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光电信号检测光电信号检测第四章第四章 光电导探测器光电导探测器9/9/20249/9/20241 1ØØ利用光电导效应制作的光探测器称为光电导探测器，简称利用光电导效应制作的光探测器称为光电导探测器，简称利用光电导效应制作的光探测器称为光电导探测器，简称利用光电导效应制作的光探测器称为光电导探测器，简称PCPC( ( ( (PhotoconductivePhotoconductive) ) ) )探测器，通常又称为探测器，通常又称为探测器，通常又称为探测器，通常又称为光敏电阻光敏电阻光敏电阻光敏电阻ØØ光电导效应：光电导效应：光电导效应：光电导效应：光子作用于光电导材料，形成本征吸收或杂质光子作用于光电导材料，形成本征吸收或杂质光子作用于光电导材料，形成本征吸收或杂质光子作用于光电导材料，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吸收，产生附加的光生载流子，从而使半导体的电导率发生吸收，产生附加的光生载流子，从而使半导体的电导率发生吸收，产生附加的光生载流子，从而使半导体的电导率发生变化，这就是光电导效应变化，这就是光电导效应变化，这就是光电导效应变化，这就是光电导效应。

ØØ光电导效应是光电导效应是光电导效应是光电导效应是半导体半导体半导体半导体材料的一种体效应，不需形成材料的一种体效应，不需形成材料的一种体效应，不需形成材料的一种体效应，不需形成pnpn结，故结，故结，故结，故又常称为又常称为又常称为又常称为无结无结无结无结光电探测器光电探测器光电探测器光电探测器ØØ与一般电阻器不同，它是与一般电阻器不同，它是与一般电阻器不同，它是与一般电阻器不同，它是有源器件有源器件有源器件有源器件，工作时要加以适当的偏，工作时要加以适当的偏，工作时要加以适当的偏，工作时要加以适当的偏流或偏压流或偏压流或偏压流或偏压ØØ光电导探测器可根据不同光电导探测器可根据不同光电导探测器可根据不同光电导探测器可根据不同类型类型类型类型的光电导效应和材料差异分为的光电导效应和材料差异分为的光电导效应和材料差异分为的光电导效应和材料差异分为本征型、杂质型、薄膜型和扫积型光电导探测器本征型、杂质型、薄膜型和扫积型光电导探测器本征型、杂质型、薄膜型和扫积型光电导探测器本征型、杂质型、薄膜型和扫积型光电导探测器概述概述9/9/20249/9/20242 2一、光电导效应一、光电导效应一、光电导效应一、光电导效应ØØ光电导效应只发生在某些光电导效应只发生在某些光电导效应只发生在某些光电导效应只发生在某些半导体材料半导体材料半导体材料半导体材料和和和和绝缘体材料绝缘体材料绝缘体材料绝缘体材料中，金中，金中，金中，金属没有光电导效应。

属没有光电导效应属没有光电导效应属没有光电导效应ØØ金属之所以导电，是由于金属原子形成晶体时产生了大量金属之所以导电，是由于金属原子形成晶体时产生了大量金属之所以导电，是由于金属原子形成晶体时产生了大量金属之所以导电，是由于金属原子形成晶体时产生了大量的自由电子自由电子浓度是个常量，不受外界因素影响的自由电子自由电子浓度是个常量，不受外界因素影响的自由电子自由电子浓度是个常量，不受外界因素影响的自由电子自由电子浓度是个常量，不受外界因素影响ØØ半导体在半导体在半导体在半导体在0K0K时，导电时，导电时，导电时，导电载流子载流子载流子载流子浓度为浓度为浓度为浓度为0 0在0K0K以上，由于热以上，由于热以上，由于热以上，由于热激发而不断产生热生载流子激发而不断产生热生载流子激发而不断产生热生载流子激发而不断产生热生载流子( (电子和空穴电子和空穴电子和空穴电子和空穴) )，它在扩散过程，它在扩散过程，它在扩散过程，它在扩散过程中又受到复合作用而消失在热平衡下，单位时间内热生中又受到复合作用而消失在热平衡下，单位时间内热生中又受到复合作用而消失在热平衡下，单位时间内热生中又受到复合作用而消失。

在热平衡下，单位时间内热生载流子的产生数目正好等于因复合而消失的数目因此在载流子的产生数目正好等于因复合而消失的数目因此在载流子的产生数目正好等于因复合而消失的数目因此在载流子的产生数目正好等于因复合而消失的数目因此在导带和价带中维持着一个热平衡的电子浓度导带和价带中维持着一个热平衡的电子浓度导带和价带中维持着一个热平衡的电子浓度导带和价带中维持着一个热平衡的电子浓度n n和空穴浓度和空穴浓度和空穴浓度和空穴浓度p p，它们的平均寿命分别用，它们的平均寿命分别用，它们的平均寿命分别用，它们的平均寿命分别用τ τn n和和和和τ τp p表示§§4-1 4-1 光电导探测器的工作原理光电导探测器的工作原理9/9/20249/9/20243 3ØØ入射光辐射与晶格原子或杂质原子的束缚电子相互入射光辐射与晶格原子或杂质原子的束缚电子相互入射光辐射与晶格原子或杂质原子的束缚电子相互入射光辐射与晶格原子或杂质原子的束缚电子相互作用，光子将激发出新的载流子【自由电子－空穴作用，光子将激发出新的载流子【自由电子－空穴作用，光子将激发出新的载流子【自由电子－空穴作用，光子将激发出新的载流子【自由电子－空穴对（本征光电导）、自由电子或空穴（非本征光电对（本征光电导）、自由电子或空穴（非本征光电对（本征光电导）、自由电子或空穴（非本征光电对（本征光电导）、自由电子或空穴（非本征光电导）】，这就使半导体中的载流子浓度在原来平衡导）】，这就使半导体中的载流子浓度在原来平衡导）】，这就使半导体中的载流子浓度在原来平衡导）】，这就使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了一个量值上增加了一个量值上增加了一个量值上增加了一个量Δ Δn n和和和和Δ Δp p，新增加的部分在半导，新增加的部分在半导，新增加的部分在半导，新增加的部分在半导体物理中叫体物理中叫体物理中叫体物理中叫非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子，又称之为，又称之为，又称之为，又称之为光生载流子光生载流子光生载流子光生载流子。

ØØ显然，显然，显然，显然，Δ Δp p和和和和Δ Δn n将使半导体的电导增加一个量将使半导体的电导增加一个量将使半导体的电导增加一个量将使半导体的电导增加一个量Δ ΔG G，，，，称之为称之为称之为称之为光电导光电导光电导光电导ØØ使半导体材料的电导增加的效应为使半导体材料的电导增加的效应为使半导体材料的电导增加的效应为使半导体材料的电导增加的效应为光电导效应光电导效应光电导效应光电导效应9/9/20249/9/20244 49/9/20249/9/20245 5ØØ本征光电导：本征光电导：本征光电导：本征光电导： 长波阈：长波阈：长波阈：长波阈： 短波阈：价带底到导带顶间的能量差短波阈：价带底到导带顶间的能量差短波阈：价带底到导带顶间的能量差短波阈：价带底到导带顶间的能量差ØØ非本征光电导：非本征光电导：非本征光电导：非本征光电导： E Ei i：杂质电离能：杂质电离能：杂质电离能：杂质电离能导带导带导带导带价带价带价带价带光激发光激发光激发光激发电子电子电子电子空穴空穴空穴空穴受主能级受主能级受主能级受主能级施主能级施主能级施主能级施主能级非本征光电导非本征光电导非本征光电导非本征光电导导带导带导带导带价带价带价带价带光激发光激发光激发光激发电子电子电子电子空穴空穴空穴空穴本征光电导本征光电导本征光电导本征光电导9/9/20249/9/20246 6l lw wd dx xV VAAR RL LP PI IØØ如果半导体的截面积是如果半导体的截面积是如果半导体的截面积是如果半导体的截面积是A A，则其，则其，则其，则其电导电导电导电导( (亦亦亦亦称为热平衡暗电导称为热平衡暗电导称为热平衡暗电导称为热平衡暗电导) )G G为为为为ØØ所以半导体的所以半导体的所以半导体的所以半导体的电阻电阻电阻电阻R Rd d( (亦称暗电阻亦称暗电阻亦称暗电阻亦称暗电阻) )为为为为 载流子浓度载流子浓度载流子浓度载流子浓度载流子浓度载流子浓度载流子浓度载流子浓度ØØ 载流子迁移率：载流子迁移率：载流子迁移率：载流子迁移率：在外电场在外电场在外电场在外电场E E作用下，载流子产生漂移运动，作用下，载流子产生漂移运动，作用下，载流子产生漂移运动，作用下，载流子产生漂移运动，漂移速度漂移速度漂移速度漂移速度v v和电场和电场和电场和电场E E之比定义为之比定义为之比定义为之比定义为载流子迁移率。

