光电探测器（光敏电阻与光电二极管）

1引言

自年第一台红宝石激光器问世以来，古老的光学发生了革命性的变化与此同时，电子学也突飞猛进地向前发展。光学和电子学紧密联合形成了光电子学这一崭新的学科。由此发展起来的光电子高新技术，已深入到人们生活的各个领域，从光纤通信，镭射唱盘到海湾战争中的现代化武器，都和光电子技术密切相关。而光电探测器则是光电子系统中不可缺少的重要器件。可以毫不夸大地说，没有光电探测器件，就没有今天的光电子学系统。

1. 3光电探测器的物理基础

我们知道，要探知一个客观事物的存在及其特性，一般都是通过测量对探测者所引起的某种效应来完成的。在光电子技术领域，凡是能把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量的器件，就叫做光电探测器。从近代测量技术看，电量不仅最方便，而且最精确。所以，大多数光探测器都是把光辐射量转换成电量来实现对光辐射的探测的。即便直接转换量不是电量，通常也总是把非电量（如温度、体积等）再转换为电量来实施测量从这个意义上说，凡是把光辐射量转换为电量（电流或电压）的光探测器，都称为光电探测器。很自然，了解光辐射对光电探测器产生的物理效应是了解光探测器工作的基础。

光电探测器的物理效应通常分为两大类：光子效应和光热效应。在每一大类中，又可分为若干细目，如表1.3.1所列。

表1.3.1（a）光子效应分类

外光电效应 效应 （1）光阴极发射光电子 正电子亲和势光阴极 负电子亲和势光阴极 （2）光电子倍增 气体繁流倍增 打拿极倍增 内光电效应 相应的探测器 光电管 充气光电管 光电倍增普 通道电子倍增 像增强普 （1）光电导（本征和非本征） 光导管或光敏电阻 （2）光生伏特 PN结和PIN结（零偏） PN结和PIN结（反偏） 雪崩 肖特基势垒 异质结 （3）光电磁 光子牵引 表1.3.1（b）光热效应分类

效应 相应的探测器 热敏电阻测辐射热训 金属测辐射热计 超导远红外探测器 热电偶、热电堆 热释电探测器 高莱盒，液晶等 光电池 光电二极普 雪崩光电二极普 肖特基势辛光电二极管 光电磁探测器 光子牵引探测器 （1）测辐射热计 负电阻温度系数 正电阻温度系数 超导 （2）温差电 （3）热释电 （4）其它 表1.1（a）光子效应分类

外光电效应 效应 （1）光阴极发射光电子 正电子亲和势光阴极 负电子亲和势光阴极 （2）光电子倍增 气体繁流倍增 打拿极倍增 通道电子倍增 内光电效应 相应的探测器 光电管 —— —— —— 充气光电管 光电倍增普 像增强普 （1）光电导（本征和非本征） 光导管或光敏电阻 （2）光生伏特 —— PN结和PIN结（零偏） 光电池 PN结和PIN结（反偏） 光电二极普 雪崩 肖特基势垒 异质结 （3）光电磁 光子牵引 雪崩光电二极普 肖特基势辛光电二极管 —— 光电磁探测器 光子牵引探测器

表1.1（b）光热效应分类

效应 （1）测辐射热计 负电阻温度系数 正电阻温度系数 超导 （2）温差电 （3）热释电 （4）其它 1. 3. 1光子效应和光热效应

相应的探测器 热敏电阻测辐射热训 金属测辐射热计 超导远红外探测器 热电偶、热电堆 热释电探测器 高莱盒，液晶等 —— 在具体说明各种物理效应之前，我们首先说明一下光子效应和光热效应的物理实质有什么不同。

所谓光子效应。是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后。直接引起原子或分子内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。因为光子能量是，所以光子效应就对光波频率表现出选择性在光子直接与电子相互作用的情况下，其响应速度一般比较快。

光热效应和光子效应完全不同。探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测器元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其它物理性质发生变化。所以，光热效应与单光子能量的大小没有直接关系。原则上，光热效应对光波频率没有选择性，只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就越强烈，所以广泛用于对红外辐射的探测。因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。值得注意的是，谓热释电效应是响应与材料的温度变化率，比其它光热效应的响应速度要快得多，并己获得日益广泛的应用。 1.3.2光电发射效应

在光照下，物体向表面以外空间发射电子（即光电子）的现象称为光电发射效应。能产生光电发射效应的物体称为光电发射体，在光电管中又称为光阴极。

著名的爱因斯坦方程描述了该效应的物理原理和产生条件。爱因斯坦方程是

式中，

是光子能量；

，是电子离开发射体表面时的动能，m是电子质量，是电子离开时的速度；是光电发射体的功函数。该式的物理意义是：如果发射体内的电子所吸

的值，那么电子就能以相应的速度从发射体表面

收的光子的能量h大于发射体的功函数逸出。光电发射效应发生的条件为

用波长表示时有

式中大于和小于表示电子逸出表而的速度大于零，等号则表示电子以零速度逸出，即静止在发射体表而上。这里和分别称为产生光电发射的入射光波的截止频率和截止波长。注意到

则有

可见，

小的发射体才能对波长较长的光辐射产生光电发射效应。

3. 3光电导效应

光电导效应只发生在某些半导体材料中，金属没有光电导效应。在说明光电导效应之前，我们先讨论一下半导体材料的电导概念。

我们知道，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n了是个常量，不受外界因素影响。半导体和金属的导电机构完全不同，在0 K时，导电载流子浓度为零。在0 K以上，由于热激发而不断产生热生载流子（电子和空穴），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。因此在导带和满带中维持着一个热平衡的电子浓度n和空穴浓度p，它们的平均寿命分别用和

