【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 了得到較大的電流增益 M，總是設(shè)法減小極間距離 L。但這又使 增大。導(dǎo)致器件時(shí)????間常數(shù)增大，使響應(yīng)頻率減小。所以一般說(shuō)，光敏電阻的響應(yīng)頻率比較低，響應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng)，這也是它的不利因素之一。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。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)后圖 硫化鎘光敏電阻的暗態(tài)前歷效應(yīng)曲線14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。圖 硫化鎘光敏電阻亮態(tài)前歷效應(yīng)曲線穩(wěn)定特性一般來(lái)說(shuō)，光敏電阻的阻值隨溫度變化而變化的變化率在弱光照和強(qiáng)光照時(shí)都較大，而在中等光照時(shí)則較小。例如，CdS 光敏電阻的溫度系數(shù)在 10 lx 照度時(shí)約為 0；照度高于 10 lx 時(shí)，溫度系數(shù)為正；小于 10 lx 時(shí)，溫度系數(shù)反而為負(fù)。照度偏離 10 lx愈多，溫度系數(shù)也愈大。另外。當(dāng)環(huán)境溫度在 0 60℃的范圍內(nèi)時(shí)，光敏電阻的響 l 命速度幾乎不變；而在低溫環(huán)境下，光敏電阻的響應(yīng)速度變慢。例如，30℃時(shí)的響應(yīng)時(shí)間約為十 20℃時(shí)的 2倍。最后，光敏電阻的允許功耗隨著環(huán)境溫度的升高而降低。這些特性都是實(shí)際使用中應(yīng)注意到的。噪聲特性光電導(dǎo)探測(cè)器的噪聲主要是由三個(gè)噪聲源所貢獻(xiàn)的，它們是產(chǎn)生一復(fù)合（gr）噪聲、熱噪聲和 1/f 噪聲?？偟木皆肼曤娏骺蓪?xiě)為15??2??=4??????2???? 11+4π2??2τ2??+??2???????? +4???????????0 （）它的有效值為????={4??????2???? 11+4π2??2τ2??+??2???????? +4???????????0 }1/2 （）式中 ， 為載流子壽命， 為探測(cè)器的等效電阻。??=????+????+???? ???? ??0當(dāng) f 時(shí)，產(chǎn)生一復(fù)合噪聲項(xiàng)不再與頻率有關(guān)；當(dāng) f 時(shí)。產(chǎn)生?1/（2πτ??） ?1/（2πτ??）一復(fù)合噪聲明顯減小。1/ f 噪聲項(xiàng)中的比例系數(shù) A ，當(dāng) f1 kHz 時(shí)，這一噪聲≈1011項(xiàng)可以忽略不計(jì)。最后一項(xiàng)是探測(cè)器的熱噪聲。光電導(dǎo)探測(cè)器這三種噪聲源的噪聲功率譜在頻帶中的相對(duì)貢獻(xiàn)如圖 所示。圖 相對(duì)噪聲功率譜 時(shí)間響應(yīng)特性及改善光敏電阻受光照后或被遮光后，回路電流并不立即增大或減小，而是有一段響應(yīng)時(shí)間。圖 顯示出了光敏電阻響應(yīng)速度的測(cè)定電路及其示波器波形。光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)是由電流上升時(shí)間 和衰減時(shí)間 表示的。圖 中給出了 和 的定義。通???? ???? ??γ ????常，CdS 光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間約為幾十毫秒到幾秒；CdSc 光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間約為 s；PbS 的響應(yīng)時(shí)間約為 s。