《光电倍增光敏电阻》PPT课件.ppt

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1、光电子技术研究所 与与光光电电管管相相比比。阴阴极极 K、阳阳极极A以以及及管管壳壳外外，多多了了若若干干中中间间电极，倍增极或打拿极。电极，倍增极或打拿极。每相邻两个电极称为一级。每相邻两个电极称为一级。Vi为各级电压，总电压约为为各级电压，总电压约为千伏量级，从阴极千伏量级，从阴极K经打拿经打拿极极Di，到阳极到阳极A，形成逐级形成逐级递增的加速电场。递增的加速电场。光电发射探测器光电发射探测器光电倍增管光电倍增管让光探测变得容易，让光探测变得容易，即使是非常微弱的信即使是非常微弱的信号，也将成为可能。号，也将成为可能。光电子技术研究所 逐逐级级倍倍增增使使电电子子数数目目大大量量增增加加

2、，被被阳阳极极收收集集形形成成阳阳极极电电流流。当当光光信信号号变变化化时时，阴阴极极发发射射的的光光电电子子数数目目发发生生相相应应变变化化由由于于各各倍倍增增极极的的倍倍增增因因子子基基本本上上是是常常数数阳阳极电流随光信号而变化极电流随光信号而变化阴极在光照下发射光电子，光电子阴极在光照下发射光电子，光电子被极间电场加速聚焦，轰击倍增极，被极间电场加速聚焦，轰击倍增极，倍增极在高速电子轰击下产生更多倍增极在高速电子轰击下产生更多的电子，电子数目增大若干倍。的电子，电子数目增大若干倍。光电子技术研究所 光光电电倍倍增增管管的的性性能能主主要要由由光光阴阴极极和倍增极以及极间电压决定。和倍增

3、极以及极间电压决定。负负电电子子亲亲合合势势材材料料是是目目前前最最好好的的光阴极材料：光阴极材料：二二次次电电子子发发射射特特性性用用二二次次发发射射系系数来描述，即数来描述，即光电子技术研究所 可对微弱光线进行放大，可对微弱光线进行放大，可使光电流放大可使光电流放大10105 510108 8 倍，倍，灵敏度高，用在工程、天文、灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。科研、军事等方面。光电子技术研究所 如果倍增极的总级数为如果倍增极的总级数为n n，且各级性且各级性能相同，考虑到电子的传输损失，能相同，考虑到电子的传输损失，则光电倍增管的电流增益为则光电倍增管的电流增益为M M M=I

4、A/Ik=f（g）n良好的电子光学设计可良好的电子光学设计可使使f f、g g值在值在0 09 9以上。以上。式中式中n为倍增极级数，为倍增极级数，N为发射的电子数，为发射的电子数，n表示第表示第n级倍增极每一级倍增极每一个入射电子所能产生个入射电子所能产生的二次电子的倍数，的二次电子的倍数，即该级的电流增益。即该级的电流增益。式中式中IA为阳极电流，为阳极电流，Ik为阴极电流。为阴极电流。f为第一倍为第一倍增极对阴极发射电子的增极对阴极发射电子的收集效率，收集效率，g为各倍增为各倍增极之间的电子传递效率。极之间的电子传递效率。光电子技术研究所 例例如如，锑锑化化铯铯材材料料，0 02V2V，

5、银银镁合金的镁合金的VV4040，V(V(伏特伏特)若若取取n n1010，则则前前面面的的电电流流增增益益为为M M1010(0(02)2)l0l0V V7 7，后者的后者的 M M(V(V40)40)1010。理论和实验表明，倍增极的电流增益理论和实验表明，倍增极的电流增益值主要取决于倍增极材料和极间电压，值主要取决于倍增极材料和极间电压，可见，材料一定，总电流增益与极间电压的关可见，材料一定，总电流增益与极间电压的关系十分密切，工作电压微小变化将使系十分密切，工作电压微小变化将使M值有明值有明显的波动，这将使光电倍增管的工作不稳定。显的波动，这将使光电倍增管的工作不稳定。光电子技术研究所

6、 但过多的倍增级数将使光电倍但过多的倍增级数将使光电倍增管的管长加长，体积加大，增管的管长加长，体积加大，同时还将使电子渡越效应变得同时还将使电子渡越效应变得严重，影响严重，影响光电倍增管的频率光电倍增管的频率特性和噪声性能特性和噪声性能。M=IA/Ik=f（g）n从上述讨论可知，从上述讨论可知，n n和和愈大，愈大，M M值值就愈高。就愈高。光电子技术研究所 通通常常值值为为3 3-6 6，n n取取9 9-1414级级，M M为为10105 5-10107 7。负负电电子子亲亲合合势势打打拿拿极极的的值值可可高高达达2020-2525，这这可可使使级级数数n n大为减少又可得到良好的频率特

