华中科技大学《光电探测》4光电导探测器
光电探测器中光电导增益原理
光电探测器中光电导增益原理
光电探测器中光电导增益的原理是基于光电导效应。
当光照射在光电导材料上时，光子与材料中的电子相互作用，使电子从束缚态跃迁到自由态，形成非平衡载流子（即光生载流子）。
这些光生载流子在电场的作用下定向移动，形成光电流。
具体来说，光电导型光电探测器由半导体材料和欧姆接触电极构成。
当半导体吸收光子后，产生自由载流子，这些载流子在电场的作用下移动，从而在电极之间产生电势差或电压。
这个电压的大小与入射光的强度成正比，因此实现了光信号到电信号的转换。
在这个过程中，少数载流子的寿命决定了光电导增益的大小。
少数载流子寿命越长，能够产生的光电流越大，增益越高。
但同时，响应速度也会降低。
因此，需要在光电导增益和响应速度之间进行权衡。
以上信息仅供参考，建议查阅关于光电导增益的专业书籍或者咨询专业人士获取更多信息。
关于光电导探测器的调查报告
关于光电导探测器的调查报告1.工作原理和特性利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件。
所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。
光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。
在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。
光电导体的另一应用是用它做摄像管靶面。
为了避免光生载流子扩散引起图像模糊，连续薄膜靶面都用高阻多晶材料,如PbS-PbO、Sb2S3等。
其他材料可采取镶嵌靶面的方法，整个靶面由约10万个单独探测器组成。
光电导效应是内光电效应的一种。
当照射的光子能量hv等于或大于半导体的禁带宽度Eg时，光子能够将价带中的电子激发到导带，从而产生导电的电子、空穴对,这就是本征光电导效应。
这里h是普朗克常数，v是光子频率,Eg是材料的禁带宽度（单位为电子伏）。
因此，本征光电导体的响应长波限λc为λc=hc/Eg=1.24/Eg(μm)式中c为光速。
本征光电导材料的长波限受禁带宽度的限制。
在60年代初以前还没有研制出适用的窄禁带宽度的半导体材料，因而人们利用非本征光电导效应。
Ge、Si等材料的禁带中存在各种深度的杂质能级，照射的光子能量只要等于或大于杂质能级的离化能，就能够产生光生自由电子或自由空穴。
非本征光电导体的响应长波限λ由下式求得λc＝1.24/E i式中Ei代表杂质能级的离化能。
到60年代中后期，Hg1-xCdxTe、PbxSn1-xTe、PbxSn1-xSe 等三元系半导体材料研制成功,并进入实用阶段。
它们的禁带宽度随组分x值而改变，它与工作在同样波段的Ge：Hg探测器相比有如下优点：①工作温度高（高于77K），使用方便,而Ge:Hg工作温度为38K。
②本征吸收系数大,样品尺寸小。
③易于制造多元器件。
2.常用的光电导探测器材料在射线和可见光波段有：CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge等;在近红外波段有：PbS、PbSe、InSb、Hg0.75Cd0.25Te等;在长于8微米波段有:Hg1-xCdxTe、PbxSn1-x、Te、Si掺杂、Ge掺杂等；CdS、CdSe、PbS等材料可以由多晶薄膜形式制成光电导探测器。
光电探测器
单光子雪崩二极管探测器构成和分类
SPAD探测成像技术主要包括： 单光子雪崩二极管、雪崩淬灭电路、雪崩信号读取电路三部分
其中淬灭电路，分为： 被动式淬灭、主动式淬灭、门脉冲淬灭 雪崩信号读取电路，根据每次能够读出的像素数目可分为： 像素串行读出、像素并行读出、列并行读出
三 单光子雪崩二极管的工作原理
Vs ( ) RV ( ) P ( )