，表示。无论何种半导体材料，下式一定成立：

（1 .3一5）

式中了是响应温度下本征半导体中的本征热生载流子浓度。这说明，在N型或P型半导体中，一种浓度增大，另一种浓度就减少，但绝不会减少到零。

在外电场E的作用下，载流子产生漂移运动，漂移速度和电场E之比定义为载流子迁移率，即有

（1 .3一6）

式中，u是端电压，L是电场方向半导体的长度。载流子的漂移运动效果用半导体的电导率来描述，定义为

（1 .3一7）

式中e是电子电荷量。如果半导体的截而积是A，则其电导（亦称为热平衡暗电导）G为

（1 .3一8）

所以半导体的电阻

（亦称暗电阻）为

式中是其电阻率（Ωcm）。

现在我们说明半导体的概念。参看图1.3-1，光辐射照射外加电压的半导体。

图 1.3-1

说明光电导用图

如果光波长满足如下条件:

式中，是禁带宽度，是杂质能带宽度。那么光子将在其中产生出新的载流子（电子和空穴）。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△n和△p。这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载流子，我们现在称之为光生载流子。显然，△P和△n将使半导体的电导增加一个量△G，我们称之为光电导。相应于本征和杂质半导体就分别称为本征和杂质光电导。

对本征情况，如果光辐射每秒钟产生的光电子一空穴对数为N，则

式中，AL为半导体总体积，和

，为电子和空穴的平均寿命。于是由式（1.3一8）有

式中

表示光辐射每秒钟激发的电荷量。另一方而，由于△G的增量将使外回路电流产生增

量△i，即

式中u是端电压。从该式可见，电流增量△i不等于每秒钟光激发的电荷量eN，于是定义

M称为光电导体的电流增益。以N型半导体为例，我们可以清楚地看出它的物理意义。现在，式（1. 1一14）变为

将式（1.1-6）代入上式，有

式中，是电子在外电场作用下渡越半导体长度L所花费的时间，称为渡越时间。如果渡越时间小于电子平均寿命，则M> 1，就有电流增益效果。 1.3.4光伏效应

如果光导现象是半导体材料的体效应，那么光伏现象则是半导体材料的“结”效应。也就是说，实现光伏效应需要有内部电势垒，当照射光激发出电子一空穴对时，电势垒的内建电场将把电子一空穴对分开，从而在势垒两侧形成电荷堆积，形成光生伏特效应。 这个内部电势垒可以是PN结、PIN结、肖特基势垒结以及异质结等。这里主要讨论PN结的光伏效应，它不仅最简单，而且是基础。其它结的情况放在以后说明。

我们知道， PN结的基本特征是它的电学不对称性，在结区有一个从N侧指向P侧的内建电场存在。热平衡下，多数载流子（N侧的电子和P侧的空穴）的扩散作用与少数载流子（N侧的空穴和P侧的电子）由于内电场的漂移作用相互抵消，没有净电流通过PN结。用电压表量不出PN结两端有电压，称为零偏状态。如果PN结正向偏置（P区接正，N区接负），则有较大正向电流通过PN结。如果PN结反向电压偏置（P区接负，N区接正），则有一很小的反向电流通过PN结，这个电流在反向击穿前几乎不变，称为反向饱和电流。PN结的这种伏安特性如图1. 3一2所示。

图1.3一2 PN结及其伏安特性

图中还给出了PN结电阻随偏置电压的变化曲线。PN结的伏安特性为

式中是（指无光照）暗电流，

是反向饱和电流，指数因子中的e是电子电荷量，u是偏置

是玻耳兹曼常数，T是绝对温度。在零偏置情况

电压（正向偏置为正，反向偏置为负），下，PN结的电阻

为

此时i=0，所以PN结的开路电压为0。

在零偏条件下，如果照射光的波长满足条件

（1 .3一19）

那么，无论光照N区或P区，都会激发出光生电子一空穴对。例如光照P区，如图1.3一3所示。由于P区的多数载流子是空穴，光照前热平衡空穴浓度本来就比较大，因此光生空穴对P区空穴浓度影响很小。相反地，光生电子对P区的电子浓度影响很大，从P区表面（吸收光能多，光生电子多）向区内自然形成电子扩散趋势。如果P区的厚度小于电子扩散长度，那么大部分光生电子都能扩散进PN结，一进入PN结，就被内电场扫向N区。这样，光生电子一空穴对就被内电场分离开来，空穴留在P区，电子通过扩散流向N区。这时用电压表就能量出P区正N区负的开路电压。），称为光生伏特效应。如果用一个理想电流表接通PN结，则有电流通过，称为短路光电流。显然

综合上述，光照零偏PN结产生开路电压的效应，称为光伏效应。这也是光电池的工作原理。

图1.3一3光生伏特效应

在光照反偏条件下工作时，观测到的光电信号是光电流，而不是光电压，这便是结型光电探测器的工作原理。从这个意义上说，反偏PN结在光照下好像是以光电导方式工作，但实质上两者的工作原理是根本不同的。反偏PN结通常称为光电二极管。 以上我们说明了三种光子效应，下面我们再说明两种常用的光热效应。 1.3.5温差电效应

当两种不同的配偶材料（可以是金属或半导体），两端并联熔接时，如果两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电动势。回路中就有电流流通。如图1. 3一4所示，如果我们把冷端分开并与一个电表相接，那么当光照熔接端（称为电偶接头）时，吸收光能使电偶接头温度升高，电表A就有相应的电流读数，电流的数值就间接反应了光照能

量大小。这就是用热电偶来探测光能的原理。实用中，为了提高测量灵敏度，常将若干个热电偶串联起来使用，称为热电堆，它在激光能量计中获得应用。

图1.3-4 温差电效应

1.3.6热释电效应

热释电效应是通过所谓的热电材料实现的。热电材料是一种电介质，是绝缘体。再详细一点说，它是一种结晶对称性很差的压电晶体，因而在常温下具有自发电极化（即固有电偶极矩）。由电磁理论可知，在垂直于电极化矢量的材料表而上出现而束缚电荷，而电荷密度，