102~103 104值得注意的是，光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間隨入射光的照度、所加電壓、負(fù)載電阻及照度變化前電阻所經(jīng)歷的時(shí)間（稱為前歷時(shí)間）等因素有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，照度愈強(qiáng)，響16應(yīng)時(shí)間愈短；負(fù)載電阻愈大， 愈短、 愈長(zhǎng)；暗處放置時(shí)間愈長(zhǎng)，響應(yīng)時(shí)間也相應(yīng)愈??γ ????長(zhǎng)。實(shí)際應(yīng)用中，盡量提高使用照明度，降低所加電壓，施加適當(dāng)偏置光照，使光敏電阻不是從完全暗狀態(tài)開(kāi)始受光照，都可以使光敏電阻的時(shí)間響應(yīng)特性得到一定改善。圖 響應(yīng)特性測(cè)定電路及其波形。 PN 結(jié)光伏探測(cè)器利用 PN 結(jié)的光伏效應(yīng)而制做的光電探測(cè)器稱為光伏探測(cè)器。 光電轉(zhuǎn)換原理為了便于理解在后而將要引入的光伏探測(cè)器的等效電路，我們先討論一下光伏探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換規(guī)律。PN 結(jié)光伏探測(cè)器的典型結(jié)構(gòu)及作用原理如圖 所示。為了說(shuō)明光功率轉(zhuǎn)換成光電流的關(guān)系，設(shè)想光伏探測(cè)器兩端被短路，并用一理想電流表記錄光照下流過(guò)回路的電流，這個(gè)電流常常稱為短路光電流 。假定光生電子一空穴對(duì)在 PN 結(jié)的結(jié)區(qū)，即耗????盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生。由于內(nèi)電場(chǎng) 的作用，電子向 N 區(qū)、空穴向 P 區(qū)漂移運(yùn)動(dòng)，被內(nèi)電場(chǎng)分????離的電子和空穴就在外回路中形成電流 。就光電流形成的過(guò)程而言，光伏探測(cè)器和????光電導(dǎo)探測(cè)器有十分類似的情況。為此，我們把討論光電導(dǎo)探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換關(guān)系所導(dǎo)出的式（2. 3 一 3）改寫(xiě)為17??φ=∫??0??????????ν?ηα（ 1??） ??????（ α??） ????=∫??0??????ν?ηα（ 1??） ??????（ α??） ???? （）式中 Q= 是光電導(dǎo)探測(cè)器中一個(gè)光生電子所貢獻(xiàn)的總電荷量。從上式可見(jiàn)，除 ??????了 Q 項(xiàng)外，光伏和光導(dǎo)的其它物理量都可以用同一種形式描述。（a ）典型結(jié)構(gòu)；（b）作用原理圖 光伏探測(cè)器典型結(jié)構(gòu)和作用原理 光伏探測(cè)器的工作模式光伏探測(cè)器和光電導(dǎo)探測(cè)器不同，光伏探測(cè)器的工作特性要復(fù)雜一些。光伏探測(cè)器通常有光電池和光電二極管之分。也就是說(shuō)，光伏探測(cè)器有著不同的工作模式。因此在具體討論光伏探測(cè)器的工作特性之前，首先必須弄清楚它的工作模式問(wèn)題。PN 結(jié)光伏探測(cè)器等效為一個(gè)普通二極管和一個(gè)恒流源（光電流源）的并聯(lián)，如圖（b）所示。它的工作模式則由外偏壓回路決定，在零偏壓時(shí)（見(jiàn)圖 2. 10（c） ）稱為光伏工作模式。當(dāng)外回路采用反偏壓 V 時(shí)（見(jiàn)圖 （d） ） ，即外加 P 端為負(fù)、N 端為正的電壓時(shí)，稱為光導(dǎo)工作模式。18圖 （a ）伏探測(cè)器的符弓；（ b）等效電路；（c ）光伏工作模式；（d）光導(dǎo)工作模式我們知道，普通二極管的伏安特性為????