I s ( ) RI ( ) P ( )
④ 频率响应度
频率响应度R(f)：响应度随入射光频率而变化的性能 参数。其表达式为：
R0 R( f ) [1 (2f ) 2 ]1/ 2
式中R(f)为频率为f 时的响应度；R0为频率为零时的响 应度；为探测器的响应时间或称时间常数,由材料和外 电路决定。
单光子雪崩二极管的工作原理
单光子雪崩二极管就是利用APD 的雪崩效应使光电流得 到倍增的高灵敏度的光子检测器。理论上，当APD 的反 向偏压无限接近其雪崩阈值电压时，认为电流增益接近 无穷大；实际上，当APD 的反向偏压不超过雪崩电压时， 电流增益增长到一定量就会饱和 ，该饱和值无法确保 APD 一定能够检测到单光子信号。因此，通常使APD 两 端的偏置电压高于其雪崩电压，确保当有光子信号到达 时，APD 会被迅速触发而产生雪崩，这种偏置方式称为 盖革模式。由于APD 只有工作在盖革模式下才具备单光 子探测能力，所以通常直接用单光子雪崩二极管（SPAD） 来表示。
SPAD的探测机理
拉通结构将吸收区和倍增区合二为一，漂移区和倍增区分开， 这种特点保证了SPAD高量子效率、高响应速度和高内部增益的 优点。宽尺寸的π 区能够吸收大部分的入射光子，并确保只有 在该区产生的光生载流子才能进入倍增区引发碰撞电离。N+区 和P 区都很窄，所以光生空穴进入高场区中发生碰撞电离的贡 献很小；π 区的光生空穴向相反方向运动，不可能进入高场倍 增区。另一方面，硅材料中空穴离化率比电子离化率小的多， 所以硅雪崩管主要是靠电子在倍增区产生碰撞电离。噪声主要 由雪崩过程的随机起伏引起，只有一种载流子引起碰撞电离， 噪声也就比较小。
光电导探测器的工作原理
光电导探测器的工作原理小伙伴，今天咱们来唠唠光电导探测器这个超有趣的东西。
光电导探测器呢，就像是一个特别敏感的小卫士，专门感知光的世界。
你知道吗？它的工作原理其实还挺好玩的。
在光电导探测器里呀，有一些特殊的材料。
这些材料就像是一群乖巧又有点小脾气的小精灵。
平常呢，它们内部的电子就像是在自己的小家里休息，秩序井然。
但是一旦有光照射过来，就像是一场热闹的派对开始了。
光可是带着能量来的哦，这个能量就像一把神奇的钥匙。
当光照射到这些材料上的时候，它就把那些原本被束缚着的电子给解放出来了。
就好比把在小屋里睡觉的小精灵给唤醒，然后让它们可以自由地跑来跑去啦。
你看，原本这些材料的导电性是有一定规律的。
可是随着光的到来，那些被解放的电子就开始在材料里横冲直撞，这就使得材料的导电性发生了变化。
这就好像是原本平静的小街道，突然多了好多跑来跑去的小动物，一下子变得热闹非凡，而且道路也变得更“通畅”了，电流通过就更容易了。
而且哦，这个光电导探测器特别聪明呢。
它能根据光的强弱来改变自己的导电性。
光强的时候，就有更多的电子被解放出来，导电性就变得更强；光弱的时候呢，被解放的电子少一些，导电性的变化也就小一点。
就像是它能根据派对的热闹程度来调整自己的状态一样。
这种根据光改变导电性的特性，让光电导探测器有了好多厉害的用途。
比如说在一些自动感应的灯里，当周围环境暗下来，光变弱了，光电导探测器就会察觉到，然后给电路一个信号，灯就亮起来啦。
就像它在黑暗中悄悄说：“太暗啦，该开灯啦。
”而在一些安防设备里，它也能发挥大作用。
如果有可疑的光线变化，它也能及时发现，就像一个警惕的小眼睛，守护着周围的安全。
光电导探测器还有一个很有趣的地方呢。
它就像一个小小的桥梁，连接着光的世界和电的世界。
光带来的信息通过它转化成了电信号，这样我们就能用各种电子设备来处理这些信息啦。
比如说在相机里，光电导探测器可以把光线的信息转化成电信号，然后经过处理，就变成了我们看到的美丽照片。
《光电探测器》PPT课件
t 响应速度受三个因素的限制：载流子的扩散时间
t ，耗尽层中漂移时间 diff
dr
和耗尽层电容C与负载电阻R之乘积所决定的RC时间常数。
