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固體光電探測器用途非常廣。CdS光敏電阻因其成本低而在光亮度控制(如照相自動曝光)中得到采用;光電池是固體光電器件中具有最大光敏面積的器件,它除用做探測器件外,還可作太陽能變換器;硅光電二極管體積小、響應快、可靠性高,而且在可見光與近紅外波段內有較高的量子效率,因而在各種工業(yè)控制中獲得應用。硅雪崩管由于增益高、響應快、噪聲小,因而在激光測距與光纖通信中普遍采用。

photoconductive detector 利用半導體材料的光電導效應制成的一種光探測器件。所謂光電導效應,是指由輻射引起被照射材料電導率改變的一種物理現(xiàn)象。光電導探測器在軍事和國民經濟的各個領域有廣泛用途。在可見光或近紅外波段主要用于射線測量和探測、工業(yè)自動控制、光度計量等;在紅外波段主要用于導彈制導、紅外熱成像、紅外遙感等方面。光電導體的另一應用是用它做攝像管靶面。為了避免光生載流子擴散引起圖像模糊,連續(xù)薄膜靶面都用高阻多晶材料,如PbS-PbO、Sb2S3等。其他材料可采取鑲嵌靶面的方法,整個靶面由約10萬個單獨探測器組成。

1873年,英國W.史密斯發(fā)現(xiàn)硒的光電導效應,但是這種效應長期處于探索研究階段,未獲實際應用。第二次世界大戰(zhàn)以后,隨著半導體的發(fā)展,各種新的光電導材料不斷出現(xiàn)。在可見光波段方面,到50年代中期,性能良好的硫化鎘、硒化鎘光敏電阻和紅外波段的硫化鉛光電探測器都已投入使用。60年代初,中遠紅外波段靈敏的Ge、Si摻雜光電導探測器研制成功,典型的例子是工作在3~5微米和8~14微米波段的Ge:Au(鍺摻金)和Ge:Hg光電導探測器。60年代末以后,HgCdTe、PbSnTe等可變禁帶寬度的三元系材料的研究取得進展。 工作原理和特性 光電導效應是內光電效應的一種。當照射的光子能量hv等于或大于半導體的禁帶寬度Eg時,光子能夠將價帶中的電子激發(fā)到導帶,從而產生導電的電子、空穴對,這就是本征光電導效應。這里h是普朗克常數(shù),v是光子頻率,Eg是材料的禁帶寬度(單位為電子伏)。因此,本征光電導體的響應長波限λc為 λc=hc/Eg=1.24/Eg (μm) 式中 c為光速。本征光電導材料的長波限受禁帶寬度的限制。

在60年代初以前還沒有研制出適用的窄禁帶寬度的半導體材料,因而人們利用非本征光電導效應。Ge、Si等材料的禁帶中存在各種深度的雜質能級,照射的光子能量只要等于或大于雜質能級的離化能,就能夠產生光生自由電子或自由空穴。非本征光電導體的響應長波限λ由下式求得 λc=1.24/Ei 式中Ei代表雜質能級的離化能。到60年代中后期,Hg1-xCdxTe、PbxSn1-xTe、PbxSn1-xSe等三元系半導體材料研制成功,并進入實用階段。它們的禁帶寬度隨組分x值而改變,例如x=0.2的HG0.8Cd0.2Te材料,可以制成響應波長為 8~14微米大氣窗口的紅外探測器。它與工作在同樣波段的Ge:Hg探測器相比有如下優(yōu)點:

工作溫度高(高于77K),使用方便,而Ge:Hg工作溫度為38K;本征吸收系數(shù)大,樣品尺寸小;易于制造多元器件。表1和表2分別列出部分半導體材料的Eg、Ei和λc值。

通常,凡禁帶寬度或雜質離化能合適的半導體材料都具有光電效應。但是制造實用性器件還要考慮性能、工藝、價格等因素。常用的光電導探測器材料在射線和可見光波段有:CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge等;在近紅外波段有:PbS、InGaAs、PbSe、InSb、Hg0.75Cd0.25Te等;在長于8微米波段有:Hg1-xCdxTe、PbxSn1-x、Te、Si摻雜、Ge摻雜等;CdS、CdSe、PbS等材料可以由多晶薄膜形式制成光電導探測器。 可見光波段的光電導探測器 CdS、CdSe、CdTe 的響應波段都在可見光或近紅外區(qū)域,通常稱為光敏電阻。它們具有很寬的禁帶寬度(遠大于1電子伏),可以在室溫下工作,因此器件結構比較簡單,一般采用半密封式的膠木外殼,前面加一透光窗口,后面引出兩根管腳作為電極。高溫、高濕環(huán)境應用的光電導探測器可采用金屬全密封型結構,玻璃窗口與可伐金屬外殼熔封。