7、性。大为减少又可得到良好的频率特性。综合上述诸因素，一般选用较大的综合上述诸因素，一般选用较大的值和较少的级数。值和较少的级数。实验发现，随着工作电压增大，实验发现，随着工作电压增大，趋于一最大饱和值，趋于一最大饱和值，过此值后电压过此值后电压V再增大时再增大时反而变小。反而变小。光电子技术研究所 因因为为倍倍增增作作用用，最最后后三三级级倍倍增增极极的的电电流流较较大大。在在脉脉冲冲信信号号情情况况下下，将将突突然然使使这这几几级级极极间间电电压压下下降降，造造成成空空间间电电荷荷堆堆积积，反反而而使使阳阳极极电电流流下下降降。所所以以在在脉脉冲冲光光信信号号的的情情况况下下，必必须须采采用

8、用稳稳压压电电容容C1，C2，C3来防止这几级极间电压的突变。来防止这几级极间电压的突变。它适用于高速光脉它适用于高速光脉冲或强度调制的激冲或强度调制的激光信号的探测，若光信号的探测，若光信号为平稳的连光信号为平稳的连续光波则图中的续光波则图中的电容电容C1，C2，C3可以不用。可以不用。光电子技术研究所 它们分别取值为它们分别取值为C C3 3 100i100iA A/V/Vn+1n+1 C C2 2 C C3 3/n n C C1 1 C C2 2/n-1n-1由于阴极到第一打拿极之间，电子的聚由于阴极到第一打拿极之间，电子的聚焦、收集的好坏对阳极电流的影响最大，焦、收集的好坏对阳极电流的

9、影响最大，故其极间电压故其极间电压V比其它倍增极的极间电比其它倍增极的极间电压要取得高些，即分压电阻要取得大些，压要取得高些，即分压电阻要取得大些，中间各倍增极一般均匀分压。末级极间电中间各倍增极一般均匀分压。末级极间电压压Vn+1般取得低些，即般取得低些，即Rn+1，值取得小值取得小些。些。(Rn的量级为的量级为100500千欧姆千欧姆)。i iA A为阳极电流为阳极电流是脉冲信号的脉是脉冲信号的脉宽，宽，v vn+ln+l为末级电为末级电压，压，n n和和n n1 1分分别为第别为第n n级和级和n nl l级打拿极的二次级打拿极的二次电子发射系数电子发射系数光电子技术研究所 正高压正高压

10、负高压负高压供电方式供电方式 负负高高压压供供电电方方式式是是指指电电源源正正极极接接地地，使使阳阳极极输输出出直直接接接入放大器输入端而无需隔直流电容。接入放大器输入端而无需隔直流电容。优优点点是是便便于于用用直直流流法法测测量量阳阳极极输输出出电电流流，能能响响应应变变化化非常缓慢的光信号。非常缓慢的光信号。缺点是地处于高电位，易受外界电磁干扰，噪声大。缺点是地处于高电位，易受外界电磁干扰，噪声大。光电子技术研究所 正高压供电方式是指电源负极接地。这时阳极输出必正高压供电方式是指电源负极接地。这时阳极输出必须经过一耐高压低噪声的隔直流电容接入放大器输入须经过一耐高压低噪声的隔直流电容接入放

11、大器输入端。由于阴极电位与地电位接近，因而暗电流小，噪端。由于阴极电位与地电位接近，因而暗电流小，噪声低，适用于低噪声要求严格的光脉冲信号探测。声低，适用于低噪声要求严格的光脉冲信号探测。光电子技术研究所 光光电电倍倍增增管管的的光光电电特特性性曲曲线线在在相相当当宽宽的的范范围围内内为直线。如图为直线。如图(a)所示。所示。当光功率接近当光功率接近20微瓦时，微瓦时，特性曲线开始偏离直线，特性曲线开始偏离直线，出现饱和效应。出现饱和效应。原因是最后几级打拿极原因是最后几级打拿极的疲劳和电荷积累效应，的疲劳和电荷积累效应，使增益系数大大降低。使增益系数大大降低。光电子技术研究所 倍倍增增管管的