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8.3光敏二极管
6、光敏二极管的一般特性 c、噪声特性 噪声源：热噪声、散粒噪声 热噪声-主要负载； 散粒噪声-信号光电流，背景光电流，反向饱和电流
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8.2光敏电阻
1 、 光敏电阻简介
特点：
•光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）； •偏置电压低，工作电流大； •动态范围宽，既可测强光，也可测弱光； •光电导增益大，灵敏度高； •无极性，使用方便； •在强光照射下，光电线性度较差 •光电驰豫时间较长，频率特性较差。
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本征半导体的光电导效应。当光子能量E光大于或等于禁带宽度Eg时，光 子把价带中的电子激发到导带，出现自由电子和自由空穴时，从而使材料的
电阻率降低。电导率增加。
E光 =
hc
1240
Eg
1240
Eg
引入长波限λ0，若波长长于λ0， 即无本征吸收
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8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理
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8.2光敏电阻
4、光敏电阻的参数与特性 b.响应灵敏度 能够产生光致导电的光主要是波长接近光谱响应峰值的光，这种
光能把电子直接由价带激发导导带。但是，实际上，光把光电导体
中的杂质和晶格缺陷所形成的能级中的电子激发到导带的情况是很
多的，而这些能级与导带间的宽度比禁带宽度要窄的多。这就意味
着，光电导体对波长长于峰值波长的光也具有响应灵敏度，而且，
光电探测器的性能与参数
依照这一判据，定义探测器的通量阈Pth为
02
06
04
01
03
05
02
01
05
03
02
04
探测器的噪声功率N ∝Δf，所以
01
于是由D的定义知
02
另一方面，探测器的噪声功率N∝ A
03
所以
04
又有
05
把两种因素一并考虑，
定义
称为归一化探测度。
这时就可以说：D*大的探测器其探测能力一定好。 考虑到光谱的响应特性，一般给出D*值时注明响应波长λ、光辐射调制频率f及测量带宽Δf，即D*(λ, f ,Δf )。
以u，P，λ为参变量，i＝F（f）的关系称为光电频率特性，相应的曲线称为频率特性曲线。 同样，i=F (P)及曲线称为光电特性曲线。 i＝F (λ)及其曲线称为光谱特性曲线。 而i＝F (u)及其曲线称为伏安特性曲线。 当这些曲线给出时，灵敏度R的值就可以从曲线中求出，而且还可以利用这些曲线，尤其是伏安特性曲线来设计探测器的使用电路。
知识延伸
了解半导体光电探测器的发展及应用。
半导体光电探测器由于体积小，重量轻，响应速度快，灵敏度高，易于与其它半导体器件集成，是光源的最理想探测器，可广泛用于光通信、信号处理、传感系统和测量系统。最近几年，由于超高速光通信、信号处理、测量和传感系统的需要，需要超高速高灵敏度的半导体光电探测器。为此，发展了谐振腔增强型（RCE）光电探测器、金属半导体-金属行波光电探测器，以及分离吸收梯度电荷和信增（SAGCM）雪崩光电探测器（APD）等。
探测器件
热电探测元件
光子探测元件
气体光电探测元件
外光电效应
内光电效应
非放大型
光电探测器偏置电路
I
max
为保证最大线性输出条件，负载 Imax
M
I
线和由Φmax对应的伏安曲线的 Imin
交点不能低于M点。
H
tg 1G
min 0
V
G0V0=Gb(Vb-V0)
tg 1G0V0 V Vmaxtg 1Gb Vb
• 设负载线拐点M点，由图可得