=??????[exp（ ??????????） 1] （）因此，光伏探測(cè)器的總伏安特性應(yīng)為 和 之和，考慮到二者的流動(dòng)方向，我們有??????????=??????φ=??????[exp（ ??????????） 1]??φ （）式中，i 是流過(guò)探測(cè)器的總電流，e 是電子電荷，u 是探測(cè)器兩端電壓， 是玻耳????茲曼常數(shù)，T 是器件的絕對(duì)溫度。以式（）中 i 和 u 為縱橫坐標(biāo)繪制曲線，就是光伏探測(cè)器的伏安特性曲線，如圖 所示。從圖可見(jiàn)，第一象限是正偏壓狀態(tài)， 本來(lái)就很大，所以光電流 不起???? ????重要作用。作為光電探測(cè)器，工作在這一區(qū)域沒(méi)有意義。第三象限是反偏壓狀態(tài)，這時(shí) ，它是普通二極管中的反向飽和電流，現(xiàn)在稱為暗電流（對(duì)應(yīng)于光功率 P=0） ，????=??????數(shù)值很小，這時(shí)的光電流（等于 ）是流過(guò)探測(cè)器的主要電流，這對(duì)應(yīng)于光導(dǎo)工作?????????模式。通常把光導(dǎo)工作模式的光伏探測(cè)器稱為光電二極管，因?yàn)樗耐饣芈诽匦耘c光電導(dǎo)探測(cè)器十分相似。在第四象限中外偏壓為零。流過(guò)探測(cè)器的電流仍為反向光電流，隨著光功率的不同，出現(xiàn)明顯的非線性。這時(shí)探測(cè)器的輸出是通過(guò)負(fù)載電阻 上的電壓或流過(guò) 上的???? ????電流來(lái)體現(xiàn)的，因此稱為光伏工作模式。通常把光伏工作模式的光伏探測(cè)器稱為光電池。應(yīng)特別注意，光電流總是反向電流，而光電流在 上的電壓降對(duì)探測(cè)器產(chǎn)生正向????19偏置稱為自偏壓，當(dāng)然要產(chǎn)生正向電流。最終兩個(gè)電流抵消，伏安曲線中比于橫軸上。光電池和光電二極管的工作特性有著明顯的差別，詳細(xì)情況將在下而兩節(jié)中專門(mén)討論。圖 光伏探測(cè)器的伏安特性 Si 光電二極管的構(gòu)造與特性分析以光導(dǎo)模式工作的結(jié)型光伏探測(cè)器稱為光電二極管，它在微弱、快速光信號(hào)探測(cè)方面有著非常重要的應(yīng)用。為了提高它的工作性能，人們做了大量的研究工作，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)良的新品種。概括起來(lái)，有 Si 光電二極管、PIN Si 光電二極管、雪崩光電二極管（記為 APD） ，肖特基勢(shì)壘光電二極管、 HgCdTe 光伏二極管、光子牽引探測(cè)器以及光電二極管等等。下面主要介紹 Si 光電二極管。制造一般光電二極管的材料幾乎全部選用硅或鍺的單晶材料。由于硅器件較之鍺器件暗電流溫度系數(shù)小得多，加之制作硅器件采用的平面工藝使其管芯結(jié)構(gòu)很容易精確控制，因此硅光電二極管得到了廣泛應(yīng)用。20結(jié)構(gòu)原理硅光電二極管的兩種典型結(jié)構(gòu)如圖 所示。其中圖（a）是采用 N 型單晶硅和擴(kuò)散工藝，稱 N 結(jié)，它的型號(hào)是 2CU 型。而圖（b）是采用 P 型單晶和磷擴(kuò)散工藝，??+稱 P 結(jié)，它的型號(hào)為 2DU 型。光敏芯區(qū)外側(cè)的 環(huán)區(qū)稱為保護(hù)環(huán)，其目的是切斷??+ ??+感應(yīng)表面層漏電流。使暗電流明顯減小。硅光電二極管的電路中的符號(hào)及偏置電路也在圖 2. 12 中一并畫(huà)出，一律采用反向電壓偏置。有環(huán)極的光電二極管有三根引出線，通常把 N 側(cè)電極稱為前極，P 側(cè)電板稱為后極。環(huán)極接偏置電源的正極。如果不用環(huán)極，則把它斷開(kāi)，空著即可。（a ）2CU 型；（b）2DU 型圖 硅光電二極管兩種典型結(jié)構(gòu)光譜響應(yīng)特性和電流靈敏度Si 光電二極管具有一定的光譜響應(yīng)范圍。