12、的显显著著特特点点是是适适于于微弱光信号的探测。微弱光信号的探测。在使用时要切忌过度光照。在使用时要切忌过度光照。由由于于光光电电子子从从阴阴极极到到阳阳极极要要渡渡越越较较长长的的距距离离，所所以以在在使使用用时时对对光光电电倍倍增增管管进进行行良良好好的的电电磁磁屏屏蔽蔽也也是是十十分重要的分重要的.光光电电倍倍增增管管的的伏伏安安特特性性曲曲线线与与真真空空光光电电管管的的伏伏安安特特性十分相似。性十分相似。光电子技术研究所 在在一一些些弱弱光光直直流流测测量量中中，信信号号电电流流小小到到与与暗暗电电流流可可以以比比拟拟的的程程度度，这这时时在在阳阳极极输输出出电电路路中中，可可采采用

13、用暗电流补偿的方法。暗电流补偿的方法。图图(a)是一种最简单的补偿电路。是一种最简单的补偿电路。在检流计上并联可变电阻且与电在检流计上并联可变电阻且与电池串联的支路，调节可变电阻，池串联的支路，调节可变电阻，产生一个反方向的电流。正好抵产生一个反方向的电流。正好抵消暗电流，即所谓调零。经补偿消暗电流，即所谓调零。经补偿之后，测出的就是信号电流。之后，测出的就是信号电流。由于暗电流经常变化，所以使用由于暗电流经常变化，所以使用时要随时调零。时要随时调零。光电子技术研究所 光电倍增管的响应频率为光电倍增管的响应频率为上式，可见，为获得足够上式，可见，为获得足够宽的频率响应，必须降低宽的频率响应，必

14、须降低负载电阻负载电阻R RL L，并相应地提高并相应地提高管子增益，保证有足够的管子增益，保证有足够的信号输出幅度。信号输出幅度。对于交流信号和脉冲信号，阳极对对于交流信号和脉冲信号，阳极对地电容不可忽略，它已是输出电路地电容不可忽略，它已是输出电路的组成部分。的组成部分。输出电路及其等效电路，如图输出电路及其等效电路，如图(b)所示。其中所示。其中Ca正是阳极对其他所有正是阳极对其他所有电极的电容、引线寄生电容、后继电极的电容、引线寄生电容、后继电子线路输入电容三者之和。输出电子线路输入电容三者之和。输出电路的时间常数电路的时间常数 cRLCa。光电子技术研究所 光电子技术研究所 光电倍增

15、管的噪声特性。光电倍增管的噪声特性。因因为为是是一一个个非非常常灵灵敏敏的的微微弱弱信信号号探探测测器器，它的噪声特性很重要。它的噪声特性很重要。对电磁屏蔽良好的光电倍增对电磁屏蔽良好的光电倍增管来说，其噪声主要来源是管来说，其噪声主要来源是暗电流、光信号电流、背景暗电流、光信号电流、背景光电流以及负载电阻的热噪光电流以及负载电阻的热噪声。如果光信号变化缓慢，声。如果光信号变化缓慢，还应考虑还应考虑1/f 噪声。噪声。光阴极的热电子发射所产生的光阴极的热电子发射所产生的暗电流暗电流iT的大小由理查逊的大小由理查逊（Richardson）方程决定，即方程决定，即光电子技术研究所 式中式中 为光阴

16、级量子效率，为光阴级量子效率，Ps和和Pb为信号和为信号和背景光功率。背景光功率。决定的散粒噪声为决定的散粒噪声为光电流光电流ik为为对纯金属，其值为对纯金属，其值为1.2106安安/（米（米2开开2），），A、T、E分别为光阴极的面积、分别为光阴极的面积、温度和功函数（温度和功函数（eV），），K为为玻尔兹曼常数。玻尔兹曼常数。所以总电流所以总电流iA为为光电子技术研究所 式中表示倍增过程的噪声贡式中表示倍增过程的噪声贡献，式中献，式中 是第一打拿极是第一打拿极的增益系数，的增益系数，为其余极的为其余极的增益系数，通常增益系数，通常F=1.2 左右。左右。所以光电倍增管的总噪声为所以光电倍增