载流子迁移率载流子迁移率载流子迁移率ØØ 载流子的漂移运动效果用半载流子的漂移运动效果用半载流子的漂移运动效果用半载流子的漂移运动效果用半导体的导体的导体的导体的电导率电导率电导率电导率来描述：来描述：来描述：来描述：9/9/20249/9/20247 7二、光电导探测器的光电转换原理二、光电导探测器的光电转换原理L Lw wd dx xV VAAR RL LP PI IØ 光电导材料的吸收系数为光电导材料的吸收系数为αα，，Ø 表面反射率为表面反射率为R，，Ø 入射光功率在材料内部沿入射光功率在材料内部沿x方向的变化为方向的变化为P(x)9/9/20249/9/20248 8L Lw wd dx xP PI Id dx xØØ于是平均光电流为：于是平均光电流为：于是平均光电流为：于是平均光电流为：x x处的光生载流处的光生载流处的光生载流处的光生载流子密度子密度子密度子密度载流子在外电场作载流子在外电场作载流子在外电场作载流子在外电场作用下的漂移速度用下的漂移速度用下的漂移速度用下的漂移速度电极面积（电极面积（电极面积（电极面积（A Ad d= =wdwd））））电极面积元电极面积元电极面积元电极面积元d dA A= =w wd dx xμn:电子的迁移率电子的迁移率ØØ x x处的光生面电流密度为：处的光生面电流密度为：处的光生面电流密度为：处的光生面电流密度为：ØØ 漂移速度漂移速度漂移速度漂移速度v v又可以表示为：又可以表示为：又可以表示为：又可以表示为：9/9/20249/9/20249 9 ØØ现在来求光生载流子的浓度现在来求光生载流子的浓度现在来求光生载流子的浓度现在来求光生载流子的浓度n n( (x x) )。

ØØ稳态时单位时间单位体积内的稳态时单位时间单位体积内的稳态时单位时间单位体积内的稳态时单位时间单位体积内的 产生率＝复合率，则产生率＝复合率，则产生率＝复合率，则产生率＝复合率，则ØØ于是于是于是于是载流子平均载流子平均载流子平均载流子平均寿命寿命寿命寿命9/9/20249/9/20241010ØØ现在来处理积分式现在来处理积分式现在来处理积分式现在来处理积分式ØØ当当当当P P全部被吸收时（全部被吸收时（全部被吸收时（全部被吸收时（α α＝＝＝＝1 1），平均光生载流子浓度为：），平均光生载流子浓度为：），平均光生载流子浓度为：），平均光生载流子浓度为：ØØ则，入射光功率全部被吸收产生的光电流为：则，入射光功率全部被吸收产生的光电流为：则，入射光功率全部被吸收产生的光电流为：则，入射光功率全部被吸收产生的光电流为：ØØ定义量子效率定义量子效率定义量子效率定义量子效率9/9/20249/9/20241111 于是于是于是于是 其中，其中，其中，其中，ØØτ τd d ＝＝＝＝L L/ /v v 渡越时间渡越时间渡越时间渡越时间 ；；；；ØØG G＝＝＝＝τ τ0 0/ /τ τd d 内增益，内增益，内增益，内增益，表示一个光生载流子对探测器外回表示一个光生载流子对探测器外回表示一个光生载流子对探测器外回表示一个光生载流子对探测器外回路电流的有效贡献。

表明光电导探测器是一个具有内增路电流的有效贡献表明光电导探测器是一个具有内增路电流的有效贡献表明光电导探测器是一个具有内增路电流的有效贡献表明光电导探测器是一个具有内增益的器件益的器件益的器件益的器件9/9/20249/9/20241212关于关于关于关于G G的讨论：的讨论：的讨论：的讨论：ØØ当当当当G G＝＝＝＝1 1时，表示光生载流子平均寿命时，表示光生载流子平均寿命时，表示光生载流子平均寿命时，表示光生载流子平均寿命τ τ0 0刚好等于它在刚好等于它在刚好等于它在刚好等于它在电极间的渡越时间电极间的渡越时间电极间的渡越时间电极间的渡越时间τ τd d ，每产生一个光电子对外回路电，每产生一个光电子对外回路电，每产生一个光电子对外回路电，每产生一个光电子对外回路电流正好提供一个电子的电荷流正好提供一个电子的电荷流正好提供一个电子的电荷流正好提供一个电子的电荷e eØØ当当当当G G<1<1时，表示时，表示时，表示时，表示τ τ0 0小于小于小于小于τ τd d ，显然每个光电子对外回路，显然每个光电子对外回路，显然每个光电子对外回路，显然每个光电子对外回路电流的贡献将小于一个电子的电荷电流的贡献将小于一个电子的电荷电流的贡献将小于一个电子的电荷电流的贡献将小于一个电子的电荷e e。

9/9/20249/9/20241313ØØ对对对对G G>1>1的情况，似乎光电子已渡越完毕，但其平均的情况，似乎光电子已渡越完毕，但其平均的情况，似乎光电子已渡越完毕，但其平均的情况，似乎光电子已渡越完毕，但其平均寿命却还未中止寿命却还未中止寿命却还未中止寿命却还未中止ØØ这种现象可以解释为：光生电子向正极运动，空穴这种现象可以解释为：光生电子向正极运动，空穴这种现象可以解释为：光生电子向正极运动，空穴这种现象可以解释为：光生电子向正极运动，空穴向负极移动，空穴在移动过程中很容易被半导体内向负极移动，空穴在移动过程中很容易被半导体内向负极移动，空穴在移动过程中很容易被半导体内向负极移动，空穴在移动过程中很容易被半导体内晶体缺陷和杂质形成的晶体缺陷和杂质形成的晶体缺陷和杂质形成的晶体缺陷和杂质形成的陷阱陷阱陷阱陷阱所所所所俘获俘获俘获俘获ØØ因此，当光电子在阳极消失时，空穴仍留在体内，因此，当光电子在阳极消失时，空穴仍留在体内，因此，当光电子在阳极消失时，空穴仍留在体内，因此，当光电子在阳极消失时，空穴仍留在体内，它将负极的电子感应到半导体中来，感应到体内的它将负极的电子感应到半导体中来，感应到体内的它将负极的电子感应到半导体中来，感应到体内的它将负极的电子感应到半导体中来，感应到体内的电子又在电场中运动到正极，如此循环，直到正电电子又在电场中运动到正极，如此循环，直到正电电子又在电场中运动到正极，如此循环，直到正电电子又在电场中运动到正极，如此循环，直到正电中心（被俘获的空穴）消失。

中心（被俘获的空穴）消失中心（被俘获的空穴）消失中心（被俘获的空穴）消失ØØ显然，这种效应相当于一个光子激发，可以有多个显然，这种效应相当于一个光子激发，可以有多个显然，这种效应相当于一个光子激发，可以有多个显然，这种效应相当于一个光子激发，可以有多个电子相继通过电极，因而在外回路对总的光电流的电子相继通过电极，因而在外回路对总的光电流的电子相继通过电极，因而在外回路对总的光电流的电子相继通过电极，因而在外回路对总的光电流的贡献将多于一个电子，相当于光电流被放大贡献将多于一个电子，相当于光电流被放大贡献将多于一个电子，相当于光电流被放大贡献将多于一个电子，相当于光电流被放大ØØ由于载流子平均寿命由于载流子平均寿命由于载流子平均寿命由于载流子平均寿命τ τ0 0是一个统计平均值，故光电是一个统计平均值，故光电是一个统计平均值，故光电是一个统计平均值，故光电导探测器的内增益导探测器的内增益导探测器的内增益导探测器的内增益G G也是一个也是一个也是一个也是一个统计平均量统计平均量统计平均量统计平均量9/9/20249/9/20241414结论：结论：ØØ光电导探测器是一个具有内增益的器件光电导探测器是一个具有内增益的器件。