Gb
G0
V0 Vb V0
s max
Vb
(1
G G0
)
s max G0
例：用2DU测缓变辐射通量。已知2DU的 电流灵敏度 0.4A/W ，在测光范围中最大 辐射通量100μW,伏安特性曲线的拐点电 压VM=10V，若电源电压Vb=15V。
要求负载线建立在线性区内。求：
（1）保证输出电压最大时的Rbmax=? （2）辐射通量变化10μW时，输出电压的
变化量。
解：依题画出如下简图
V tg 1G0V0 V Vmaxtg 1Gb Vb
由H点：
Gb (Vb Vmax ) GVmax Smin
Vmax
GbVb Smin G G0
由M点： Gb (Vb V0 ) GV0 Smax
V
Vmax
V0
S (max min ) G G0
S G G0
V0
GbVb Smax G G0
二、光电导探测器三种特殊偏置方式及其 特点分析
1.三种常用的偏置方式
1）恒流偏置
VB
当选定RL>>Rs ，则
Rl
A
VB
Il
VB Rl Rs
VB Rl
Rs
与Rs无关。
即在工作过程中流过探测器的电流是一恒定电流。
光电技术 第4-2节 光电导探测器
所谓短态前历效应是指被测光敏电阻在 无光照条件下放置一段短时间（如三分钟） 后，再在1lx光照下测量它在不同时刻的阻值 （如1秒后的阻值）R1 ，求出此阻值与稳态 时阻值R0的百分比R1/R0，这就是短态前历效 应或暗态前历效应。所谓中态前历效应是将 光敏电阻在无光照条件下存放24小时，在 100lx光照度下放置15分钟，再放在100lx下 测阻值 R2 ，则中态前历效应为（又称亮态前 历效应）。 R2 R1
R1 100%
附：光敏电阻暗态前历效应：
时间s 阻值k
时间s 阻值k
1 6.5 20 5.2
R1/R2
2 6 30 5.2
77 ﹪
5 5.5 60 5.1
10 5.2 90 5.0
15 5.2 120 5.1
Cd S 亮态前历效应：
元件编号 1 2 3 4 5 6 7 8 R1（ k） R2( k) 2.74 2.89 5.06 5.24 2.25 2.39 2.42 2.60 1.45 1.48 2.23 2.31 3.58 3.69 5.40 5.62
在弱光下， 1 称直线性光电导。在强光照时 =0.5，在其它光照时，0.5≤ ≤1。 一般，光电流和照度关系曲线如右。在 实际应用范围（0.1～104lux），有可能制造 出 接近于1的光敏电阻，这时应有
I p S gVE g p E
式中 g p S gV 称为光电导 在器件中流过的电流是光电流 I p与暗电流 I d 之 和。
由光电导效应可知，光敏电阻在受到光照或停 止光照时，光生载流子的产生或消失都要经过一段 时间，这就是光敏电阻的响应时间或驰豫时间。它 t 反映了光敏电阻的惰性。 p (t ) p0 exp( ) 此处 是光敏电阻的下降时间。在突然加光照时，
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在可见光区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线
在红外区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线
几种常用的光敏电阻
紫外 硫化镉(CdS)和硒化镉(CdSe)
光
敏 电
可见
硫化铊(TiS)、硫化镉(CdS)和 硒化镉(CdSe)
阻
红外 硫化铅(PbS)、碲化铅(PbTe)
光敏电阻常用光电导材料
4.3 光敏电阻的基本偏置电路和噪声
一、基本偏置电路
Rp RL
Vb
IV<Pmax
由电路图：
I Vb RL Rp
VL
RL RL Rp
Vb
当光通量变化时，光敏电阻变化Rp，
电流变化 I：
I I
Vb
RL Rp Rp
I
RL
Vb Rp Rp
Vb RL Rp
Rp (RL
亮态前历效应