17、管的总噪声为另外，负载电阻另外，负载电阻RL有热噪声有热噪声光电子技术研究所 在在光光照照下下会会改改变变自自身身的的电电阻阻率率，光光照照愈愈强强，器件电阻愈小器件电阻愈小光敏电阻。光敏电阻。光电导探测器光电导探测器本征型光敏电阻本征型光敏电阻:可见光和近红外辐射探测可见光和近红外辐射探测非本征型光敏电阻：必须在低温下工作中、远非本征型光敏电阻：必须在低温下工作中、远 红外辐射探测。红外辐射探测。由于光敏电阻没有极性，可把它当作阻值随光由于光敏电阻没有极性，可把它当作阻值随光照强度变化而变化的可变电阻来对待照强度变化而变化的可变电阻来对待。光电子技术研究所 光光电电导导探探测测器器的的光光谱

18、谱响响应应，主主要要由由材料和工艺过程决定。材料和工艺过程决定。CdS、CdSe和和PbS三种光敏电阻的光谱响应特性曲线三种光敏电阻的光谱响应特性曲线光电子技术研究所 光电导材料的响应截止波长和工作温度光电导材料的响应截止波长和工作温度光电子技术研究所 利利用用半半导导体体材材料料的的掺掺杂杂以以及及用用两两种种半半导导体体材材料料按按一一定定比比例例混混合合并并烧烧结结形形成成固固溶溶体体的的技技术术，可可使使光光敏敏电电阻阻的的光光谱谱响响应应范范围围、峰峰值值响响应应波波长长获获得一定程度的改善。得一定程度的改善。在在一一定定的的偏偏压压条条件件下下，光光敏敏电电阻阻的的光光照照特特性性

19、呈呈非线性关系，回路电流有非线性关系，回路电流有光电子技术研究所 式式中中u是是光光敏敏电电阻阻两两端端的的电电压压，见见图图所所示示，、k均均为为常常数数。K与与器器件件的的材材料料、尺尺寸寸、形形状状以以及及载载流流子子寿寿命命有有关关，值值一一般般在在之之间间，值值约约在在之之间间.在在低低偏偏压压（几几伏伏到到几几十十伏伏）、弱弱光光照照（101103勒克斯）条件下，通常取勒克斯）条件下，通常取 =1，=1。于是上式变为。于是上式变为这样无论是光照特性（这样无论是光照特性（I-P关系）还是伏安特关系）还是伏安特性（性（iu关系）都认为是线性特性。关系）都认为是线性特性。CdS的光的光照

20、特性如图所示，可见有明显的非线性。照特性如图所示，可见有明显的非线性。光电子技术研究所 光光敏敏电电阻阻的的暗暗电电阻阻在在10兆兆欧欧以以上上，光光照照后后电电阻阻值值显显著著降降低低，亮亮阻阻和和暗暗阻阻之之比比在在102-l06。这这一一比比值值越越小小光光敏敏电电阻阻的的灵灵敏敏度度越越高高，光光敏敏电电阻阻是是具具有有电电流内增益的探测器内增益流内增益的探测器内增益M为为式中可见，为了得到较大的电流增式中可见，为了得到较大的电流增益益M，总是设法减小极间距离总是设法减小极间距离L。M=nV/L2n为电子的迁移率。为电子的迁移率。V为为外加偏压，外加偏压，为电子的平为电子的平均寿命。均

21、寿命。L是半导体在外是半导体在外加电压方向的长度。加电压方向的长度。光电子技术研究所 光光电电导导探探测测器器的的实实际际结结构构，如如图图所所示示。掺掺杂杂半半导导体体薄薄膜膜淀淀积积在在绝绝缘缘基基底底上上，然然后后在在薄薄膜膜面面上上蒸蒸镀镀金金或或铜铜等等金金属属，形形成成梳梳状状电电极极结结构构。这这种种结结构构使使得得间间距距很很近近(即即L小小，M大大)的的电电极极之之间间，具具有有较较大大的的光光敏敏面面积积，从而获得高的灵敏度。从而获得高的灵敏度。为为防防止止潮潮湿湿对对灵灵敏敏度度的的影影响响，整整个个管管子子采采用用密密封结构。封结构。由由图图可可知知，光光敏敏电电阻阻两

22、两端端电电压压u为为 u=ViRL=iRg光电子技术研究所 由由负负载载电电阻阻R RL L决决定定的的负负载载线线为为图图上上的的NTNT直直线线。R Rg g为为P PO O光光照照时时的的亮亮电电阻阻，当当光光照照发发生生变变化化时时，R Rg g变为变为 R Rg g+R Rg g，电流变化电流变化式中负号表示光照增大时，式中负号表示光照增大时，Rg减小减小(0，增大。增大。光电子技术研究所 电流的变化，将引起电压电流的变化，将引起电压u的变化，即有的变化，即有由上式可见，输出电压由上式可见，输出电压u并不随负载电阻线并不随负载电阻线性变化，性变化，要使要使u最大的条件为最大的条件为