。由于晶体内部自发电极化矢量排列混乱，因而总的并不大。再加上材料表

而附近分布的外部自由电荷的中和作用，通常察觉不出有而电荷存在。如果对热电体施加直流电场，自发极化矢量将趋于一致排列（形成单畴极化），总的加大。当电场去掉后，如果总的仍能保持下去，这种热电体有时便称为热电一铁电体。它是实现热释电现象的理想材料。

现在我们来说明什么是热释电现象。热电体的

决定了而电荷密度的大小。当发

。这个

值是

生变化时，而电荷密度也跟着变化。经过单畴化的热电体，保持有较大的温度的函数，如图1. 3一5所示。温度升高

减小。升高到值时，自发极化突然消失，，

称为居里温度。在温度以下，才有热释电现象。当强度变化的光照射热电体时，热电体的温度发生变化，亦发生变化，而电荷从原来的平衡值跟着发生变化。十分重要的是，热释电体表而附近的自由电荷对而电荷的中和作用比较缓慢，一般在11000 s量级。好的热电体，这个过程很慢。在来不及中和之前，热电体侧表而就呈现出相应于温度变化的而电荷变化，这就是热释电现象。如果把热电体放进一个电容器极板之间，把一个电流表与电容两端相接，就会有电流流过电流表，这个电流称为短路热释电流。如果极板而积为A，则电流为

（1 .3一21）

式中，，称为热释电系数。很显然，如果照射光是恒定的，那么T为恒定值，亦为

恒定值，电流为零。所以热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件。

图1.3-5 热释电效应

2.典型半导体光电探测器器件

光电导探测器和光生伏特器件是国防、空间技术、工农业科学技术中得到广泛应用的光电探测器，也是本次实验研究用到的两类探测器，下面将详述其构造、工作原理与特性。 2. 3光电导探测器

利用光电导效应原理而工作的探测器称为光电导探测器。光电导效应是半导体材料的一种体效应。因光电导探测器无需形成PN结，故又常称为无结光电探测器。这种器件在光照下会改变自身的电阻率，光照愈强，器件自身的电阻愈小，因此常常又称为光敏电阻或光导管。本征型光敏电阻一般在室温下工作，适用于可见光和近红外辐射探测；非本征型光敏电阻通常必须在低温条件下工作，常用于中、远红外辐射探测。由于光敏电阻没有极性，只要把它当作阻值随光照强度而变化的可变电阻来对待即可，因此在电子电路、仪器仪表、光电控制、计量分析以及光电制导、激光外差探测等领域中获得了十分广泛的应用。

常用的光敏电阻有CdS，CdSe，PbS，InSb以及TeCdHg等。其中CdS是工业应用最多的，而PbS主要用于军事装备。 2. 3.1光电转换原理

以非本征N型材料为例，分析模型如图2.3-1所示。图中u表示端电压，L、w、h分别表示材料的尺寸，光功率P在x方向均匀入射。现在我们来求在上述条件下它所产生的光电流i等于多少。

如果光电导材料的吸收系数为a，表而反射率为R，那么光功率在材料内部沿x方向的变

化规律为

因为

端而光照均匀。所以光生面电流密度在x方向变化：

图2.3一1光敏电阻分析模型

式中，e是电子电荷，体密度。

流过电极的总电流i为

是电子在外电场方向的漂移速度，

为电子在x处的

利用稳态下电子产生率和复合率相等即可求出的复合率为，即

。如果电子的平均寿命为，那么电子

，而电子的产生率等于单位体积、单位时间吸收的光子数乘以量子效率，于是

把式

代入式

，有

式中，

其中，是有效量子效率，M为电荷放大系数，亦称光电导体的光电流内增益，是载流子平均寿命与载流子渡越时间之比。如果M>1，则说明载流子己经渡越完毕，但载流子的平均寿命还未中止。这种现象可以这样理解：光生电子向正极运动，空穴向负极运动。可是空穴移动就可能为晶体缺陷和杂质形成的俘获中心——陷阱所俘获。因此，当电子到达阳极消失时，陷阱俘获的正电中心（空穴）仍留在体内，它又会将负电极的电子感应到半导体中来，被诱导进来的电子又在电场中运动到正极，如此循环直到正电中心消失。这就相当于放大了初生的光生电流。

式致的。式

所表明的光电导光电转换关系和式

给出的光电转换定律是一

只是说明光电导探测器是一个具有电流内增益的探测器，内增益M的

大小主要由探测器类型、端电压u和结构尺寸L决定。

光电导探测器的实际结构如图2. 3-2所示。掺杂导体薄膜淀积在绝缘基底上，然后在薄膜而上蒸镀金或钢等金属，形成梳状电极结构。这种排列使得间距很近（即L小、M大）的电极之间具有较大的光敏而积，从而获得高的灵敏度为了防比潮湿对灵敏度的影响，整个带子采用密封结构。

1一光电导体；2一电极；3一绝缘基底；4导电层

图2.3一7光敏电阻结构示意图 （a）梳状式；（b）刻线式；（c）夹层式

2.3.2工作特性

光敏电阻的性能可依据其光谱响应特性、照度伏安特性、频率响应和温度特性来判别。依据这些特性，在实际应用中就可以有侧重，从而合理地选用光敏电阻。 1.光谱响应特性

光敏电阻对各种光的响应灵敏度随入射光的波长变化而变化的特性称为光谱响应特性。光谱响应特性通常用光谱响应曲线、光谱响应范围以及峰值响应波长来描述。峰值波长取决于制造光敏电阻所用半导体材料的禁带宽度。其值可由下式估算：

式中

为峰值响应波长（nm），

为禁带宽度（eV）。峰值响应波长的光能把电子直接由价

带激发到导带。实际光电半导体中，由于杂质和晶格缺陷所形成的能级与导带间的禁带宽度比价带与导带间的主禁带宽度要窄得多，因此波长比峰值波长长的光将把这些杂质能级中的

电子激发到导带中去，从而使光敏电阻的光谱响应向长波方向有所扩展。另外，光敏电阻对波长短的光的吸收系数大，使得表面层附近形成很高的载流子浓度。这样一来，自由载流子在表面层附近复合的速度也快。从而使光敏电阻对波长短于峰值响应波长的光的响应灵敏度降低。综合这两种因素，光敏电阻总是具有一定响应范围的光谱响应特性。