内增益内增益G与器件的材料、结构尺寸及外加偏与器件的材料、结构尺寸及外加偏压（偏流）有关压（偏流）有关ØØ对于光生载流子平均寿命长、迁移率大的对于光生载流子平均寿命长、迁移率大的光电导材料，极间距离小的光电导探测器，光电导材料，极间距离小的光电导探测器，G值可达到几百值可达到几百9/9/20249/9/20241515三、光电导探测器的工作模式及等效电路三、光电导探测器的工作模式及等效电路ØØ结构形式：结构形式：结构形式：结构形式： 偏置电路形式：偏置电路形式：偏置电路形式：偏置电路形式：入射光入射光入射光入射光电极引线电极引线电极引线电极引线电极引线电极引线电极引线电极引线金属电极金属电极金属电极金属电极半导体材料半导体材料半导体材料半导体材料光电导探测器结构示意图光电导探测器结构示意图光电导探测器结构示意图光电导探测器结构示意图偏偏偏偏置置置置电电电电源源源源R Rd d（光电导器件）（光电导器件）（光电导器件）（光电导器件）R RL L光电导探测器偏置电路光电导探测器偏置电路光电导探测器偏置电路光电导探测器偏置电路9/9/20249/9/20241616等效电路：等效电路：等效电路：等效电路：I Ip pR Rd dC Cd dR Ri iC Ci i放大器放大器放大器放大器V Vsoso(a)(a)交流等效电交流等效电交流等效电交流等效电路路路路 将光电导探测器等效为一个有源二端网络。

将光电导探测器等效为一个有源二端网络a)为交流等效电路，其中为交流等效电路，其中I Ip p为光电流；为光电流；R Rd d、、C Cd d分别为光电分别为光电导探测器等效内阻和电容，导探测器等效内阻和电容，R R1 1、、C C1 1分别为放大器等效输入电分别为放大器等效输入电阻和电容阻和电容 由于光电导探测器受光照射时的亮电阻比无光照射时的由于光电导探测器受光照射时的亮电阻比无光照射时的暗电阻暗电阻(一般约为一般约为10MΩ以上以上)小得多，故图中小得多，故图中R Rd d实际上就代实际上就代表亮电阻通常亮电阻与暗电阻之比约在表亮电阻通常亮电阻与暗电阻之比约在10-2—10-6数量级亮电阻与暗电阻相差越大，探测器的灵敏度就越高亮电阻与暗电阻相差越大，探测器的灵敏度就越高9/9/20249/9/20241717(b)(b)为光电导探测器的直流等效电路，为光电导探测器的直流等效电路，为光电导探测器的直流等效电路，为光电导探测器的直流等效电路，R RL L表示光电导表示光电导表示光电导表示光电导探测器输出回路的等效负载电阻，它可以是探测器探测器输出回路的等效负载电阻，它可以是探测器探测器输出回路的等效负载电阻，它可以是探测器探测器输出回路的等效负载电阻，它可以是探测器后续信号处理电阻或前置放大器的等效输入电阻。

后续信号处理电阻或前置放大器的等效输入电阻后续信号处理电阻或前置放大器的等效输入电阻后续信号处理电阻或前置放大器的等效输入电阻I Ip pR Rd dR RL LV VA A (b) (b)直流等效电路直流等效电路直流等效电路直流等效电路9/9/20249/9/20241818ØØ输出电流与电压输出电流与电压输出电流与电压输出电流与电压1)1)短路电流短路电流短路电流短路电流( (R RL L<<<>>>R Rd d) ) （恒压源）（恒压源）（恒压源）（恒压源） 3)3)负载匹配负载匹配负载匹配负载匹配( (R RL L＝＝＝＝R Rd d) )时时时时ØØ这种情况称为匹配工作状态，这时探测器输出的电功率最这种情况称为匹配工作状态，这时探测器输出的电功率最这种情况称为匹配工作状态，这时探测器输出的电功率最这种情况称为匹配工作状态，这时探测器输出的电功率最大，光探测系统总的光电变换效率最高大，光探测系统总的光电变换效率最高。

大，光探测系统总的光电变换效率最高大，光探测系统总的光电变换效率最高ØØ但当入射光功率在较大范围内变化，即光电导变化范围很但当入射光功率在较大范围内变化，即光电导变化范围很但当入射光功率在较大范围内变化，即光电导变化范围很但当入射光功率在较大范围内变化，即光电导变化范围很大时，要始终保持匹配状态是困难的大时，要始终保持匹配状态是困难的大时，要始终保持匹配状态是困难的大时，要始终保持匹配状态是困难的I Ip pR Rd dR RL LV VAA9/9/20249/9/20241919ØØ输出电流与电压讨论：输出电流与电压讨论：输出电流与电压讨论：输出电流与电压讨论： 1 1）高频工作时要考虑电容影响；）高频工作时要考虑电容影响；）高频工作时要考虑电容影响；）高频工作时要考虑电容影响； 2 2）光电流）光电流）光电流）光电流I Ip p与入射光功率的关系：与入射光功率的关系：与入射光功率的关系：与入射光功率的关系： 由于半导体对光由于半导体对光由于半导体对光由于半导体对光的吸收具有非线性特性所以光电导探测器的光电流与的吸收具有非线性特性所以光电导探测器的光电流与的吸收具有非线性特性。

所以光电导探测器的光电流与的吸收具有非线性特性所以光电导探测器的光电流与入射光功率也将呈现非线性关系入射光功率也将呈现非线性关系入射光功率也将呈现非线性关系入射光功率也将呈现非线性关系üü弱入射辐射时，成简单线性弱入射辐射时，成简单线性弱入射辐射时，成简单线性弱入射辐射时，成简单线性üü强入射辐射时，成非线性（抛物线型）强入射辐射时，成非线性（抛物线型）强入射辐射时，成非线性（抛物线型）强入射辐射时，成非线性（抛物线型）9/9/20249/9/20242020一、光电导探测器的光谱特性一、光电导探测器的光谱特性 1. 1. 1. 1. 本本本本征征征征光电导的光谱分布：光电导的光谱分布：光电导的光谱分布：光电导的光谱分布：üü特点：特点：特点：特点： 单峰；两端下降；长波限不明显单峰；两端下降；长波限不明显单峰；两端下降；长波限不明显单峰；两端下降；长波限不明显§4-2 §4-2 光电导探测器的特性与性能参数光电导探测器的特性与性能参数0.30.30.50.51.01.02.02.05.05.010.010.00 02020404060608080100100波长波长波长波长/ /μmμm相对灵敏度相对灵敏度相对灵敏度相对灵敏度/%/%/%/%ZnSZnSCdSCdSGeGeCaAsCaAsSiSiCdSeCdSePbSPbSPbTePbTe90K90KPbSePbSe90K90KInSbInSb90K90K9/9/20249/9/20242121一、光电导探测器的光谱特性一、光电导探测器的光谱特性 2. 2. 2. 2. 杂质杂质杂质杂质光电导的光谱分布：光电导的光谱分布：光电导的光谱分布：光电导的光谱分布：特点：特点：特点：特点：ØØ E Ei i<

长波限不明显长波限不明显长波限不明显0.080.08 0.10.10.20.20.30.30.40.4 0.50.5 0.60.60.80.8 0.90.91 11010100100光子能量光子能量光子能量光子能量/eV/eV相对光响应相对光响应相对光响应相对光响应%%N N－型－型－型－型Ge:Au:AsGe:Au:AsP P－型－型－型－型Ge:AuGe:AuP P－型－型－型－型Ge:Au:AsGe:Au:As9/9/20249/9/20242222二、光电导增益二、光电导增益ØØ光电导增益：当长度为光电导增益：当长度为光电导增益：当长度为光电导增益：当长度为L L的光电导探测器两端加上电压的光电导探测器两端加上电压的光电导探测器两端加上电压的光电导探测器两端加上电压V V后，后，后，后，由光照产生的光生载流子在电场作用下所形成的由光照产生的光生载流子在电场作用下所形成的由光照产生的光生载流子在电场作用下所形成的由光照产生的光生载流子在电场作用下所形成的外部光电流外部光电流外部光电流外部光电流与光电子形成的与光电子形成的与光电子形成的与光电子形成的内部电流内部电流内部电流内部电流（（（（eNeN）之间）之间）之间）之间的比值的比值的比值的比值，，，，G G= =I Ip p/ /eNeN。

ØØ经推导，光电导增益可写为：经推导，光电导增益可写为：经推导，光电导增益可写为：经推导，光电导增益可写为：ØØ而而而而有效渡越时间有效渡越时间有效渡越时间有效渡越时间9/9/20249/9/20242323ØØ讨论：讨论：讨论：讨论：ØØ灵敏的光电导探测器，必然具有很大的增益系数，灵敏的光电导探测器，必然具有很大的增益系数，灵敏的光电导探测器，必然具有很大的增益系数，灵敏的光电导探测器，必然具有很大的增益系数，由于增益系数可看成是一个自由载流子的寿命由于增益系数可看成是一个自由载流子的寿命由于增益系数可看成是一个自由载流子的寿命由于增益系数可看成是一个自由载流子的寿命τ τ与与与与该载流子在光电导探测器两极间的有效渡越时间该载流子在光电导探测器两极间的有效渡越时间该载流子在光电导探测器两极间的有效渡越时间该载流子在光电导探测器两极间的有效渡越时间t tdrdr之比，因此之比，因此之比，因此之比，因此只要载流子的平均寿命大于有效渡只要载流子的平均寿命大于有效渡只要载流子的平均寿命大于有效渡只要载流子的平均寿命大于有效渡越时间，增益就可大于越时间，增益就可大于越时间，增益就可大于越时间，增益就可大于1 1。