23、RL=RgRg是工作点是工作点Q处的亮电阻。这种状态称匹配工处的亮电阻。这种状态称匹配工作状态。显然，当入射光功率在较大的动态作状态。显然，当入射光功率在较大的动态范围内变化时，要始终保持匹配状态工作是范围内变化时，要始终保持匹配状态工作是困难的。这是光敏电阻的不利因素之一。困难的。这是光敏电阻的不利因素之一。光电子技术研究所 图图中中省省略略了了极极间间电电容容，这这在在入入射射光光功功率率变变化化频频率率较较高高时时，是不能忽略的。是不能忽略的。为为得得到到较较大大的的电电流流增增益益M M，总总设设法法减减小小极极间间距距离离，这这使使极极间间电电容容增增大大，导导致致器器件件的的响响应

24、应频频率率减减小小。是是光光敏敏电电阻阻的的不利因素。不利因素。光电子技术研究所 每一光敏电阻都有额定的最每一光敏电阻都有额定的最大耗散功率大耗散功率Pmax，工作时如工作时如果超过这一值，光敏电阻会果超过这一值，光敏电阻会很快损坏。因此。可得出偏很快损坏。因此。可得出偏置电压必须满足条件置电压必须满足条件式中式中Pmax由图所示的功率线示出。由图所示的功率线示出。光电子技术研究所 为为光光电电导导探探测测器器的的温温度度系系数数，式式中中R1和和R2分分别别为为在在某某光光照照下下，温温度度为为T1和和T2时时的的亮亮阻阻值值，显显然然TC值值越越小小越越好好。不不同同材材料料制制作作的的光

25、光电电导导探探测测器器有有不不同同的的温温度度系系数数，而而且有正的也有负的。且有正的也有负的。定义定义 光光敏敏电电阻阻的的噪噪声声来来源源主主要要有有三三个个，即即产产生生一复合噪声、热噪声和一复合噪声、热噪声和1f噪声。噪声。光光电电导导探探测测器器的的光光学学和和电电学学性性能能受受温温度度的的影影响响较较大大，而而且较为复杂。且较为复杂。光电子技术研究所 主要光敏电阻的分类、用途及特点主要光敏电阻的分类、用途及特点 按光谱特性和最佳工作波长范围，按光谱特性和最佳工作波长范围，光敏电阻分三大类；光敏电阻分三大类；1对紫外光对紫外光0.41m)敏感敏感 ZnO、ZnS、Sn02、CdS、

26、CdSe材料制成。材料制成。CdS对对x射线射线、射线也很敏感。射线也很敏感。可制作探测上述各种射线强度的剂量计或计数管。可制作探测上述各种射线强度的剂量计或计数管。光电子技术研究所 2对对 0.76m)敏感的光敏电阻敏感的光敏电阻 CdS、CdSe等半导体化合物材料。等半导体化合物材料。主主要要用用于于制制造造自自动动控控制制元元件件，如如产产品品计计数数器器、路路灯灯控控制制、照照相相曝曝光光控控制制、电影拾音及激光测距等。电影拾音及激光测距等。光电子技术研究所 CdS光光敏敏电电阻阻分分为为单单晶晶型型和和多多晶晶型型两两种种。可可用用来来探探测测穿穿透透深深度度较较大大的的x、射射线线

27、，做做成上述的高能射线探测器。成上述的高能射线探测器。(1)CdS光敏电阻光敏电阻在可见光范围内，在可见光范围内，CdS的光谱灵敏的光谱灵敏区在区在之间，之间，光电子技术研究所 不同照度下有不同的伏安不同照度下有不同的伏安特性都是直线。特性都是直线。说明光敏电说明光敏电阻的阻值取决于光照度大小阻的阻值取决于光照度大小 照度大，阻值小；照度大，阻值小；照度小，阻值大。照度小，阻值大。中中等等照照度度下下，光光敏敏电电阻阻功功耗耗最大。最大。CdS光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性(光电光电流流电压曲线电压曲线)如图所示。如图所示。注注：照照度度表表示示被被照照明明物物体体的的单单位位面面积积所