圖 給出了 Si 光電二極管的光譜響應(yīng)曲線。常溫下，Si 材料的禁帶寬度為 1. 12 m，長(zhǎng)波限約為?? m。由于入射波長(zhǎng)愈短，管芯表面的反射損失就愈大，從而使實(shí)際管芯吸收的能量??愈少，因而就產(chǎn)生了短波限問(wèn)題。 Si 光電二極管的短波限約為 m。??Si 光電二極管的電流靈敏度主要決定于量子效率 。在峰值波長(zhǎng) m 條件下，????50%。電流靈敏度 A/ 。?? ????≥?? ????光電變換的伏安特性分析21圖 Si 光電二極管的光譜響應(yīng)曲線我們己經(jīng)知道，光電二極管是一種以光導(dǎo)模式工作的光伏探測(cè)器，其等效電路己在圖 中給出。因?yàn)楣怆姸O管總是在反向偏壓下工作，所以 。 和????=????????????都是反向電流。為了符合人們通常的觀察習(xí)慣，我們將圖 一 2 （b）中，光 電 流 ????的 i 和 u 方向倒轉(zhuǎn)，就可以在第一象限位置表示第二象限（光導(dǎo)模式工作區(qū)）的伏安特性，如圖 2. 6 一 2（a ）所示。其中，彎曲點(diǎn) 所對(duì)應(yīng)的電壓值 稱為曲膝電壓。為了??’ ??’分析方便，經(jīng)線性化處理后的特性曲線如圖 2. 6 一 2（b）所示。其中，Q 為直流工作點(diǎn)，g、 和 為各斜線與水平軸夾角的正切，意義是：是光電二極管的內(nèi)電導(dǎo)，其值??‘ ????等于管子內(nèi)阻的倒數(shù)； 是光電二極管的飽和電導(dǎo)，顯然，如果光電二極管的內(nèi)電導(dǎo)超??‘過(guò) 值，則表明光電二極管己進(jìn)入飽和導(dǎo)通的工作狀態(tài)； 為負(fù)載電導(dǎo)，其值等于負(fù)??‘ ????載電阻值的倒數(shù)。（a ） 伏安特性；（b）線性化處理22圖 光電二極管的伏安特性和線性化處理噪聲特性由于光電二極管常常用于微弱光信號(hào)的探測(cè)，因此了解它的噪聲性能是十分必要的。圖 是硅光電二極管的噪聲等效電路。對(duì)高頻應(yīng)用，兩個(gè)主要的噪聲源是散粒噪聲 和電阻熱噪聲 。輸出噪聲電流的有效值??2???? ??2????????=[??2????+??2????]12=[2??（ ????+????+????） ???+4????????????? ]1/2 ()相應(yīng)的噪聲電壓????=????????=[2??（ ????+????+????） ????2???+4?????????????]1/2 （） 式中， 分別是信號(hào)電流、背景光電流和反向飽和暗電流的平均值。由上????、????、????式可見(jiàn)，從材料及制造工藝上盡量減小 ，并合理選取負(fù)載電阻 是合理減小噪聲的???? ????有效途徑。圖 光電二極管的噪聲等效電路 頻率響應(yīng)特性及改善探討硅光電二極管的頻率特性是半導(dǎo)體光電器件中最好的一種，因此特別適宜于快速變化的光信號(hào)探測(cè)。光電二極管的頻率響應(yīng)主要由二個(gè)因素決定：①光生載流子在耗盡層附近的擴(kuò)散時(shí)間；②光生載流子在耗盡層內(nèi)的漂移時(shí)間；③與負(fù)載電阻 并聯(lián)的結(jié)電容 所決定???? ????的電路時(shí)間常數(shù)。擴(kuò)散時(shí)間 ???????? 由半導(dǎo)體物理可知，擴(kuò)散是個(gè)慢過(guò)程，擴(kuò)散時(shí)間23τ??????=??22???? （）式中 d 是擴(kuò)散進(jìn)行的距離， 是少數(shù)載流子的擴(kuò)散系數(shù)。????如果以 P 型 Si 為例。電子擴(kuò)散進(jìn)行距離為 5 m，擴(kuò)散系數(shù)為 3. 4 X ，式102??2/??（）給出的 = 3. 7 X s。作為高速響應(yīng)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)很可觀的時(shí)間