ØØ减小电极间的间距减小电极间的间距减小电极间的间距减小电极间的间距L L，适当提高工作电压，对提高，适当提高工作电压，对提高，适当提高工作电压，对提高，适当提高工作电压，对提高GG值有利ØØ但如果但如果但如果但如果L L减得太小，使受光面太小，致使光电导探减得太小，使受光面太小，致使光电导探减得太小，使受光面太小，致使光电导探减得太小，使受光面太小，致使光电导探测器集光面积太小而不实用测器集光面积太小而不实用测器集光面积太小而不实用测器集光面积太小而不实用ØØ若延长载流子寿命也可提高增益系数，但这样会若延长载流子寿命也可提高增益系数，但这样会若延长载流子寿命也可提高增益系数，但这样会若延长载流子寿命也可提高增益系数，但这样会减慢响应速度，因此，在光电导探测器中，减慢响应速度，因此，在光电导探测器中，减慢响应速度，因此，在光电导探测器中，减慢响应速度，因此，在光电导探测器中，增益增益增益增益与响应速度是相矛盾的与响应速度是相矛盾的与响应速度是相矛盾的与响应速度是相矛盾的ØØ一般一般一般一般GG值不超过值不超过值不超过值不超过10103 3数量级9/9/20249/9/20242424ØØ光电导探测器的内增益与光电导探测器的内增益与光电导探测器的内增益与光电导探测器的内增益与V VA A 、、、、τ τn n、、、、 τ τp p 有关，所以有关，所以有关，所以有关，所以光电导探测器的响应率与所加偏压光电导探测器的响应率与所加偏压光电导探测器的响应率与所加偏压光电导探测器的响应率与所加偏压V VA A及载流子寿及载流子寿及载流子寿及载流子寿命命命命τ τn n、、、、 τ τp p有关。

有关ØØ偏压越高，在光电导变化相同的情况下，输出的偏压越高，在光电导变化相同的情况下，输出的偏压越高，在光电导变化相同的情况下，输出的偏压越高，在光电导变化相同的情况下，输出的电流电流电流电流( ( ( (或电压或电压或电压或电压) ) ) )越大，越大，越大，越大，响应率响应率响应率响应率就就就就越高越高越高越高，但随着外加，但随着外加，但随着外加，但随着外加偏压的升高，通过器件的电流产生的焦耳热也随偏压的升高，通过器件的电流产生的焦耳热也随偏压的升高，通过器件的电流产生的焦耳热也随偏压的升高，通过器件的电流产生的焦耳热也随之增加，所以外加偏压的增加之增加，所以外加偏压的增加之增加，所以外加偏压的增加之增加，所以外加偏压的增加受受受受到器件所能承受到器件所能承受到器件所能承受到器件所能承受的的的的最大功耗最大功耗最大功耗最大功耗的的的的限制限制限制限制三、响应率三、响应率电流响应率：电流响应率：电压响应率：电压响应率：9/9/20249/9/20242525ØØ此外，载流子寿命的增加，意味着光电导器件所此外，载流子寿命的增加，意味着光电导器件所此外，载流子寿命的增加，意味着光电导器件所此外，载流子寿命的增加，意味着光电导器件所产生的光生载流子对回路有效电荷的贡献增大，产生的光生载流子对回路有效电荷的贡献增大，产生的光生载流子对回路有效电荷的贡献增大，产生的光生载流子对回路有效电荷的贡献增大，使器件的响应率提高。

为此，在实际制作器件时，使器件的响应率提高为此，在实际制作器件时，使器件的响应率提高为此，在实际制作器件时，使器件的响应率提高为此，在实际制作器件时，往往有意在半导体中往往有意在半导体中往往有意在半导体中往往有意在半导体中加入加入加入加入一些一些一些一些陷阱陷阱陷阱陷阱，以，以，以，以增大增大增大增大载流载流载流载流子子子子寿命寿命寿命寿命来提高响应率来提高响应率来提高响应率来提高响应率ØØ光电导探测器的响应率还与光敏面积有关；因为光电导探测器的响应率还与光敏面积有关；因为光电导探测器的响应率还与光敏面积有关；因为光电导探测器的响应率还与光敏面积有关；因为在入射光功率一定时，光敏面积越大，单位体积在入射光功率一定时，光敏面积越大，单位体积在入射光功率一定时，光敏面积越大，单位体积在入射光功率一定时，光敏面积越大，单位体积内光吸收就越小，亦即单位体积内光生载流子产内光吸收就越小，亦即单位体积内光生载流子产内光吸收就越小，亦即单位体积内光生载流子产内光吸收就越小，亦即单位体积内光生载流子产生率要减小，所以响应率下降生率要减小，所以响应率下降生率要减小，所以响应率下降生率要减小，所以响应率下降。

9/9/20249/9/20242626ØØ增大增益系数增大增益系数增大增益系数增大增益系数GG可以提高光谱响应率，实际上常用的光电可以提高光谱响应率，实际上常用的光电可以提高光谱响应率，实际上常用的光电可以提高光谱响应率，实际上常用的光电导探测器的光谱响应率小于导探测器的光谱响应率小于导探测器的光谱响应率小于导探测器的光谱响应率小于1A1A／／／／WW，原因是：，原因是：，原因是：，原因是：①①①①产生高增益系数的光电导探测器电极间距需很小，致使光产生高增益系数的光电导探测器电极间距需很小，致使光产生高增益系数的光电导探测器电极间距需很小，致使光产生高增益系数的光电导探测器电极间距需很小，致使光电导探测器集光面积太小而不实用电导探测器集光面积太小而不实用电导探测器集光面积太小而不实用电导探测器集光面积太小而不实用②②②②若延长载流子寿命也可提高增益系数，但这样会减慢响应若延长载流子寿命也可提高增益系数，但这样会减慢响应若延长载流子寿命也可提高增益系数，但这样会减慢响应若延长载流子寿命也可提高增益系数，但这样会减慢响应速度，因此，在光电导探测器中，速度，因此，在光电导探测器中，速度，因此，在光电导探测器中，速度，因此，在光电导探测器中，增益与响应速度是相矛增益与响应速度是相矛增益与响应速度是相矛增益与响应速度是相矛盾的盾的盾的盾的。

光谱响应率：光谱响应率：光电流光电流9/9/20249/9/20242727ØØ图中所示的是典型的光谱响应率图中所示的是典型的光谱响应率图中所示的是典型的光谱响应率图中所示的是典型的光谱响应率λ λp p，，，，λ λc c分别表示分别表示分别表示分别表示探测器的峰值响应波长和长波限探测器的峰值响应波长和长波限探测器的峰值响应波长和长波限探测器的峰值响应波长和长波限( (或截止波长或截止波长或截止波长或截止波长) )ØØ在在在在λ>λλ>λp p的范围内，光谱响应随着波长的增大迅速减的范围内，光谱响应随着波长的增大迅速减的范围内，光谱响应随着波长的增大迅速减的范围内，光谱响应随着波长的增大迅速减小，因为波长接近长波限，光子产生光电导的能力小，因为波长接近长波限，光子产生光电导的能力小，因为波长接近长波限，光子产生光电导的能力小，因为波长接近长波限，光子产生光电导的能力接近极限接近极限接近极限接近极限ØØ 在在在在λ<λλ<λp p的范围内，继续减小的范围内，继续减小的范围内，继续减小的范围内，继续减小入射光波长，可能使光在器入射光波长，可能使光在器入射光波长，可能使光在器入射光波长，可能使光在器件表面很薄的一层内完全被件表面很薄的一层内完全被件表面很薄的一层内完全被件表面很薄的一层内完全被吸收，使表面层载流子密集，吸收，使表面层载流子密集，吸收，使表面层载流子密集，吸收，使表面层载流子密集，从而导致载流子复合率增大，从而导致载流子复合率增大，从而导致载流子复合率增大，从而导致载流子复合率增大，寿命降低，会使在短波部分寿命降低，会使在短波部分寿命降低，会使在短波部分寿命降低，会使在短波部分响应率明显降低。