28、所接接受受的的总总光光通通量量，照照度度的的单单位位是是勒勒克克斯斯。一一勒勒克克斯斯为为一一平平方方米米面面积积上上接接受受一一流流明明的的光通量，单位是光通量，单位是Lmm2 2 光电子技术研究所 CdSCdS光敏电阻的响应时间曲线如光敏电阻的响应时间曲线如图所示。它的光电流上升与下图所示。它的光电流上升与下降时间与光照度有关，照度越降时间与光照度有关，照度越大，响应时间越短。在大，响应时间越短。在500500勒克勒克斯照度下，典型的响应时间为斯照度下，典型的响应时间为0 01 1秒。秒。光电子技术研究所 多晶型多晶型CdS光敏电阻由于感光面积大，可以得光敏电阻由于感光面积大，可以得到较大

29、的光电流。在到较大的光电流。在 10伏工作电压和伏工作电压和50勒克斯勒克斯的照度下，可得到的照度下，可得到710mA的光电流。的光电流。不同照度下有不同的曲线，但不同照度下有不同的曲线，但是随工作温度降低，平衡载流是随工作温度降低，平衡载流子浓度下降，引起暗电导率下子浓度下降，引起暗电导率下降，使相对光电导率上升。降，使相对光电导率上升。CdS光敏电阻的光电导率光敏电阻的光电导率一温度曲线如图所示。一温度曲线如图所示。光电子技术研究所 光光谱谱响响应应峰峰值值在在左左右右,对对红红光光也也很很灵灵敏敏.如如果果引引进进适适当当杂杂质质，它它的的光光谱谱响响应应峰峰值值还还可可以以向向长长波波

30、长长移移动动,达到左右。达到左右。（2）CdSe光敏电阻光敏电阻CdSe比比CdS更快的响应速更快的响应速度。度。CdSe比比CdS光敏电阻光敏电阻的衰减速度快的衰减速度快10倍左右。倍左右。光电子技术研究所 CdSe光敏电阻在高照度下的灵敏度大光敏电阻在高照度下的灵敏度大致与致与CdS相同，但是低照度下，相同，但是低照度下，CdSe光敏电阻的灵敏度低于光敏电阻的灵敏度低于CdS。这是因为这是因为CdSe中空穴电离能中空穴电离能(068eV)比比CdS的的10eV)低，在低，在CdSe中被陷阱俘获的空穴可较快放出，使中被陷阱俘获的空穴可较快放出，使其电荷倍增效应较差。其电荷倍增效应较差。CdS

31、e光光敏敏电电阻阻的的主主要要缺缺点点是是其其灵灵敏敏度度随随工工作作温温度度变变化化较较大大(见图见图)，低照度下灵敏度低。，低照度下灵敏度低。光电子技术研究所 三类材料红外光敏电阻三类材料红外光敏电阻第第1 1类类 窄带隙材料，窄带隙材料，PbSPbS、PbTePbTe、PbSePbSe、InSbInSb。第第2 2类类 带隙可随组份调变的三元材料，如带隙可随组份调变的三元材料，如HgCdTeHgCdTe、PbSnTePbSnTe等。等。第第3 3类类 分别掺有分别掺有AuAu、NiNi、CuCu、ZnZn、GaGa、P P、B B等杂质等杂质 的的GeGe、SiSi、GaAsGaAs的杂

32、质光电导材料。的杂质光电导材料。使使用用时时注注意意，在在中中红红外外以以上上波波段段(4um以以上上应应用用时时，光光敏敏电电阻阻需需降降低低工工作作温温度度到到77K或或42K，以以减减小小热激发，增大光电导增益，提高探测率。热激发，增大光电导增益，提高探测率。3 3对红外光对红外光(0(077771 15 5m m近红外区，近红外区，1 15 56 60 0m m中红外区，中红外区，6 64040m m远红外区，远红外区，4040100100m m极远红外区极远红外区)灵敏的光敏电阻灵敏的光敏电阻本征光电导材料。本征光电导材料。光电子技术研究所 (2)薄膜型薄膜型PbSe光敏电阻光敏电阻

