1、第2章 光電導(dǎo)器件 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)器件或光敏電阻。 光敏電阻具有體積小，堅(jiān)固耐用，價(jià)格低廉，光譜響應(yīng)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于微弱輻射信號(hào)的探測(cè)領(lǐng)域。 2.1 光敏電阻的原理與結(jié)構(gòu) 2.1.1 光敏電阻的基本原理光敏電阻的基本原理 圖2-1所示為光敏電阻的原理圖與光敏電阻的符號(hào)，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（如

2、圖2-1所示的電路）后，便有電流Ip流過，用檢流計(jì)可以檢測(cè)到該電流。 2.1.2 光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)光敏電阻的基本結(jié)構(gòu) 在第1章1.5.1節(jié)討論光電導(dǎo)效應(yīng)時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，光敏電阻在微弱輻射作用的情況下光電導(dǎo)靈敏度Sg與光敏電阻兩電極間距離l的平方成反比，參見（1-85）式；在強(qiáng)輻射作用的情況下光電導(dǎo)靈敏度Sg與光敏電阻兩電極間距離l的二分之三次方成反比，參見（1-88）式；都與兩電極間距離l有關(guān)。 根據(jù)光敏電阻的設(shè)計(jì)原則可以設(shè)計(jì)出如圖2-2所示的3種基本結(jié)構(gòu)，圖2-2（a）所示光敏面為梳形的結(jié)構(gòu)。 2.1.3 典型光敏電阻典型光敏電阻 1、CdS光敏電阻光敏電阻 CdS光敏電阻是最常見的光敏電阻，

3、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(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0.52m，CdSe光敏電阻為0.72m，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0.520.72m范圍內(nèi)。 CdS光敏電阻的光敏面常為如圖2-2（b）所示的蛇形光敏面結(jié)構(gòu)。 2 2、PbSPbS光敏電阻光敏電阻 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2m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)，

4、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13.5m，峰值波長(zhǎng)為2.4m，峰值比探測(cè)率D*高達(dá)11011cmHzW-1。當(dāng)溫度降低到（195K）時(shí)，光譜響應(yīng)范圍為14m，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)移到2.8m，峰值波長(zhǎng)的比探測(cè)率D*也增高到21011cmHzW-1。 3 3、InSbInSb光敏電阻光敏電阻 InSb光敏電阻是35m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)7.5m，峰值波長(zhǎng)在6m附近，比探測(cè)率D*約為11011cmH

5、zW-1。當(dāng)溫度降低到77K（液氮）時(shí)，其長(zhǎng)波長(zhǎng)由7.5m縮短到5.5m，峰值波長(zhǎng)也將移至5m，恰為大氣的窗口范圍，峰值比探測(cè)率D*升高到21011cmHzW-1。 4、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48m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

6、化范圍為0.180.4，長(zhǎng)波長(zhǎng)的變化范圍為130m。 2.2 2.2 光敏電阻的基本特性光敏電阻的基本特性 2.2.1 光電特性光電特性 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。 光敏電阻在黑暗的室溫條件下，由于熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子使它具有一定的電導(dǎo)，該電導(dǎo)稱為暗電導(dǎo) 。 當(dāng)有光照射在光敏電阻上時(shí)，它的電導(dǎo)將變大，這時(shí)的電導(dǎo)稱為光電導(dǎo)。 電導(dǎo)隨光照量變化越大的光敏電阻就越靈敏。這個(gè)特性稱為光敏電阻的光電特性。 在1.5.1節(jié)討論光電導(dǎo)效應(yīng)時(shí)我們看到，光敏電阻在弱輻射

7、和強(qiáng)輻射作用下表現(xiàn)出不同的光電特性（線性與非線性），式（1-84）與（1-87）分別給出了它在弱輻射和強(qiáng)輻射作用下的光電導(dǎo)與輻射通量的關(guān)系。 實(shí)際上，光敏電阻在弱輻射到強(qiáng)輻射的作用下，它的光電特性可用在“恒定電壓”作用下流過光敏電阻的電流Ip與作用到光敏電阻上的光照度E的關(guān)系(Ip E)曲線來描述， , e2lhqg 21,213eflKhbdqg（1-84）（1-87） 如圖2-3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。 在恒定電壓的作用下，流過光敏電阻的光電流Ip為 EUSUgIgpp式中Sg為光電導(dǎo)靈敏度，E為光敏電阻的照