指光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与工作 时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象， 其效应曲线如下图所示。
低照度变为高照度
硫化镉光敏电阻亮 态前历效应曲线
高照度变为低照度
六、光谱特性
相对灵敏度与波长的关系曲线表示。从这种曲线中 可以直接看出灵敏范围、峰值波长位置和各波长下 灵敏度的相对关系。
价格低廉，光谱响应范围宽。
4.1 光敏电阻的工作原理与结构
工作原理：在均匀的具有光电导效应的半导体 材料的两端加上电极便构成光敏电阻。
当光敏电阻的两端加上适当的偏置电压Ubb，即 有电流Ip流过，可以检测到该电流。
电流的大小会 随入射光强度 的变化而变化
光敏电阻的原理图
符号
本 入射光子的能量大于或
A L
p N p
AL
材料的电导率的增加：＝q(n un+ p up) 光电导引起的光电流为：
Ip
VA
L
VAq(nun L
pup )
qNV
(
nun L2
pu p
)
光敏电阻的基本结构
4.２ 光敏电阻的主要特性参数
一、光电导的增益
光电导增益M 是表征光敏电阻特性的一个重要
参数，它表示长度为L的光电导两端加上电压V
0VA
L
VAq(n0un L
p0u p )
A：光电导体的横截面面积；
L：光电导体的长度
V：加在光电导体间的电压
un：电子的迁移率；up：空穴的迁移率 q：电子的电量
在光辐射作用下，设每单位时间产生N个电子
－空穴对，它们的寿命分别为n和p，那么由 于光辐射增加的电子和空穴浓度分别为：
n N n
征 等于半导体的禁带宽度 型 时能激发电子－空穴对
Eg
Ec
光 敏
0
hc Eg
1240 Eg
(nm)
Ev
电
阻
掺 杂 型
入射光子的能量大于 或等于杂质电离能时 就能激发电子空穴对
Eg
Ec
0
hc Eg
1240 E
(nm)
Ev
没有光照时的电流密度： jd 0E
没有光照时的电流：
Id
jd A 0EA
in2gr
4I 2 cf N0[1 (2f c )2 ]
I为光敏电阻的电流；N0为总的载流子数；c为 载流子寿命；f是以调制频率f为中心的通频带
宽度。
in2f
B1I 2f f
B1为常数；为常数，通常等于１；I为通过光 敏电阻的电流，等于暗电流和光电流之和。
in2t
4kT
(Rp RL )f Rp RL
Vb Rp )2
三种典型的偏置方式
a.恒流偏置 ，RL>>Rp
I Vb RL
b.恒压偏置，RL<< Rp
VL Sg Vb RL
c.恒功率偏置，RLRp
P
I LVL
Vb2 4RL
Vb Rp RL
设入射于光敏电阻的辐射为调制辐射正弦，如：
(t) (1 sint)
Rp RL
Vb 基本偏置电路
gp称为光敏电阻的光电导。 考虑到光敏电阻的暗电流， 流过光敏电阻的电流为：
I I p ID g pV gdV Sg EV gdV
R(K)
1000
暗电阻
500
亮电阻
0
500
1000 E(lx)
电阻～照度关系曲线
五、前历效应
前历效应是指光敏电阻的时间特性与工作前 “历史”有关的一种现象。
ip ~ Rp
Cp
RL
VL
等效微变电路
二、噪声和等效电路 用光敏电阻检测微弱信号时；
需考虑器件的噪声： 热噪声、产生－复合噪声、１/f 噪声 光敏电阻若接收调制辐射，其噪声的等效电路如 图所示:
ip
Rp ingr int C inf
RL
噪声等效电路
ingr为产生－复合噪声电流，int为热噪声电流； inf为1/f噪声电流，其中
二、光谱响应率
光谱响应率表示在某一特定波长下，输出光电 流(或电压)与入射辐射能量之比
I p ()
qNM
q () h
M
q () h
tdr
响应率为
S() I p () q () M q
()
h () h tdr
三、频率特性