利用半导体材料的掺杂以及用两种半导体材料按一定比例混合并烧结形成固溶体的技术，可使光敏电阻的光谱响应范围和峰值响应波长获得一定程度的改善，从而满足某种特殊需要。图2.3 -3给出了CdS、CdSe、PbS光敏电阻的典型光谱响应特性曲线。

图2.3-3二种光敏电阻的光谱响应特性

2.光电特性和伏安特性

式（2.3-5）是理想情况下的光敏电阻的光电转换关系式。由于许多实际因素的影响，光敏电阻（在一定端偏压u条件下）的光照特性呈非线性关系，即

式中

均为常数。与器件的材料、尺寸、形状以及载流子寿命有关；电压指数的

值一般在1.01.2之间，在烧结体中主要受接触电阻等因素影响；是照度指数，由杂质的种类及数量决定，其值约在0.5条件下。通常可取

这样无论是光电特性（i-P关系）还是伏安特性（i-u关系）都认为是线性特性。 CdS的光电特性如图（

所示，图

所示，从中可以看出明显的非线性，其伏安特性如图中的三个角度

分别为

.0之间。在低偏压（几伏到几十伏）、弱光照于是式

变为

式中，是负载电阻，是工作点亮电阻，是暗电阻。一般说来·光敏电阻的暗电阻在

10 M以上。光照后，其电阻值显著降低。外回路电流明显变大。亮阻和暗阻之比在

之间这一比值越小，光敏电阻的灵敏度越高。

图2.3-4光照特性曲线 图2.3-5线性伏安特性

图

光电导探测器的等效电路如图

由负载电阻化时，尺变为

决定的负载线为图

，则电流 变为

上的NT线。为

，这样：

光照时的亮电阻。当光照发生变

光敏电阻工作电路

所示。由图可知，光敏电阻两端电压u为

把上两式相减，并在分母中近似

，则有

式中负号表示P增大，

减小

，增大。

变为

电流的变化，将引起电压u的变化，即式

把式

与式

相减，并利用式

，有

从上式可见。输出电压△u并不随负载电阻线性变化。要想使△u最大，将式求导，并令其等于零，即可求出使△u最大的近似条件为

对

是工作点Q处（见图

）的亮电阻。这种状态称为匹配工作状态。显然，当入射功

率在较大的动态范围变化时，要始终保持匹配工作状态是困难的，这是光电导探测器的不利因素之一。 图

所示的电路中，省掉了极间电容

，所以上述分析只适用于低频情况。当

。从前而的讨论知道，为了得增大。导致器件时间常数增大，

入射光功率变化频率较高时，在等效电路中一定不能省去到较大的电流增益M，总是设法减小极间距离L。但这又使

使响应频率减小。所以一般说，光敏电阻的响应频率比较低，响应时间比较长，这也是它的不利因素之一。

最后讨论一下光敏电阻偏置电压V的选取原则问题。从式

照下。有一固定电流：流过光敏电阻。这个电流将在尺上产生热损耗功率敏电阻都有额定的最大耗散功率

（在图

可见。在一定光

。每一光

上的双曲线）。工作时如果超过这一值，

光敏电阻将很快损坏。所以，光敏电阻工作在任何光照下都必须满足

把式

代入上式。就可以求出偏置电压V必须满足的条件，即

在匹配条件下：

例如，若

若光敏面积为0.013.时间响应特性

光敏电阻受光照后或被遮光后，回路电流并不立即增大或减小，而是有一段响应时间。图

显示出了光敏电阻响应速度的测定电路及其示波器波形。光敏电阻的响应时间常

中给出了和的定义。通常，CdS

s；PbS

，

1 W/

，光敏面积为1

，则V不允许超过632 V，

，则V不能超过63 V。

数是由电流上升时间和衰减时间表示的。图

光敏电阻的响应时间约为几十毫秒到几秒；CdSc光敏电阻的响应时间约为的响应时间约为

s。

值得注意的是，光敏电阻的响应时间随入射光的照度、所加电压、负载电阻及照度变化

前电阻所经历的时间（称为前历时间）等因素有关。一般来说，照度愈强，响应时间愈短；负载电阻愈大，愈短、愈长；暗处放置时间愈长，响应时间也相应愈长。实际应用中，尽量提高使用照明度，降低所加电压，施加适当偏置光照，使光敏电阻不是从完全暗状态开始受光照，都可以使光敏电阻的时间响应特性得到一定改善。

图

响应特性测定电路及其波形。

4.稳定特性 一般来说，光敏电阻的阻值随温度变化而变化的变化率在弱光照和强光照时都较大，而

在中等光照时则较小。例如，CdS光敏电阻的温度系数在10 Ix照度时约为0；照度高于10 Ix时，温度系数为正；小于10 Ix时，温度系数反而为负。照度偏离10 Ix愈多，温度系数也愈大。

另外。当环境温度在060℃的范围内时，光敏电阻的响l命速度几乎不变；而在低温环境下，光敏电阻的响应速度变慢。例如，-30℃时的响应时间约为十20℃时的2倍。 最后，光敏电阻的允许功耗随着环境温度的升高而降低。这些特性都是实际使用中应注意到的。

5.噪声特性

光电导探测器的噪声主要是由三个噪声源所贡献的，它们是产生一复合（g-r）噪声、热噪声和1/f噪声。总的均方噪声电流可写为

它的有效值为

式中

当f

，为载流子寿命，

为探测器的等效电阻。

时。产生

时，产生一复合噪声项不再与频率有关；当f

一复合噪声明显减小。1/ f噪声项中的比例系数A，当f>1 kHz时，这一噪声项可以

忽略不计。最后一项是探测器的热噪声。光电导探测器这三种噪声源的噪声功率谱在频带中的相对贡献如图

所示。

图

相对噪声功率谱

2.4 PN结光伏探测器的工作模式

在1.1节中我们己经讨论过PN结的光伏效应。利用PN结的光伏效应而制做的光电探测器称为光伏探测器和光电导探测器不同，光伏探测器的工作特性要复杂一些。光伏探测器通常有光电池和光电二极管之分。也就是说，光伏探测器有着不同的工作模式。因此在具体讨论光伏探测器的工作特性之前，首先必须弄清楚它的工作模式问题。 2. 4. 1光电转换原理