响应率明显降低响应率明显降低响应率明显降低9/9/20249/9/20242828ØØ不同类型的光电导探测器有不同的光谱响应波段，图示出不同类型的光电导探测器有不同的光谱响应波段，图示出不同类型的光电导探测器有不同的光谱响应波段，图示出不同类型的光电导探测器有不同的光谱响应波段，图示出了本征型、杂质型光电导探测器的光谱特性了本征型、杂质型光电导探测器的光谱特性了本征型、杂质型光电导探测器的光谱特性了本征型、杂质型光电导探测器的光谱特性ØØ杂质型的响应率低于本征型，因为杂质含量低，光电导能杂质型的响应率低于本征型，因为杂质含量低，光电导能杂质型的响应率低于本征型，因为杂质含量低，光电导能杂质型的响应率低于本征型，因为杂质含量低，光电导能力差ØØ由于杂质的电离能小于本征的禁带宽度，所以杂质的长波由于杂质的电离能小于本征的禁带宽度，所以杂质的长波由于杂质的电离能小于本征的禁带宽度，所以杂质的长波由于杂质的电离能小于本征的禁带宽度，所以杂质的长波限限限限> >本征型的长波限本征型的长波限本征型的长波限本征型的长波限本征型本征型杂质型杂质型相相对对响响应应9/9/20249/9/20242929四、光电导的弛豫四、光电导的弛豫光电导是非平衡载流子效应，因此有一定的弛豫现象。

光电导是非平衡载流子效应，因此有一定的弛豫现象光电导是非平衡载流子效应，因此有一定的弛豫现象光电导是非平衡载流子效应，因此有一定的弛豫现象ØØ从光电导的机构来看，弛豫现象表现为在光强变化时，从光电导的机构来看，弛豫现象表现为在光强变化时，从光电导的机构来看，弛豫现象表现为在光强变化时，从光电导的机构来看，弛豫现象表现为在光强变化时，光生载流子的积累和消失的过程光生载流子的积累和消失的过程光生载流子的积累和消失的过程光生载流子的积累和消失的过程ØØ弛豫现象表现了光电导对光强变化反应的快慢弛豫现象表现了光电导对光强变化反应的快慢弛豫现象表现了光电导对光强变化反应的快慢弛豫现象表现了光电导对光强变化反应的快慢ØØ光电导的弛豫决定了在迅速变化的光强下，光电导的弛豫决定了在迅速变化的光强下，光电导的弛豫决定了在迅速变化的光强下，光电导的弛豫决定了在迅速变化的光强下，光电导探测光电导探测光电导探测光电导探测器器器器能否有效工作的问题能否有效工作的问题能否有效工作的问题能否有效工作的问题 ØØ两种典型情况：两种典型情况：两种典型情况：两种典型情况：pp直线性光电导直线性光电导直线性光电导直线性光电导————————光电导与光强成线性关系，很多光电光电导与光强成线性关系，很多光电光电导与光强成线性关系，很多光电光电导与光强成线性关系，很多光电导体在较低的光强下都具有这种性质；导体在较低的光强下都具有这种性质；导体在较低的光强下都具有这种性质；导体在较低的光强下都具有这种性质；pp抛物线性光电导抛物线性光电导抛物线性光电导抛物线性光电导————————光电导与光强的平方根成正比，很光电导与光强的平方根成正比，很光电导与光强的平方根成正比，很光电导与光强的平方根成正比，很多光电导体在低光强下属于直线性光电导，但在较高的多光电导体在低光强下属于直线性光电导，但在较高的多光电导体在低光强下属于直线性光电导，但在较高的多光电导体在低光强下属于直线性光电导，但在较高的光强下则为抛物线性光电导。

光强下则为抛物线性光电导光强下则为抛物线性光电导光强下则为抛物线性光电导9/9/20249/9/20243030üü直线型光电导：直线型光电导：直线型光电导：直线型光电导： 上升：上升：上升：上升： 下降：下降：下降：下降：时间（单位时间（单位时间（单位时间（单位ττττ））））1 12 23 30 01 12 23 34 40 05050100100上升上升上升上升下降下降下降下降光电导相对值光电导相对值光电导相对值光电导相对值/ / / /％％％％9/9/20249/9/20243131 抛物线型光电导：抛物线型光电导：抛物线型光电导：抛物线型光电导： 上升：上升：上升：上升： 下降：下降：下降：下降：时间（单位时间（单位时间（单位时间（单位τ τ））））1 12 23 30 01 12 23 34 40 05050100100上升上升上升上升下降下降下降下降光电导相对值光电导相对值光电导相对值光电导相对值/ / / /％％％％9/9/20249/9/20243232五、频率响应及响应时间五、频率响应及响应时间ØØ由于驰豫时间的存在，其频率响应受到限制。

由于驰豫时间的存在，其频率响应受到限制由于驰豫时间的存在，其频率响应受到限制由于驰豫时间的存在，其频率响应受到限制ØØ截止频率截止频率截止频率截止频率f f3dB3dB ：：：：f f / Hz/ Hzf f3dB3dB1.01.00.7070.7071.01.00 09/9/20249/9/20243333ØØ讨论：讨论：ØØ一般情况下，在忽略外电路时间常数的影响下，响应时间一般情况下，在忽略外电路时间常数的影响下，响应时间一般情况下，在忽略外电路时间常数的影响下，响应时间一般情况下，在忽略外电路时间常数的影响下，响应时间等于光生载流子的平均寿命等于光生载流子的平均寿命等于光生载流子的平均寿命等于光生载流子的平均寿命τ τ0 0ØØ而对于杂质半导体，往往存在一些陷阱，使载流子复合几而对于杂质半导体，往往存在一些陷阱，使载流子复合几而对于杂质半导体，往往存在一些陷阱，使载流子复合几而对于杂质半导体，往往存在一些陷阱，使载流子复合几率相应减少，相当于增加了载流子寿命此时，响应时间率相应减少，相当于增加了载流子寿命此时，响应时间率相应减少，相当于增加了载流子寿命此时，响应时间率相应减少，相当于增加了载流子寿命。

此时，响应时间将不再等于载流子的平均寿命在某些情况下，响应时间将不再等于载流子的平均寿命在某些情况下，响应时间将不再等于载流子的平均寿命在某些情况下，响应时间将不再等于载流子的平均寿命在某些情况下，响应时间将比载流子平均寿命大将比载流子平均寿命大将比载流子平均寿命大将比载流子平均寿命大2 2～～～～3 3个数量级个数量级个数量级个数量级ØØ对于光电导探测器来说，延长载流子寿命，可以增加器件对于光电导探测器来说，延长载流子寿命，可以增加器件对于光电导探测器来说，延长载流子寿命，可以增加器件对于光电导探测器来说，延长载流子寿命，可以增加器件的内增益，对提高器件的响应率有利，但这却使器件的响的内增益，对提高器件的响应率有利，但这却使器件的响的内增益，对提高器件的响应率有利，但这却使器件的响的内增益，对提高器件的响应率有利，但这却使器件的响应时间增加，以至影响器件的高频性能应时间增加，以至影响器件的高频性能应时间增加，以至影响器件的高频性能应时间增加，以至影响器件的高频性能ØØ与光伏器件等其它光探测器相比，光电导器件增益较大而与光伏器件等其它光探测器相比，光电导器件增益较大而与光伏器件等其它光探测器相比，光电导器件增益较大而与光伏器件等其它光探测器相比，光电导器件增益较大而响应较慢，光电导器件适用于受光面较大、光电流与暗电响应较慢，光电导器件适用于受光面较大、光电流与暗电响应较慢，光电导器件适用于受光面较大、光电流与暗电响应较慢，光电导器件适用于受光面较大、光电流与暗电流之比也较大的情况。

流之比也较大的情况流之比也较大的情况流之比也较大的情况9/9/20249/9/20243434 ØØ结论：结论：üü1)1)延长延长延长延长 ，，，， （影响高频性能）　（影响高频性能）　（影响高频性能）　（影响高频性能）　üü2)2)相比而言（增益高，响应慢），适于受光面积相比而言（增益高，响应慢），适于受光面积相比而言（增益高，响应慢），适于受光面积相比而言（增益高，响应慢），适于受光面积 大的情况，但是，新型光电导器件，上升时间可达大的情况，但是，新型光电导器件，上升时间可达大的情况，但是，新型光电导器件，上升时间可达大的情况，但是，新型光电导器件，上升时间可达几十皮秒量级几十皮秒量级几十皮秒量级几十皮秒量级ØØ通常，通常，通常，通常，CdSCdS光敏电阻的响应时间约为几十毫秒到几秒；光敏电阻的响应时间约为几十毫秒到几秒；光敏电阻的响应时间约为几十毫秒到几秒；光敏电阻的响应时间约为几十毫秒到几秒；CdSeCdSe光敏电阻的响应时间约为光敏电阻的响应时间约为光敏电阻的响应时间约为光敏电阻的响应时间约为1010-2-2~10~10-3-3秒；秒；秒；秒；PbSPbS的响应的响应的响应的响应时间约为时间约为时间约为时间约为1010-4-4秒。

