子导电，温度特性复杂温度特性复杂。随着温度的升高随着温度的升高， 光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化也会影响光温度的变化也会影响光 谱特性曲线谱特性曲线。 （4 4）温度特性）温度特性 光敏电阻的相对光电导率随光敏电阻的相对光电导率随 温度的升高而下降温度的升高而下降，光电响光电响 应特性随着温度的变化较大应特性随着温度的变化较大。 因此因此，在温度变化大的情况在温度变化大的情况 下下，应采取制冷措施应采取制冷措施，尤其尤其 对长波长红外辐射的探测领对长波长红外辐射的探测领 域更为重要域更为重要。 16 产生复合噪声产生复合噪声 、热噪声、
10、热噪声、1/f 噪声与调制频率的关系噪声与调制频率的关系 （5 5）噪声特性）噪声特性 1）f1 kHz 时，时，1/f 噪声可以忽略不计。噪声可以忽略不计。 17 3 3. . 几种典型的光敏电阻几种典型的光敏电阻 （1）CdS和和CdSe探测器探测器：这是两种：这是两种低造价低造价的的可见光可见光辐射探辐射探 测器，它们的主要特点是测器，它们的主要特点是高可靠和长寿命高可靠和长寿命，因而广泛应用于，因而广泛应用于 自动化技术和摄影机中的光计量。这两种器件的自动化技术和摄影机中的光计量。这两种器件的光电导增益光电导增益 比较高比较高（103104），但），但响应时间比较长响应时间比较长（大约
11、（大约50ms）。）。 （2）PbS探测器探测器：一种性能优良的近红外辐射探测器，其：一种性能优良的近红外辐射探测器，其 波长响应范围波长响应范围在在1um-3.4um，峰值响应波长为，峰值响应波长为2um，内阻，内阻 （暗阻）大约为（暗阻）大约为1M ，响应时间约响应时间约200us，室温工作能提供，室温工作能提供 较大的电压输出。广泛应用于遥感技术和武器红外制导技术。较大的电压输出。广泛应用于遥感技术和武器红外制导技术。 18 （3）Insb探测器探测器：一种良好的近红外辐射探测器，它虽然：一种良好的近红外辐射探测器，它虽然 也能在室温工作，但噪声较大。也能在室温工作，但噪声较大。在在77
12、K下，噪声性能大大改下，噪声性能大大改 善善，峰值，峰值响应波长响应波长为为5um，它和，它和PbS探测器显著的不同在于：探测器显著的不同在于： 内阻低内阻低（大约（大约50 ），而），而响应时间短响应时间短（大约（大约50 10-9s），因），因 而适用于快速红外信号探测。而适用于快速红外信号探测。 （4）HgxCd1-xTe探测器探测器：一种化合物本征型光电导探测器，：一种化合物本征型光电导探测器， 它是由它是由 HgTe和和 GdTe两种材料混在一起的固溶体，其禁带两种材料混在一起的固溶体，其禁带 宽度随组分宽度随组分x呈线性变化，当呈线性变化，当x0.2时时响应波长响应波长为为8um
13、14um，工作温度工作温度77K，用液氮致冷。，用液氮致冷。 20 4.使用注意事项 (1) 用于测光的光源光谱特性必须与光敏电阻的光敏特性匹配；用于测光的光源光谱特性必须与光敏电阻的光敏特性匹配； (2) 要防止光敏电阻受杂散光的影响；要防止光敏电阻受杂散光的影响； (3) 要防止使光敏电阻的电参数（电压、功耗）超过允许值；要防止使光敏电阻的电参数（电压、功耗）超过允许值； (4) 根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。 一般说，一般说，用于数字信息传输时，选用亮电阻与暗电阻差别大的用于数字信息传输时，选用亮电阻与暗电阻差别大的 光敏电阻为宜，且尽量选用
14、光照指数光敏电阻为宜，且尽量选用光照指数 大的光敏电阻；用于模拟信大的光敏电阻；用于模拟信 息传输时，则以选用息传输时，则以选用 值小的光敏电阻为好，因为这种光敏电阻的值小的光敏电阻为好，因为这种光敏电阻的 线性特性好。线性特性好。 21 5.优点与不足 灵敏度高灵敏度高，光电导增益大于，光电导增益大于1，工作电流大，无极性之分，工作电流大，无极性之分 光谱响应范围宽光谱响应范围宽，尤其对红外有较高的灵敏度，尤其对红外有较高的灵敏度 所测光强范围宽所测光强范围宽，可测强光、弱光，可测强光、弱光 优点：优点： 强光下光电转换线性差强光下光电转换线性差 光电导弛豫时间长光电导弛豫时间长 受温度影响
15、大受温度影响大 由伏安特性知，设计负载时，应考虑额定功耗由伏安特性知，设计负载时，应考虑额定功耗 动态设计时，应考虑光敏电阻的前历效应动态设计时，应考虑光敏电阻的前历效应 不足：不足： 22 知识巩固 光敏电阻适于作为光敏电阻适于作为 ( ) A、光的测量元件、光的测量元件 B、光电导开关元件、光电导开关元件 C、加热元件、加热元件 D、发光元件、发光元件 B 23 知识巩固 光敏电阻的性能好、灵敏度高，光敏电阻的性能好、灵敏度高， 是指给定电压下是指给定电压下 ( ) A、暗电阻大、暗电阻大 B、亮电阻大、亮电阻大 C、暗电阻与亮电阻差值大、暗电阻与亮电阻差值大 D、暗电阻与亮电阻差值小、暗电阻与亮电阻差值小 C 4.5 pn结光伏探测器工作原理结光伏探测器工作原理 光伏探测器是利用半导体PN结光伏特效应而制成 的探测器，简称PV(Photovoltaic)探测器。 利用半导体利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为结光伏效应制成的器件称为光伏器件光伏器件，也，也 称结型光电器件。称结型光电器件。 结型光电器件品种很多，包括各种结型光电器件品种很多，包括各种光电池光电池、 光电二极管光电二极管、 光电三极管光电三极管、 雪崩光电二极管雪崩光电二极管、光可控硅阵列式光电器光可控硅阵列式光电器 件件等。等。 pn结光伏探测器的工作特