为了便于理解在后而将要引入的光伏探测器的等效电路，我们先讨论一下光伏探测器的光电转换规律。

PN结光伏探测器的典型结构及作用原理如图2. 4一1所示。为了说明光功率转换成光电流的关系，设想光伏探测器两端被短路，并用一理想电流表记录光照下流过回路的电流，这个电流常常称为短路光电流。假定光生电子一空穴对在PN结的结区，即耗尽区内产生。由于内电场的作用，电子向N区、空穴向P区漂移运动，被内电场分离的电子和空穴就在外回路中形成电流。就光电流形成的过程而言，光伏探测器和光电导探测器有十分类似的情况。为此，我们把讨论光电导探测器光电转换关系所导出的式（2. 3一3）改写为

式中Q=

是光电导探测器中一个光生电子所贡献的总电荷量。从上式可见，除了Q项外，

光伏和光导的其它物理量都可以用同一种形式描述。现在的问题是，在光伏情况下一个光生电子一空穴对所贡献的总电荷量Q应该是多少。

图2. 4一1光伏探测器典型结构和作用原理

（a）典型结构；（b）作用原理

从图2.4-1（b）可见，在耗尽区中x处产生的光生电子一空穴对，空穴向左漂移x距离到达P区，而电子向右漂移（L-x）距离到达N区。电子和空穴在漂移运动时对外回路贡献各自的电流脉冲，若空穴和电子的漂移时间用和表示，则空穴和电子电流脉冲的强度分别为e/和e/，它们所贡献的电荷量

式中L是耗尽层宽度。式中假定空穴和电子的漂移速度恒定。因此，一个电子一空穴对所贡献的总电荷量为

于是，式（2. 4一1）变为

这个结果告诉我们，光伏探测器的内电流增益等于1，这是和光电导探测器明显不同的地方。2. 4. 2光伏探测器的工作模式

现在我们可以说，一个PN结光伏探测器就等效为一个普通二极管和一个恒流源（光电流源）的并联，如图2. 4一2（b）所示。它的工作模式则由外偏压回路决定，在零偏压时（见图2. 4一2（c））称为光伏工作模式。当外回路采用反偏压V时（见图2. 4一2（d）），即外加P端为负、N端为正的电压时，称为光导工作模式。

图2.4一2（a）伏探测器的符弓；（b）等效电路；（c）光伏工作模式；（d）光导工作模式

我们知道，普通二极管的伏安特性为

因此，光伏探测器的总伏安特性应为和之和，考虑到二者的流动方向，我们有

式中，i是流过探测器的总电流，e是电子电荷，u是探测器两端电压，

是玻耳兹曼常数，

T是器件的绝对温度。

以式（2. 4一7）中i和u为纵横坐标绘制曲线，就是光伏探测器的伏安特性曲线，如图2.4-3所示。从图可见，第一象限是正偏压状态，本来就很大，所以光电流不起重要作用。作为光电探测器，工作在这一区域没有意义。第三象限是反偏压状态，这时

，

它是普通二极管中的反向饱和电流，现在称为暗电流（对应于光功率P=0），数值很小，这时的光电流（等于

）是流过探测器的主要电流，这对应于光导工作模式。通常把光导

工作模式的光伏探测器称为光电二极管，因为它的外回路特性与光电导探测器十分相似。 在第四象限中外偏压为零。流过探测器的电流仍为反向光电流，随着光功率的不同，出现明显的非线性。这时探测器的输出是通过负载电阻

上的电压或流过

上的电流来体现

的，因此称为光伏工作模式。通常把光伏工作模式的光伏探测器称为光电池。应特别注意，光电流总是反向电流，而光电流在

上的电压降对探测器产生正向偏置称为自偏压，当然

要产生正向电流。最终两个电流抵消，伏安曲线中比于横轴上。

光电池和光电二极管的工作特性有着明显的差别，详细情况将在下而两节中专门讨论。

图2.4一3光伏探测器的伏安特性

2. 6光电二极管

以光导模式工作的结型光伏探测器称为光电二极管，它在微弱、快速光信号探测方面有着非常重要的应用。为了提高它的工作性能，人们做了大量的研究工作，出现了许多性能优良的新品种。概括起来，有Si光电二极管、PIN Si光电二极管、雪崩光电二极管（记为APD），肖特基势垒光电二极管、HgCdTe光伏二极管、光子牵引探测器以及光电二极管等等。为了节省篇幅，一些共同性的问题我们放在Si光电二极管中讨论，对其它种类的光电二极管我们着重介绍它们的原理和特点。 2. 6. 1 Si光电二极管

制造一般光电二极管的材料几乎全部选用硅或锗的单晶材料。由于硅器件较之锗器件暗电流温度系数小得多，加之制作硅器件采用的平面工艺使其管芯结构很容易精确控制，因此硅光电二极管得到了广泛应用。

1.结构原理

硅光电二极管的两种典型结构如图2. 6一1所示。其中图（a）是采用N型单晶硅和扩散工艺，称

N结，它的型号是2CU型。而图（b）是采用P型单晶和磷扩散工艺，称

P

结，它的型号为2DU型。光敏芯区外侧的环区称为保护环，其目的是切断感应表面层漏

电流。使暗电流明显减小。硅光电二极管的电路中的符号及偏置电路也在图2. 6一1中一并画出，一律采用反向电压偏置。有环极的光电二极管有三根引出线，通常把N侧电极称为前极，P侧电板称为后极。环极接偏置电源的正极。如果不用环极，则把它断开，空着即可。