秒9/9/20249/9/20243535六、光电导探测器的噪声六、光电导探测器的噪声ØØ包括：包括：包括：包括：热噪声、热噪声、热噪声、热噪声、g-rg-r噪声、噪声、噪声、噪声、1/1/f f 噪声噪声噪声噪声f f1/1/f f 噪声噪声噪声噪声g g- - - -r r 噪声噪声噪声噪声热噪声热噪声热噪声热噪声1kHz1kHz1MHz1MHz光电导器件的噪声功率谱光电导器件的噪声功率谱光电导器件的噪声功率谱光电导器件的噪声功率谱9/9/20249/9/20243636七、光电导探测器的比探测率七、光电导探测器的比探测率ØØ受热噪声限制的比探测率（受热噪声限制的比探测率（受热噪声限制的比探测率（受热噪声限制的比探测率（f f >1MHz>1MHz））））ØØ受产生－复合噪声限制比探测率（受产生－复合噪声限制比探测率（受产生－复合噪声限制比探测率（受产生－复合噪声限制比探测率（1kHz < 1kHz < f f <1MHz) <1MHz)9/9/20249/9/20243737g-r噪声限制噪声限制热噪声限制热噪声限制9/9/20249/9/20243838八、温度特性八、温度特性ØØ受温度变化影响严重。

受温度变化影响严重受温度变化影响严重受温度变化影响严重ØØ主要主要主要主要原因：原因：原因：原因：当温度升高时，热激发载流子增多，除使当温度升高时，热激发载流子增多，除使当温度升高时，热激发载流子增多，除使当温度升高时，热激发载流子增多，除使热噪声增加外，还使光生载流子寿命下降热噪声增加外，还使光生载流子寿命下降热噪声增加外，还使光生载流子寿命下降热噪声增加外，还使光生载流子寿命下降( ( ( (复合几率增复合几率增复合几率增复合几率增大大大大) ) ) )，从而使光电导器件响应度降低从而使光电导器件响应度降低从而使光电导器件响应度降低从而使光电导器件响应度降低ØØ温度升高效果：温度升高效果：温度升高效果：温度升高效果：• •光谱响应度光谱响应度光谱响应度光谱响应度( ( ( (下降）下降）下降）下降）• •峰值波长（短波移动）峰值波长（短波移动）峰值波长（短波移动）峰值波长（短波移动）• •长波限（短波移动）长波限（短波移动）长波限（短波移动）长波限（短波移动）ØØ结论：结论：结论：结论：需要（深）制冷需要（深）制冷需要（深）制冷需要（深）制冷9/9/20249/9/20243939PbSPbSe9/9/20249/9/20244040九、前历效应九、前历效应九、前历效应九、前历效应ØØ大多数光电导探测器在稳定的光照下，其阻值有明显的大多数光电导探测器在稳定的光照下，其阻值有明显的大多数光电导探测器在稳定的光照下，其阻值有明显的大多数光电导探测器在稳定的光照下，其阻值有明显的漂移现象，而且经过一段时间间隔后复测阻值还有变化，漂移现象，而且经过一段时间间隔后复测阻值还有变化，漂移现象，而且经过一段时间间隔后复测阻值还有变化，漂移现象，而且经过一段时间间隔后复测阻值还有变化，这种现象称为光电导探测器的前历效应。

这种现象称为光电导探测器的前历效应这种现象称为光电导探测器的前历效应这种现象称为光电导探测器的前历效应ØØ分为短分为短分为短分为短前历效应（放置时间短、光照时间短）和中前历前历效应（放置时间短、光照时间短）和中前历前历效应（放置时间短、光照时间短）和中前历前历效应（放置时间短、光照时间短）和中前历效应（放置时间长、光照时间长）效应（放置时间长、光照时间长）效应（放置时间长、光照时间长）效应（放置时间长、光照时间长）9/9/20249/9/20244141§4§4－－3 3 实用光电导探测器件实用光电导探测器件一、本征型光电导探测器一、本征型光电导探测器一、本征型光电导探测器一、本征型光电导探测器1 1 1 1．碲镉汞（．碲镉汞（．碲镉汞（．碲镉汞（HgHg1-1-x xCdCdx xTeTe）光电导探测器）光电导探测器）光电导探测器）光电导探测器ØØ采用半导体合金法，将化合物采用半导体合金法，将化合物采用半导体合金法，将化合物采用半导体合金法，将化合物CdTeCdTe和和和和HgTeHgTe混合成合金系统混合成合金系统混合成合金系统混合成合金系统ØØ组分不同，禁带宽度是随组分不同，禁带宽度是随组分不同，禁带宽度是随组分不同，禁带宽度是随x x变化的：变化的：变化的：变化的：ØØ应用：应用：应用：应用：红外红外红外红外波段应用，波段应用，波段应用，波段应用，在激光雷达、激光测距、光电对抗、制导及光通在激光雷达、激光测距、光电对抗、制导及光通在激光雷达、激光测距、光电对抗、制导及光通在激光雷达、激光测距、光电对抗、制导及光通信等领域得到广泛应用。

信等领域得到广泛应用信等领域得到广泛应用信等领域得到广泛应用9/9/20249/9/202442429/9/20249/9/202443432 2 2 2．锑化铟光电导探测器．锑化铟光电导探测器．锑化铟光电导探测器．锑化铟光电导探测器 ØØInSbInSb是一种是一种是一种是一种直接带隙直接带隙直接带隙直接带隙半导体，其带隙半导体，其带隙半导体，其带隙半导体，其带隙E Eg g很小，在室温很小，在室温很小，在室温很小，在室温300K300K时，时，时，时， E Eg g＝，相应的长波限和峰值响应波长分别为和＝，相应的长波限和峰值响应波长分别为和＝，相应的长波限和峰值响应波长分别为和＝，相应的长波限和峰值响应波长分别为和6μm6μmØØ当用液氮冷却至当用液氮冷却至当用液氮冷却至当用液氮冷却至77K77K时，带隙增加到，相应的长波限为，峰值响应波长为时，带隙增加到，相应的长波限为，峰值响应波长为时，带隙增加到，相应的长波限为，峰值响应波长为时，带隙增加到，相应的长波限为，峰值响应波长为5μm5μmØØ通过改变器件工作温度能改变其光谱响应特性通过改变器件工作温度能改变其光谱响应特性。

通过改变器件工作温度能改变其光谱响应特性通过改变器件工作温度能改变其光谱响应特性ØØInSbInSb材料因其带隙小，因此被广泛用来制造性能良好的材料因其带隙小，因此被广泛用来制造性能良好的材料因其带隙小，因此被广泛用来制造性能良好的材料因其带隙小，因此被广泛用来制造性能良好的近红外近红外近红外近红外探测器ØØ这种器件虽可工作于室温，但噪声较大，故一般多在低温下工作这种器件虽可工作于室温，但噪声较大，故一般多在低温下工作这种器件虽可工作于室温，但噪声较大，故一般多在低温下工作这种器件虽可工作于室温，但噪声较大，故一般多在低温下工作9/9/20249/9/202444443 3 3 3．碲锡铅光电导探测器．碲锡铅光电导探测器．碲锡铅光电导探测器．碲锡铅光电导探测器 ØØPbPb1-x1-xSnSnx xTeTe光电导探测器是光电导探测器是光电导探测器是光电导探测器是PbTePbTe和和和和SnTeSnTe的连续固溶体，改的连续固溶体，改的连续固溶体，改的连续固溶体，改变变变变SnSn的含量可以改变其带隙的含量可以改变其带隙的含量可以改变其带隙的含量可以改变其带隙ØØ改变工作温度对器件灵敏度也改变工作温度对器件灵敏度也改变工作温度对器件灵敏度也改变工作温度对器件灵敏度也有很大影响。

图中给出碲锡铅有很大影响图中给出碲锡铅有很大影响图中给出碲锡铅有很大影响图中给出碲锡铅光电导探测器的光谱响应特性光电导探测器的光谱响应特性光电导探测器的光谱响应特性光电导探测器的光谱响应特性ØØPbSnTePbSnTe光电导探测器是一种红光电导探测器是一种红光电导探测器是一种红光电导探测器是一种红外波段的快速响应器件外波段的快速响应器件外波段的快速响应器件外波段的快速响应器件9/9/20249/9/202445454 4．硫化镉及硒化镉光电导探测器．硫化镉及硒化镉光电导探测器 ØØ硫化镉硫化镉硫化镉硫化镉(CdS)(CdS)、硒化镉、硒化镉、硒化镉、硒化镉(CdSe)(CdSe)光电导探测器对可见光敏感，又称为光电导探测器对可见光敏感，又称为光电导探测器对可见光敏感，又称为光电导探测器对可见光敏感，又称为光敏电阻光敏电阻光敏电阻光敏电阻ØØCdSCdS：可见光波段、：可见光波段、：可见光波段、：可见光波段、X X射线、射线、射线、射线、α α射线、射线、射线、射线、β β射线、射线、射线、射线、γ γ射线均有响应；可见射线均有响应；可见射线均有响应；可见射线均有响应；可见光区接近人眼光区接近人眼光区接近人眼光区接近人眼(0.3~0.52μm)(0.3~0.52μm)，峰值。