光敏电阻是依靠非平衡载流子效应工作的，非平衡 载流子的产生与复合都有一个时间过程，这个时间 过程在一定程度上影响了光敏电阻对变化光照的响 应。光敏电阻采用交变光照时，其输出将随入射光 频率的增加而减小。
光敏电阻的合成噪声的均方值为
in2
in2t
in2f
i2
ngr
in2
总噪声
产生复合噪声 １/f
热噪声
0
fc
f
§ 4.5 应用举例
光谱响应范围宽， 测光范围宽， 光敏电阻的重要特点是： 灵敏度高， 无极性之分, 价格便宜。
在可见光波段，光敏电阻主要用于光控场合， 较少用于光功率的定量探测。 在红外光波段，各种场合均用到光敏电阻。
4 光电导探测器 （PC:Photoconductive）
光电导效应：某些物质吸收了光子的能量产生本 征吸收或杂质吸收，从而改变了物质电导率的 现象称为物质的光电导效应。 光敏电阻：利用具有光电导效应的材料（如硅、 锗等本征半导体与杂质半导体，硫化镉、硒化 镉、氧化铅等）可以制成电导随入射光强度变 化器件，称为光电导器件或光敏电阻。 光敏电阻的优点：体积小，坚固耐用，
d.光敏电阻的温度特性很复杂，电阻温度系数 有正有负，一般说，光敏电阻不适于在高温 下使用，温度高时输出将明显减小，甚至无 输出。
e. 光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下只有 少数品种能超过1000Hz，而且光电增益与带 宽之积为一常量.
如要求带宽较宽，必须以牺牲灵敏度为代价。 f.设计负载电阻时，应考虑到光敏电阻的额定
入射光通量; E是入射光照度；
为照度指数，在0.5~1之间。
I p () SgV I p () SgVE
Ip(uA)
900 600 300
0 200 400 600 800 1000
E(lx)
பைடு நூலகம்
在弱光照情况下：照度范围内(10-1~104lx)，的值 接近于1。
I p () SgVE g pV
n n
n
tn
空穴增益系数可以表示为：
Mp
V L2
p p
p
tp
在半导体中，电子和空穴的寿命是相等的。
M
Mn
M
p
(1
tn
1 tp
)
tdr
tdr为载流子渡越极间距离L所需要的有效时间 光电导探测器的量子效率
表示输出的光电流与入射光子流之比。
设入射的单色辐射功率()能产生N个光电子， 则量子效率为
() N Nh () / h ()
由于材料不同，在性能上差别较大。 使用中应注意： a.当用于模拟量测量时，因光照指数γ与光照
强弱有关，只有在弱光照下光电流与入射辐 射通量成线性关系。 b.用于光度量测试仪器时，必须对光谱特性曲线 进行修正，保证其与人眼的光谱光视效率曲线
符合。
c.光敏电阻的光谱特性与温度有关，温度低 时，灵敏范围和峰值波长都向长波方向移 动，可采取冷却灵敏面的办法来提高光敏电 阻在长波区的灵敏度。
后，由光照产生的光生载流子在电场作用下所
形成的外部光电流与光电子形成的内部电流之
间的比值。
M
Ip qN
qNV ( nun pu p )
L2qN
V L2
n n
V L2
p
p
Mn Mp
速度为vn的光电子在两极间的渡越时间为：
tn
L vn
L
nE
L
n V
L
L2
n V
这样电子增益系数可以表示为：M n
V L2
前历效应有暗态前历与亮态前历之分。 暗态前历效应是指光敏电阻测试或工作前处于 暗态，当它突然受到光照后表现为暗态。
前历越长，光电流上升越慢。
其效应曲线如下图所示。
工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应 就越明显。
硫化镉光敏电阻的暗态前历效应曲线
1-黑暗放置3分钟后 2-黑暗放置60分钟后 3-黑暗放置24小时后
1-硒
2-硫化镉
3-硫化铊
4-硫化铅
四、光电特性和值
光电特性：光敏电阻的光电流与入射光通量之
间的关系
I
p
(
)
q
( h
)
tdr
弱光照射时，、tdr不变,光电流与光通量成正比， 即保持线性关系