图2. 6一1硅光电二极管两种典型结构

（a）2CU型；（b）2DU型

硅光电二极管的封装有多种形式，常见的是金属外壳加入射窗口封装。入射窗口又有透

镜和平面镜之分。透镜有聚光作用。有利于提高灵敏度。而且由于聚焦位置与入射光方向有关，因此还能减小杂散背景光的干扰。其缺点是灵敏度随方向而变，给对准和可靠性带来问题。采用平面镜窗口的硅光电二极管虽然没有尖锐的对准问题，但易受杂散光干扰的影响。硅光电二极管的外型及灵敏度的方向性如图2.6 -2所示。

图2. 6一7硅光电二极管的外形和灵敏度的角度变化

（a）外形；（b）灵敏度的方向性

2.光谱响应特性和电流灵敏度

Si光电二极管具有一定的光谱响应范围。图2. 6一3给出了Si光电二极管的光谱响应曲线。常温下，Si材料的禁带宽度为1. 12 eV.峰值波长约为0.9 m，长波限约为1.1m。由于入射波长愈短，管芯表面的反射损失就愈大，从而使实际管芯吸收的能量愈少，因而就产生了短波限问题。 Si光电二极管的短波限约为0.4m。

Si光电二极管的电流灵敏度主要决定于量子效率。在峰值波长0.9m条件下，

>50%。电流灵敏度

3.光电变换的伏安特性分析

A/

。

图2. 6一3 Si光电二极管的光谱响应曲线

我们己经知道，光电二极管是一种以光导模式工作的光伏探测器，其等效电路己在图2.4一2中给出。因为光电二极管总是在反向偏压下工作，所以

。

和

都

是反向电流。为了符合人们通常的观察习惯，我们将图2.4一2 （b）中，的i和u方向倒转，就可以在第一象限位置表示第二象限（光导模式工作区）的伏安特性，如图2. 6一2（a）所示。其中，弯曲点

所对应的电压值称为曲膝电压。为了分析方便，经线性化处理后的

为各斜线与水平轴夹

特性曲线如图2. 6一2（b）所示。其中，Q为直流工作点，g、和

角的正切，意义是：是光电二极管的内电导，其值等于管子内阻的倒数；是光电二极管的饱和电导，显然，如果光电二极管的内电导超过值，则表明光电二极管己进入饱和导通的工作状态；

为负载电导，其值等于负载电阻值的倒数。

图2. 6一4 光电二极管的伏安特性和线性化处理

（a）伏安特性；（b）线性化处理

4.频率响应特性

硅光电二极管的频率特性是半导体光电器件中最好的一种，因此特别适宜于快速变化的光信号探测。

光电二极管的频率响应主要由二个因素决定：①光生载流子在耗尽层附近的扩散时间；②光生载流子在耗尽层内的漂移时间；③与负载电阻数。

1）扩散时间

并联的结电容所决定的电路时间常

由半导体物理可知，扩散是个慢过程，扩散时间

式中d是扩散进行的距离，

是少数载流子的扩散系数。

，式（2. 6

如果以P型Si为例。电子扩散进行距离为5m，扩散系数为3. 4 X一25）给出的

= 3. 7 X

s。作为高速响应来说，这是一个很可观的时间。因此在制

造工艺上应尽量减小这个时间。一般把光敏面做得很薄。由于硅材料对光波的吸收与波长有明显关系，所以不同光波长产生的光生载流子的扩散时间变得与波长有关。在光谱响应范围内，长波长的吸收系数小，入射光可透过PN结而到达体内N区较深部位，它激发的光生载流子要扩散到PN结后才能形成光电流。这一扩散时间限制了对长波长光的频率响应。波长较短的光生载流子大部分产生在PN结内，没有体内扩散问题，因而频率响应要好得多。对Si光电二极管来说，由波长不同引起的响应时间可相差响应，出现了PIN硅光二极管。这将在后面讨论。 2）耗尽层中的漂移时间

分别表示P区和N区内耗尽层倍。为了改善长波长的频率

为了估计漂移时间的量级，参看图2. 6一7，图中和宽度，耗尽层的总宽度

式中，为材料介电常数，

和

分别为材料中受主和施主的杂质浓度，u为端电压，这里

假定端电压u比零偏内结电压高得多，而且是突变结。

图2.6一7 耗尽层的电场分布

为了充分吸收入射光辐射，总是希望W比较宽些，一般都要求

式中

是波长的吸收系数。在W内由于高电场存在，载流子的漂移速度趋于饱和。实际情

来估计，于是

况都满足这个条件。我们可以把载流子的漂移速度用一个固定的饱和速度

对硅光电二极管，耗尽层中电场取2000 V/m，载流子饱和速度取

s。

3）结电容效应

m/s，取W=5m，则

由于结区储存电荷的变化，光电二极管对外电路显示出一个与电压结有关的结电容。对突变结：

式中，A是结而积，其它参量的意义与式（2. 6一27）和（2. 6一28）中的说明相同。如果假定|u|

（u本身为负值），且对

N结构，

，则式（2. 6 - 31）可以简化为

（2 .6一32）

式中，若A=1

。 ，=11.7，

=

10 V，则

30 pF。对实际使用来说，要想得

到小的电容，应尽可能地选取较高的反偏压。

考虑到光电二极管的电容效应，它的高频等效电路如图2. 6一8所示。其中图（a）是比较完全的等效电路，

是光电二极管的内阻，亦称暗电阻。由于反偏压工作，所以等效

为一个高内阻的电流源。是体电阻和电极接触电阻，一般很小。考虑到这两个因素之后，

工程计算的简化等效电路如图（b）所示。

如果入射光功率P = 一8（b），有

sin

相应的光电流的交变分量

sin

，则由图2. 6

图2.6一8光电二极管的岛频等效电路

（a）完全等效电路；（b）简化等效电路

式中负号是由于电流和电压的正方向相反所引起的。负载电阻

上的瞬时电压

电压有效值为

可见，u随频率升高而下降。当u下降到止频率。于是

称为称为高频率截

通常又定义电路时间常数

所以

如果取=30pF，

那么

从上述分析可见，载流子扩散时间和电路时间常数大约同数量级，是决定光电二极管响应速度的主要因素。 5.噪声特性

由于光电二极管常常用于微弱光信号的探测，因此了解它的噪声性能是十分必要的。图2. 6一9是硅光电二极管的噪声等效电路。对高频应用，两个主要的噪声源是散粒噪声阻热噪声