33、 中红外光探测器。中红外光探测器。室温下峰值响应在室温下峰值响应在38m，77K时为时为 51m。室温下峰值探测率，响应时间室温下峰值探测率，响应时间2us。温度温度77K，响应时间延长到，响应时间延长到40us左右。左右。红外光敏电阻红外光敏电阻(1)薄膜型薄膜型PbS光敏电阻光敏电阻(适用小于适用小于3m)探测器。探测器。在室温在室温(20)时，峰值响应在时，峰值响应在21m，195K时时 28m光电子技术研究所 用用于于35um波波段段。采采用用高高频频氧氧反反应应溅溅射射PbTe薄薄膜膜工工艺艺，制成高质量的光敏电阻。制成高质量的光敏电阻。(3)薄膜型薄膜型PbTe光敏电阻光敏电阻使用

34、温度下降时，长波限朝长波长方向使用温度下降时，长波限朝长波长方向移动，响应时间也随温度下降而变长。移动，响应时间也随温度下降而变长。目前的目前的PbSePbSe和和PbTePbTe光敏电阻都已由光敏电阻都已由InSbInSb光敏电阻代替了。光敏电阻代替了。光电子技术研究所 在在3 35m5m波段上波段上 室温下，它的截止波长室温下，它的截止波长7 75m5m。77K77K下峰值波长约下峰值波长约5m5m，截止波长为截止波长为5 55m5m，恰好位于大气窗口，恰好位于大气窗口 光导型的光导型的InSbInSb光敏电阻，响应时间光敏电阻，响应时间6s6s。(4)InSb探测器探测器光电子技术研究所

35、 锗掺金光敏电阻的峰值波长在锗掺金光敏电阻的峰值波长在5m左右左右锗掺汞的在锗掺汞的在105m，锗掺镉的在锗掺镉的在16m，锗掺铜的在锗掺铜的在23m，锗掺锌的在锗掺锌的在36m，锗掺镓、硼的截止波长可达锗掺镓、硼的截止波长可达150m。深低温下工作有较高的探测率和较快的响深低温下工作有较高的探测率和较快的响应速度，限制了实际的使用应速度，限制了实际的使用(5)锗掺杂光敏电阻锗掺杂光敏电阻光电子技术研究所 非本征红外光探测器。非本征红外光探测器。探探测测波波长长在在100400m的的极极远远红红外外区区。采用这种光敏电阻有很高的探测率。采用这种光敏电阻有很高的探测率。必须在深低温必须在深低温4

36、2K下才能工作。下才能工作。(6)砷化镓掺杂光敏电阻砷化镓掺杂光敏电阻光电子技术研究所 Hg1xCdxTe是二元化合物是二元化合物CdTe和和 HgTe的连续固溶体。的连续固溶体。CdTe是宽带隙是宽带隙(约约16eV)的的半导体，半导体，而而HgTe是禁带宽度约为是禁带宽度约为03eV(能带交迭能带交迭)的半金属。的半金属。调节该材料中镉的组份，可以调节该材料中镉的组份，可以改变其禁带宽度，可改变其响改变其禁带宽度，可改变其响应波长。应波长。(7)HgCdTe探测器探测器目前已能设计响应在目前已能设计响应在0840m波长范围波长范围内不同工作波段的各种内不同工作波段的各种HgCdTe探测器。

37、探测器。光电子技术研究所 电电子子有有效效质质量量小小，本本征征载载流流子子浓浓度度低低，故故制制成成pnpn结结的的反反向向饱饱和和电电流流小，探测器噪声低，探测率高。小，探测器噪声低，探测率高。电电子子迁迁移移率率高高，故故渡渡越越时时间间短短、响响应应 频频 带带 宽宽。光光 伏伏 型型 探探 测测 器器 的的=1ns=1ns，光导型，光导型=1s=1s。HgCdTe材料具有许多可贵材料具有许多可贵性质，适于制备高速高性能性质，适于制备高速高性能的探测器。的探测器。光电子技术研究所 本本征征跃跃迁迁，故故吸吸收收系系数数大大，量量子子效效率率高高在在8 14m这这 个个 常常 用用 的的

38、 大大 气气 窗窗 口口 内内，HgCdTe探测器只须冷却到探测器只须冷却到77K就可工作。就可工作。目前已研制成高性能、目前已研制成高性能、77K下工作、下工作、814m大气窗口的光伏型和光导型大气窗口的光伏型和光导型的探测器，也制成了探测器的阵列。的探测器，也制成了探测器的阵列。光电子技术研究所 HgCdTe探测器的另一个发展方向是制备室探测器的另一个发展方向是制备室温、快速、高性能的温、快速、高性能的13和和35m两个大两个大气窗口的探测器，目前已达到了很高的水气窗口的探测器，目前已达到了很高的水平。光伏探测器响应时间可小于平。光伏探测器响应时间可小于1ns，适用，适用于激光通讯和测距系