8、度。顯然，當(dāng)照度很低時(shí)，曲線近似為線性，Sg由式（1-85）描述；隨照度的增高，線性關(guān)系變壞，當(dāng)照度變得很高時(shí)，曲線近似為拋物線形，Sg由式（1-87）描述。 光敏電阻的光電特性可用一個(gè)隨光度量變化的指數(shù)伽瑪（）來描述，并定義為光電轉(zhuǎn)換因子。并將式（2-1）改為 EUSUgIgpp光電轉(zhuǎn)換因子在弱輻射作用的情況下為1（=1），隨著入射輻射的增強(qiáng)，值減小，當(dāng)入射輻射很強(qiáng)時(shí)，值降低到0.5。 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2-4所示的特性曲線。圖2-4所示為兩種坐標(biāo)框架的特性曲線，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

9、阻值R與入射照度EV的關(guān)系曲線。 如圖2-4(b)所示的對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中光敏電阻的阻值R在某段照度EV范圍內(nèi)的光電特性表現(xiàn)為線性，即（2-2）式中的保持不變。 值為對(duì)數(shù)坐標(biāo)下特性曲線的斜率。即 1221loglogloglogEERR（2-3） R1與R2分別是照度為E1和E2時(shí)光敏電阻的阻值。 2.2.2 伏安特性 光敏電阻的本質(zhì)是電阻，符合歐姆定律。因此，它具有與普通電阻相似的伏安特性，但是它的電阻值是隨入射光度量而變化的。 利用圖2-1所示的電路可以測(cè)出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2-5所示為典型CdS光敏電阻的伏安特性曲線

10、 。 2.2.3 溫度特性 光敏電阻為多數(shù)載流子導(dǎo)電的光電器件，具有復(fù)雜的溫度特性。 圖2-6所示為典型CdS與CdSe光敏電阻在不同照度下的溫度特性曲線。以室溫（25）的相對(duì)光電導(dǎo)率為100%，觀測(cè)光敏電阻的相對(duì)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(duì)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。原因：高溫下，光作用下電阻變化不大。 2.2.4 時(shí)間響應(yīng)時(shí)間響應(yīng) 光敏電阻的時(shí)間響應(yīng)（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(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)生的過程，光生電導(dǎo)率要經(jīng)過一定的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)停止輻

11、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。 光敏電阻的慣性與入射輻射信號(hào)的強(qiáng)弱有關(guān)，下面分別討論。 1.弱輻射作用情況下的時(shí)間響應(yīng) 00t0t=0 對(duì)于本征光電導(dǎo)器件在非平衡狀態(tài)下光電導(dǎo)率和光電流I隨時(shí)間變化的規(guī)律為 )1 (/0te)1 (/0teII(2-4)(2-5)當(dāng)t=r時(shí)， =0.630，I=0.63Ie0； r定義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e與時(shí)間的關(guān)系為00t=0t0光電導(dǎo)率和光電流隨時(shí)間變化的規(guī)律為 光電導(dǎo)率和光電流隨時(shí)間變化的規(guī)律為 /0te/0teII（2-6） （2-7） 顯然，光敏電阻在弱輻射作用下的上升時(shí)間常數(shù)r與下降時(shí)間常數(shù)f近似相等。 2.強(qiáng)輻射作用情況下的時(shí)間響應(yīng) 0000t=0t0t=0t0（2-8） （2-9） 光敏電阻電導(dǎo)率的變化規(guī)律為 ttanh0tIItanh0其光電流的變化規(guī)律為 （2-10） （2-11） 停止輻射時(shí)光電導(dǎo)率和光電流的變化規(guī)律可表示為 /110t/110tII2.2.5 噪聲特性噪聲特性 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)。