。输出噪声电流的有效值

和电

相应的噪声电压

式中，

分别是信号电流、背景光电流和反向饱和暗电流的平均值。由上式可见，

是合理减小噪声的有效途径。

从材料及制造工艺上尽量减小 ，并合理选取负载电阻

图 2.6-9 光电二极管的噪声等效电路

光电二极管响应时间的改善

从硅光电二极管的讨论可知，改善其频率响应特性的途径是设法减小载流子扩散时间和结电容。从这个思路出发，人们制成了一种在P区和N区之间相隔一本征层（I层）的PIN光电二极管。

PIN硅光电二极管的结构及管内电场分布如图2. 6一10所示。从图中可见，本征层首先是个高电场区。这是由于本征材料的电阻率很高，因此反偏压电场主要集中在这一区域。高的电阻使暗电流明显减小。在这里产生的光生电子一空穴对将立即被电场分离，并快速漂移运动。本征层的引入明显地增大了

区的耗尽厚度。这有利于缩短载流子的扩散过程。

耗尽层的加宽也明显地减小了结电容，从而使电路时间常数减小。由于在光谱响应的长波区硅材料的吸收系数明显减小，因此耗尽层的加宽还有利于对长波区光辐射的吸收这样，PIN结构又提供了较大的灵敏体积，有利于量子效率的改善。

图2. 6一10 PIN硅光电二极管的管芯结构和电场分布

（a）管芯结构； （b）电场分布

性能良好的PIN光电二极管，其扩散和漂移时间一般在

s量级，相当于吉赫频率

响应。因此实际应用，}，决定光电二极管频率响应的主要因素是电路时间常数，PIN结构的结电容一般可控制在10 pf量级；适当加大反偏压，还可减小一些。因此，合理选择负载电阻

是实际应用中的重要问题。

PIN光电二极管的上述优点使它在光通信、光雷达及其它快速光电自动控制领域得到了非常广泛的应用

三、基本原理

通常，光电探测器件输出的电信号都要在时间上落后于作用在其上的光信号，即光电探测器件的输出相对于输入的光信号要发生沿时间轴上的扩展，这种响应落后于作用信号的特性称为惰性。由于惰性的存在，会使先后作用的信号在输出端相会交叠，从而降低了信号的调制度。如果探测器观测的是随时间快速变化的物理量，则由于惰性的影响会造成输出严重畸变。因此，深入了解探测器的时间相应特性是十分必要的。

而光电探测器件的频率特性，是指该器件对交变入射光的响应能力。并且，它的器件响应的时间常数有关，时间常数越小，上限频率越高，响应时间越快。下面就介绍一下他们的原理。

表示时间响应特性的方法主要有两种，一种是脉冲响应特性法，另一种是幅频特性法。 1．脉冲响应 响应落后于作用信号的现象称为弛豫。对于信号开始作用时的弛豫称为 上升弛豫或起始弛豫，信号停止作用时的弛豫称为衰减弛豫。弛豫时间的具体定义如下： 如用阶跃信号作用于器件，则起始弛豫定义为探测器的响应从零上升为稳定值的(1 – 1/e)（即63％）时所需的时间。衰减弛豫定义为信号撤去后，探测器的响应下降到稳定值的1／e（即37％）所需的时间。这类探测器有光电池、光敏电阻及热电探测器等。另一种定义弛豫时间的方法是起始弛豫为响应值从稳态值的10％上升到90％时所用的时间；衰减弛豫为响应从稳态值的90％下降到10％时所用的时间。这种定义多用于响应速度很快的器件如光电二极管、雪崩光电二极管和光电倍增管等。

若光电探测器在单位阶跃信导作用下的起始阶跃响应函数为[1?exp(?t / τ1 ) ]，衰减响 应函数为exp(?t / τ1 )，则根据第一种定义，起始弛豫时间为τ1，衰减弛豫则间为τ2。 此外如果测出了光电探测器的单位冲激响应函数，则可直接用其半值宽度来表示时间持 性。为了得到具有单位冲激函数形式的信号光源，即δ函数光源，可以采用脉冲式发光二极 管、锁模激光器以及火花源等光源来近似。在通常测试中，更方便的是采用具有单位阶跃函数形式亮度分布的光源。从而得到单位阶跃响应函数，进而确定响应时间。

2．幅频特性 由于光电探测器惰性的存在，使得其响应度不仅与入射辐射的波长有关， 而且还是入射辐射调制频率的函数。这种函数关系还与入射光强信号的波形有关。通常定义 光电探测器对正弦光信号的响应幅值同调制频率间的关系为它的幅频特性。许多光电探测器 的幅频特性具有如下形式。

A（ω）=1 / (1+ω2τ2 )1/2 (3–1) 式中A（ω）表示归一化后的幅频特性；ω=2π?为调制圆频率；?为调制频率；τ为响应时间。 在实验中可以测得探测器的输出电压V(ω)为

V（ω）= V0 / (1+ω2τ2 )1/2 (3–2) 式中V0为探测器在入射光调制频率为零时的输出电压。这样，如果测得调制频率为?1时的输出信号电压V1 和调制频率为?2时的输出电压信号V2 ，就可由下式确定响应时间

τ=1/2π[(V12-V22)/（(V2f2)2-(V1f1) 2）]

1/2

(3–3)

为减小误差，V1 与V2的取值应相差10％以上。

由于许多光电探测器的幅频特件都可出式(3—1)描述，人们为了更方便地表示这种特性，引出截止频率?c。它的定义是中输出信号功率降至超低频一半时，即信号电压降至超低频信号电压的70.7％时的调制频率。故?c频率点又称为三分贝点或拐点。由式(3—1)可知 ?c=