峰值ØØCdSeCdSe：与：与：与：与CdSCdS相似；峰值；响应时间比相似；峰值；响应时间比相似；峰值；响应时间比相似；峰值；响应时间比CdSCdS快ØØ光敏电阻的光敏电阻的光敏电阻的光敏电阻的特点特点特点特点是价格低，可靠性高，寿命长，使用方便是价格低，可靠性高，寿命长，使用方便是价格低，可靠性高，寿命长，使用方便是价格低，可靠性高，寿命长，使用方便ØØ故被广泛应用于工业自动化及摄影机的测光装置和可见光的探测故被广泛应用于工业自动化及摄影机的测光装置和可见光的探测故被广泛应用于工业自动化及摄影机的测光装置和可见光的探测故被广泛应用于工业自动化及摄影机的测光装置和可见光的探测相相对对响响应应度度％％9/9/20249/9/20244646二、杂质型光电导深测器二、杂质型光电导深测器ØØ目前的杂质型光电导器件目前的杂质型光电导器件目前的杂质型光电导器件目前的杂质型光电导器件材料材料材料材料主要是在主要是在主要是在主要是在锗锗锗锗或或或或硅硅硅硅中掺中掺中掺中掺入杂质制作的入杂质制作的入杂质制作的入杂质制作的ØØE Ei i<

但这是本征型光电导探测器所不能实现的但这是本征型光电导探测器所不能实现的但这是本征型光电导探测器所不能实现的但响应率响应率响应率响应率低低低低ØØ此外，材料中杂质复合中心的浓度会影响光生载流此外，材料中杂质复合中心的浓度会影响光生载流此外，材料中杂质复合中心的浓度会影响光生载流此外，材料中杂质复合中心的浓度会影响光生载流子的寿命，子的寿命，子的寿命，子的寿命，减小复合中心浓度减小复合中心浓度减小复合中心浓度减小复合中心浓度将增大光生载流子寿将增大光生载流子寿将增大光生载流子寿将增大光生载流子寿命，使光电导探测器内增益增大，从而使器件的命，使光电导探测器内增益增大，从而使器件的命，使光电导探测器内增益增大，从而使器件的命，使光电导探测器内增益增大，从而使器件的响响响响应率提高应率提高应率提高应率提高ØØ杂质型光电导探测器的吸收系数小，器件杂质型光电导探测器的吸收系数小，器件杂质型光电导探测器的吸收系数小，器件杂质型光电导探测器的吸收系数小，器件厚度大厚度大厚度大厚度大9/9/20249/9/20244747ØØ硅掺杂探测器不如锗掺杂探测器应用普遍，但可硅掺杂探测器不如锗掺杂探测器应用普遍，但可硅掺杂探测器不如锗掺杂探测器应用普遍，但可硅掺杂探测器不如锗掺杂探测器应用普遍，但可用它来制造热成像的大焦平面用它来制造热成像的大焦平面用它来制造热成像的大焦平面用它来制造热成像的大焦平面阵列阵列阵列阵列器件。

器件ØØ为了增加杂质光电导探侧器对辐射的吸收，提高为了增加杂质光电导探侧器对辐射的吸收，提高为了增加杂质光电导探侧器对辐射的吸收，提高为了增加杂质光电导探侧器对辐射的吸收，提高器件的响应率，除了增加器件的厚度外，还可将器件的响应率，除了增加器件的厚度外，还可将器件的响应率，除了增加器件的厚度外，还可将器件的响应率，除了增加器件的厚度外，还可将器件作成器件作成器件作成器件作成全反射小室全反射小室全反射小室全反射小室，以增加光在探测器内的路，以增加光在探测器内的路，以增加光在探测器内的路，以增加光在探测器内的路程ØØ为了抑制热噪声，杂质光电导探测器通常要求较为了抑制热噪声，杂质光电导探测器通常要求较为了抑制热噪声，杂质光电导探测器通常要求较为了抑制热噪声，杂质光电导探测器通常要求较低的工作温度，低的工作温度，低的工作温度，低的工作温度，致冷条件致冷条件致冷条件致冷条件比较比较比较比较苛刻苛刻苛刻苛刻，这给使用带，这给使用带，这给使用带，这给使用带来极大的不便，也是远红外波段探测的困难所在来极大的不便，也是远红外波段探测的困难所在来极大的不便，也是远红外波段探测的困难所在来极大的不便，也是远红外波段探测的困难所在。

ØØ杂质光电导探测器一般都工作于杂质光电导探测器一般都工作于杂质光电导探测器一般都工作于杂质光电导探测器一般都工作于弱光照弱光照弱光照弱光照，波长较，波长较，波长较，波长较长的红外探测器更是如此，用得较多的是锗掺杂长的红外探测器更是如此，用得较多的是锗掺杂长的红外探测器更是如此，用得较多的是锗掺杂长的红外探测器更是如此，用得较多的是锗掺杂红外探测器红外探测器红外探测器红外探测器9/9/20249/9/20244848三、薄膜光电导探测器三、薄膜光电导探测器ØØ红外光子探测器材料除块状单晶体外，还有多晶薄红外光子探测器材料除块状单晶体外，还有多晶薄红外光子探测器材料除块状单晶体外，还有多晶薄红外光子探测器材料除块状单晶体外，还有多晶薄膜多晶薄膜探测器主要是指硫化铅膜多晶薄膜探测器主要是指硫化铅膜多晶薄膜探测器主要是指硫化铅膜多晶薄膜探测器主要是指硫化铅( ( ( (PbSPbS) ) ) )和硒化铅和硒化铅和硒化铅和硒化铅( ( ( (PbSePbSe) ) ) )ØØ室温下室温下室温下室温下，，，，PbSPbS和和和和PbSePbSe对应的长波限分别为和降低对应的长波限分别为和降低对应的长波限分别为和。

降低对应的长波限分别为和降低工作温度，禁带宽度减小，长波限增长它们是工作温度，禁带宽度减小，长波限增长它们是工作温度，禁带宽度减小，长波限增长它们是工作温度，禁带宽度减小，长波限增长它们是1 1～～～～3μm3μm和和和和3 3～～～～5μm5μm波段应用十分广泛的两种红外探测器波段应用十分广泛的两种红外探测器波段应用十分广泛的两种红外探测器波段应用十分广泛的两种红外探测器ØØPbSPbS和和和和PbSePbSe两种多晶薄膜在制备工艺、晶体结等方两种多晶薄膜在制备工艺、晶体结等方两种多晶薄膜在制备工艺、晶体结等方两种多晶薄膜在制备工艺、晶体结等方面相似ØØ制备方法：化学沉积法、真空蒸发法和外延生长法制备方法：化学沉积法、真空蒸发法和外延生长法制备方法：化学沉积法、真空蒸发法和外延生长法制备方法：化学沉积法、真空蒸发法和外延生长法9/9/20249/9/20244949ØØPbSPbS光电导探测器是目前光电导探测器是目前光电导探测器是目前光电导探测器是目前l l～～～～3μm3μm波段应用最广泛的器件波段应用最广泛的器件波段应用最广泛的器件波段应用最广泛的器件ØØ优点：优点：优点：优点：其制备工艺简单、成熟，器件响应率高，阻抗适中，其制备工艺简单、成熟，器件响应率高，阻抗适中，其制备工艺简单、成熟，器件响应率高，阻抗适中，其制备工艺简单、成熟，器件响应率高，阻抗适中，易于配接前置放大电路，并可在室温下工作。