39、统。于激光通讯和测距系统。光电子技术研究所 由由于于PbSnTePbSnTe的的折折射射率率高高，反反射射损损失失将将达达5050，所所以以可可通通过过蒸蒸发发减减反反射射膜膜，减减小小反反射损失，提高量子效率。射损失，提高量子效率。和和HgCdTeHgCdTe探探测测器器一一起起，成成为为77K77K下下使使用用的的两种重要的两种重要的8 814m14m波段的探测器。波段的探测器。PbSnTe的组份和电学性质较的组份和电学性质较HgCdTe容易控制。容易控制。Pb1xSnxTe组份组份x变化变化1，其带隙变化，其带隙变化0005eV，而，而Hg1x Cd xTe却变化却变化00leV。PbS

40、nTePbSnTe光电子技术研究所 利用利用p-np-n结的光伏效应而制成的光电探测结的光伏效应而制成的光电探测器称为光伏探测器。和光电导探测器不器称为光伏探测器。和光电导探测器不同，光伏探测器的内电流增益等于同，光伏探测器的内电流增益等于1 1。光电二极管光电二极管光伏探测器光伏探测器有光电池和光电二极管之分，有光电池和光电二极管之分，相应于两种工作模式。相应于两种工作模式。光电子技术研究所 一、两种工作模式一、两种工作模式p-n结光伏探测器用图（结光伏探测器用图（a）中的符号表示，中的符号表示，它等效为一个普通二级管和它等效为一个普通二级管和一个恒流源（光电流源）并一个恒流源（光电流源）并

41、联，如图（联，如图（b）所示。）所示。有两种不同的工作方式，由外偏压有两种不同的工作方式，由外偏压回路决定回路决定在零偏压时，如图（在零偏压时，如图（c）称为光伏）称为光伏工作模式工作模式当外电路采用反偏压时，即外加当外电路采用反偏压时，即外加p端为负端为负n端为正的电压时，如图端为正的电压时，如图（d）所示，称为光导工作模式。）所示，称为光导工作模式。光电子技术研究所 因此，光伏探测器的总电流为因此，光伏探测器的总电流为 式中式中e是电子电荷，是电子电荷，u是探测器两端电压，是探测器两端电压，K是玻尔兹曼常数，是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，是绝对温度，我们知道，普通二极管的伏安特性为我们知道

42、，普通二极管的伏安特性为 光电子技术研究所 第一象限是正偏压状态，第一象限是正偏压状态，iD本来就很大，所以光电流不本来就很大，所以光电流不起主要作用，在这一区域工起主要作用，在这一区域工作没有意义。作没有意义。第三象限是反偏压状态，第三象限是反偏压状态，这时，它是普通二极管中的这时，它是普通二极管中的反向饱和电流，现在称为暗反向饱和电流，现在称为暗电流（对应于光功率电流（对应于光功率P=0），），数值很小，这时的光电流数值很小，这时的光电流（等于（等于iis）是通过探测器）是通过探测器的主要电流。的主要电流。光伏探测器的伏安特性曲线光伏探测器的伏安特性曲线即即iu 曲线如图所示。曲线如图所示

43、。光电子技术研究所 由由于于这这种种情情况况外外回回路路特特性性与与光光电电导导探探测测器器十十分分相相似似，所所以以反反偏偏压压下下的的工工作作方方式式称称为为光光导导模模式式，相相应应的的探探测测器器称称为光电二极管。为光电二极管。在第四象限中，外偏压为在第四象限中，外偏压为零时，流过探测器的电流零时，流过探测器的电流仍为光电流，这时探测器仍为光电流，这时探测器的输出是通过负载电阻的输出是通过负载电阻RL上的电压或流过上的电压或流过RL上的电上的电流来体现的，因此称为光流来体现的，因此称为光伏工作模式。相应的探测伏工作模式。相应的探测器称为光电池。器称为光电池。光电子技术研究所 作业作业1.光电探测器的噪声有那些光电探测器的噪声有那些?产生的原因是什产生的原因是什么么?2.光电探测器有那些主要的特性参数光电探测器有那些主要的特性参数?意义意义是什么是什么?3.光电倍增管光电倍增管光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理.4.光电倍增管的光电倍增管的负高压供电方式负高压供电方式 噪声特性噪声特性?