12?? (3–4)

实际上，用截止频率描述的时间特性是由式(4—1)定义的τ参数的另—种形式。 在实际测量中，对入射辐射调制的方式可以是内调制，也可以是外调制。外调制是用机械调制盘在光源外进行调制，因这种方法在使用时需要采取稳频措施，而且很难达到很高的调制频率，因此不适用于响应速度很快的光电探测器，所以具有很大的局限性。内调制通常采用快速响应的电致发光元件作辐射源。采取电调制的方法可以克服机械调制的不足，得到稳定度高的快速调制。

四、实验仪器

光电探测器时间常数测试实验箱；20M的双踪示波器；毫伏表。

在光电探测器时间常数测试实验箱中，提供了需测试两个光电器件峰值波长为900nm的光电二极管和可见光波段的光敏电阻。所需的光源分别由峰值波长为900nm的红外发光管和可见光(红)发光管来提供。光电二极管的偏压与负载都是可调的，偏压分5V、10V、15 V三挡，负载分100殴姆 、1k殴姆、10k殴姆、50k殴姆和100k殴姻五档。根据需要，光源的驱动电源有脉冲和正弦波两种，并且频率可调。 信号发生器 Rf 发光二极管 偏压 EXT 示波器 Y 光子探测器 毫伏表 负载 图3-1响应时间测试装置框图

下面简要介绍CS-1022型示波器的外触发工作方式和10％到90％的上升响应时间的测试方法。

1. 外触发同步工作方式 当示波器的触发源选择ext档时，CS-1022型示波器右下角的外触发输入插座上的输入信号成为触发信号。在很多应用方面，外触发同步更为适用于波形观测，这样可以获得精确的触发而与馈送到输入插座CH1和CH2的信号无关。因此，即使当输入信号变化时，也不需要再进一步触发。

2. 10％到90％的上升响应时间的测试 （1） 将信号加到CH1输入插座，置垂直方式于CH1。用V/div和微调旋钮将波形 峰峰值调到6div。 （2） （3）

用▲/▼位旋钮和其他旋钮调节波形，使其显示在屏幕垂直中心。将t/div开关调到尽可能快的档位，能同时观测10％和90％两个点。将微调置于校准档。 用?/?位旋钮调节10％点，使之与垂直刻度线重合，测量波形上10％到90％点之间的距离（div）。将该值乘以t/div，如果用“×10扩展”方式，再乘以1/10。

请正确使用10％、90％线。在CS-1022型示波器上，每个0％、10％、90％、100％测

量点都标记在示波器屏幕上。

使用公式：

上升响应时间tr=水平距离为4（div）×t/div档位ד×10扩展”的倒数（1/10）。

100 30

用??位移纽调到垂直刻度线 10 0 响应时间

图3-2 上升响应时间测量举例 【举例】

例如，水平距离为4div，t/div是2μs（见图3-2）。带入给定值： 上升响应时间tr =4.0（div）×2（μs ）=8μs

五、实验步骤

1. 用脉冲法测量光电二极管的响应时间

首先要将本实验箱面板上的“偏压”档和“负载”分别选通一组。然后将“波形选择”开关拨至脉冲档，“探测器选择”开关拨至光电二极管档，此时在“输入波形”的二极管处（黄导线）应可观测到方波，由“输出”处引出的输出线(白导线)

即可得到光电二极管的输出波形，其频率可通过“频率调节”处的方波旋钮来调节。然后按照要求分别测量一定偏压下不同负载时其响应时间及一定负载下不同偏压时其响应时间。

（1） 选定负载为10 kΩ，按照下表改变其偏压。观察并记录在零偏(不选偏压即 可)及不同反偏下光电二极管的响应时间，并填入表3—l。

表3—1 硅光电二极管的响应时间与偏置电压的关系 偏置电压E/V 响应时间tr/s

（2）在反向偏压为15V时，改变探测器的偏置电阻，观察探测器在不同偏置电阻

时的脉冲响应时间。记录填入表3—2。

表3—2 硅先电三极口的响应时同与负载电阻的关系 负载电阻RL/Ω 响应时间tr/s

2.用脉冲法测量光敏电阻的负载响应时间

光敏电阻所加偏压力15V，负载是10k，是不可调的。故“偏压”档和负载挡在此时不起作用。

将实验箱面板上“波形选择”开关拨至脉冲档，“探测器选择”开关拨至光敏电阻挡，此时由“输入波形”的光敏电阻处（黄导线）应可观测到方波，由“输出”处引出的输出线 (青导线) 即可得到光敏电阻的输出波形，调节“频率调节”旋钮使频率为20Hz，测出其响应时间并记录。

3.用幅频特性法测量CdSe光敏电阻的响应时间

(1)将本实验箱面板上“波形选择”开关拨至正弦档，“探测器选择”开关拨至光敏电阻挡，此时由“输人波形”的光敏电阻处（红导线）应可观测到输入的正弦波形 由“输出”处引出的输出线(青导线)即可得到光敏电阻的输出波形，其频率可通过改变“频率调节”处的正弦旋钮来调节。然后改变光波信号频率，测出不同频率下CdSe的输出电压(至少测三个

500 1K 10K 50K 100K 0 5 10 15 频率点)并记录，计算出其响应时间。

4.用截止频率测量CdSe光敏电阻的响应时间 将本实验箱面板上“波形选择”开关拨至正弦档，“探测器选择“开关拨至光敏电阻档，此时由”输入波形“的光敏电阻处（红导线）应可观测到输入的正弦波形，由“输出”处引出的输出线（青导线）即可得到光敏电阻的输出波形，其频率可通过改变“频率调节”处的正弦旋钮来调节。改变正弦波的频率，可以发现随着调制频率的改变，CdSe负载电阻两端的信号电压将发生变化。测出其衰减到超低频的70.7%时（即3分贝处）的调制频率?c，并确定响应时间τ。

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