此外，该器易于配接前置放大电路，并可在室温下工作此外，该器易于配接前置放大电路，并可在室温下工作此外，该器易于配接前置放大电路，并可在室温下工作此外，该器件价格低廉，使用方便件价格低廉，使用方便件价格低廉，使用方便件价格低廉，使用方便ØØ应用：应用：应用：应用：PbSPbS光电导探测器在红外测温、红外跟踪、红外制光电导探测器在红外测温、红外跟踪、红外制光电导探测器在红外测温、红外跟踪、红外制光电导探测器在红外测温、红外跟踪、红外制导、红外预警、红外天文观测等领域获得广泛应用导、红外预警、红外天文观测等领域获得广泛应用导、红外预警、红外天文观测等领域获得广泛应用导、红外预警、红外天文观测等领域获得广泛应用灵灵敏敏度度（（相相对对值值））％％f /Hz9/9/20249/9/20245050ØØPbSePbSe光电导探测器，其响应波段是光电导探测器，其响应波段是光电导探测器，其响应波段是光电导探测器，其响应波段是1 1～～～～5μm5μm，，，，ØØPbSePbSe在在在在1 1～～～～3μm3μm范围其响应速度比范围其响应速度比范围其响应速度比范围其响应速度比PbSPbS高，但其响应率比高，但其响应率比高，但其响应率比高，但其响应率比PbSPbS低。

低9/9/20249/9/20245151四、扫积型光电导探测器（四、扫积型光电导探测器（四、扫积型光电导探测器（四、扫积型光电导探测器（SPRITESPRITE，，，，S Singnal ingnal P Processing rocessing I In n T The he E Elementlement））））ØØ这种器件是将这种器件是将这种器件是将这种器件是将n n型多元型多元型多元型多元HgCdTeHgCdTe与集成电路配合，以光学扫描并在元件内部与集成电路配合，以光学扫描并在元件内部与集成电路配合，以光学扫描并在元件内部与集成电路配合，以光学扫描并在元件内部对电信号进行对电信号进行对电信号进行对电信号进行延迟延迟延迟延迟、、、、积分积分积分积分、、、、同步处理同步处理同步处理同步处理的一种器件，它实现了在器件内部对的一种器件，它实现了在器件内部对的一种器件，它实现了在器件内部对的一种器件，它实现了在器件内部对信号进行更完善的处理功能信号进行更完善的处理功能信号进行更完善的处理功能信号进行更完善的处理功能ØØ它可用于串扫或串并扫热成像系统，既完成探测辐射信号的功能，又完成它可用于串扫或串并扫热成像系统，既完成探测辐射信号的功能，又完成它可用于串扫或串并扫热成像系统，既完成探测辐射信号的功能，又完成它可用于串扫或串并扫热成像系统，既完成探测辐射信号的功能，又完成信号的延迟、积分功能，大大简化了信息处理电路，从而简化了应用系统信号的延迟、积分功能，大大简化了信息处理电路，从而简化了应用系统信号的延迟、积分功能，大大简化了信息处理电路，从而简化了应用系统信号的延迟、积分功能，大大简化了信息处理电路，从而简化了应用系统的结构，为的结构，为的结构，为的结构，为HgCdTeHgCdTe探测器在串联扫描和串并联扫描热成像系统中的应用开探测器在串联扫描和串并联扫描热成像系统中的应用开探测器在串联扫描和串并联扫描热成像系统中的应用开探测器在串联扫描和串并联扫描热成像系统中的应用开辟了新途径。

辟了新途径辟了新途径辟了新途径ØØ结构：每条长结构：每条长结构：每条长结构：每条长700700μmμm、宽、宽、宽、宽μmμm、间隔、间隔、间隔、间隔μmμm、厚、厚、厚、厚1010μmμmd d偏流偏流偏流偏流I IIIIIIIIIIIl l偏置偏置偏置偏置l lDD读出信号读出信号读出信号读出信号SPRITESPRITE工作原理图工作原理图工作原理图工作原理图9/9/20249/9/20245252工作原理工作原理工作原理工作原理ØØ每一长条相当于每一长条相当于每一长条相当于每一长条相当于N N个分立的单元探测器个分立的单元探测器个分立的单元探测器个分立的单元探测器N N的数目由长条的长度和扫的数目由长条的长度和扫的数目由长条的长度和扫的数目由长条的长度和扫描光斑的大小决定对于上述结构，每条相当于描光斑的大小决定对于上述结构，每条相当于描光斑的大小决定对于上述结构，每条相当于描光斑的大小决定对于上述结构，每条相当于1111～～～～1414个单元，所以个单元，所以个单元，所以个单元，所以8 8条相当于条相当于条相当于条相当于100100个单元探测器每一长条有三个电极，其中两个用于加个单元探测器。

每一长条有三个电极，其中两个用于加个单元探测器每一长条有三个电极，其中两个用于加个单元探测器每一长条有三个电极，其中两个用于加电场，另一个为信号读出电极读出电极非常靠近负端电极，读出区电场，另一个为信号读出电极读出电极非常靠近负端电极，读出区电场，另一个为信号读出电极读出电极非常靠近负端电极，读出区电场，另一个为信号读出电极读出电极非常靠近负端电极，读出区的长度约为的长度约为的长度约为的长度约为50μm50μm、宽度约为、宽度约为、宽度约为、宽度约为35μm35μmØØ当双极漂移速度与红外图像扫描速度相等时，从当双极漂移速度与红外图像扫描速度相等时，从当双极漂移速度与红外图像扫描速度相等时，从当双极漂移速度与红外图像扫描速度相等时，从I I区产生的非平衡少区产生的非平衡少区产生的非平衡少区产生的非平衡少数载流子空穴在电场的作用下漂移运动到数载流子空穴在电场的作用下漂移运动到数载流子空穴在电场的作用下漂移运动到数载流子空穴在电场的作用下漂移运动到IIII区，此时红外图像也刚好区，此时红外图像也刚好区，此时红外图像也刚好区，此时红外图像也刚好扫描到扫描到扫描到扫描到IIII区在IIII区又产生空穴区又产生空穴区又产生空穴区又产生空穴( (同时也产生电子同时也产生电子同时也产生电子同时也产生电子) )。

红外图像在红外图像在红外图像在红外图像在I I区产区产区产区产生的空穴与在生的空穴与在生的空穴与在生的空穴与在IIII区产生的空穴正好叠加如果红外图像不断地从左向区产生的空穴正好叠加如果红外图像不断地从左向区产生的空穴正好叠加如果红外图像不断地从左向区产生的空穴正好叠加如果红外图像不断地从左向右扫描，所产生的非平衡载流子空穴在电场的作用下不断地进行漂移右扫描，所产生的非平衡载流子空穴在电场的作用下不断地进行漂移右扫描，所产生的非平衡载流子空穴在电场的作用下不断地进行漂移右扫描，所产生的非平衡载流子空穴在电场的作用下不断地进行漂移运动，并依次叠加，最后在读出区取出，从而实现了目标信号在探测运动，并依次叠加，最后在读出区取出，从而实现了目标信号在探测运动，并依次叠加，最后在读出区取出，从而实现了目标信号在探测运动，并依次叠加，最后在读出区取出，从而实现了目标信号在探测器内的延迟与叠加器内的延迟与叠加器内的延迟与叠加器内的延迟与叠加ØØ条件：条件：条件：条件： 1 1））））ØØ 2 2））））d d偏流偏流偏流偏流I IIIIIIIIIIIl l偏置偏置偏置偏置l lDD读出信号读出信号读出信号读出信号SPRITESPRITE工作原理图工作原理图工作原理图工作原理图9/9/20249/9/20245353五、小结五、小结——典型光电导探测器典型光电导探测器响应时间响应时间响应时间响应时间( (μs)μs)光谱范围光谱范围光谱范围光谱范围( (μm)μm)D D* *（（（（cm Hzcm Hz1/2 1/2 WW-1-1））））CdSCdS10103 3～～～～10106 60.3~0.8(0.3~0.8(常温常温常温常温) )1 1～～～～7×107×108 8( (常温常温常温常温) )、、、、10109 9~10~101010（制冷）（制冷）（制冷）（制冷）CdSeCdSe500500～～～～10106 60.4~0.8(0.4~0.8(常温常温常温常温) )1 1～～～～7×107×108 8( (常温常温常温常温) )、、、、10109 9~10~101010（制冷）（制冷）（制冷）（制冷）PbSPbS～～～～1001001~51~56×106×101010（（（（77K77K））））PbSePbSe～～～～1001001~51~5（常温）（常温）（常温）（常温）～～～～10101010（制冷）（制冷）（制冷）（制冷）HgHgx xCdCd1-x1-xTeTe<1<11~3, 3~5, 8~141~3, 3~5, 8~1410101010~10~101212( (制冷制冷制冷制冷) )9/9/20249/9/20245454作业作业ØØ118118118118页：页：页：页：5 5 5 5、、、、6 6 6 6 题题题题ØØ用单页纸答题用单页纸答题用单页纸答题用单页纸答题ØØ作业情况记入期末成绩，约占作业情况记入期末成绩，约占作业情况记入期末成绩，约占作业情况记入期末成绩，约占10101010％。

％ØØ3 3 3 3月月月月29292929日（下次上课时）交日（下次上课时）交日（下次上课时）交日（下次上课时）交9/9/20249/9/20245555。