器件靈敏度用一定偏壓下每流明輻照所產生的光電流的大小來表示。例如一種CdS光敏電阻,當偏壓為70伏時,暗電流為10-6~10-8安,光照靈敏度為3~10安/流明。CdSe光敏電阻的靈敏度一般比 CdS高。光敏電阻另一個重要參數(shù)是時間常數(shù) τ,它表示器件對光照反應速度的大小。光照突然去除以后,光電流下降到最大值的 1/e(約為37%)所需的時間為時間常數(shù) τ。也有按光電流下降到最大值的10%計算τ的;各種光敏電阻的時間常數(shù)差別很大。CdS的時間常數(shù)比較大(毫秒量級)。 紅外波段的光電導探測器 PbS、Hg1-xCdxTe 的常用響應波段在 1~3微米、3~5微米、8~14微米三個大氣透過窗口。由于它們的禁帶寬度很窄,因此在室溫下,熱激發(fā)足以使導帶中有大量的自由載流子,這就大大降低了對輻射的靈敏度。

響應波長越長的光,電導體這種情況越顯著,其中1~3微米波段的探測器可以在室溫工作(靈敏度略有下降)。3~5微米波段的探測器分三種情況:

在室溫下工作,但靈敏度大大下降,探測度一般只有1~7×108厘米·瓦-1·赫;熱電致冷溫度下工作(約-60℃),探測度約為109厘米·瓦-1·赫;77K或更低溫度下工作,探測度可達1010厘米·瓦-1·赫以上。8~14微米波段的探測器必須在低溫下工作,因此光電導體要保持在真空杜瓦瓶中,冷卻方式有灌注液氮和用微型制冷器兩種。

紅外探測器的時間常數(shù)比光敏電阻小得多,PbS探測器的時間常數(shù)一般為50~500微秒,HgCdTe探測器的時間常數(shù)在10-6~10-8秒量級。紅外探測器有時要探測非常微弱的輻射信號,例如10-14 瓦;輸出的電信號也非常小,因此要有專門的前置放大器。

在動態(tài)特性(即頻率響應與時間響應)方面,以光電倍增管和光電二極管(尤其是PIN管與雪崩管)為最好;在光電特性(即線性)方面,以光電倍增管、光電二極管和光電池為最好;在靈敏度方面,以光電倍增管、雪崩光電二極管、光敏電阻和光電三極管為最好。值得指出的是,靈敏度高不一定就是輸出電流大,而輸出電流大的器件有大面積光電池、光敏電阻、雪崩光電二極管和光電三極管;外加偏置電壓最低的是光電二極管、光電三極管,光電池不需外加偏置;在暗電流方面,光電倍增管和光電二極管最小,光電池不加偏置時無暗電流,加反向偏置后暗電流也比光電倍增管和光電二極管大;長期工作的穩(wěn)定性方面,以光電二極管、光電池為最好,其次是光電倍增管與光電三極管;在光譜響應方面,以光電倍增管和CdSe光敏電阻為最寬,但光電倍增管響應偏紫外方向,而光敏電阻響應偏紅外方向。

光電子發(fā)射器件:光電管與光電倍增管是典型的光電子發(fā)射型(外光電效應)探測器件。其主要特點是靈敏度高,穩(wěn)定性好,響應速度快和噪聲小,是一種電流放大器件。尤其是光電倍增管具有很高的電流增益,特別適于探測微弱光信號;但它結構復雜,工作電壓高,體積較大。

光電倍增管一般用于測弱輻射而且響應速度要求較高的場合,如人造衛(wèi)星的激光測距儀、光雷達等。

光電導器件:利用具有光電導效應的半導體材料做成的光電探測器稱為光電導器件,通常叫做光敏電阻。在可見光波段和大氣透過的幾個窗口,即近紅外、中紅外和遠紅外波段,都有適用的光敏電阻。光敏電阻被廣泛地用于光電自動探測系統(tǒng)、光電跟蹤系統(tǒng)、導彈制導、紅外光譜系統(tǒng)等。

硫化鎘CdS和硒化鎘CdSe光敏電阻是可見光波段用得最多的兩種光敏電阻;硫化鉛PbS光敏電阻是工作于大氣第一個紅外透過窗口的主要光敏電阻,室溫工作的PbS光敏電阻響應波長范圍1.0~3.5微米,峰值響應波長2.4 微米左右;銻化銦InSb光敏電阻主要用于探測大氣第二個紅外透過窗口,其響應波長3~5μm;碲鎘汞器件的光譜響應在8~14 微米,其峰值波長為10.6微米,與CO2激光器的激光波長相匹配,用于探測大氣第三個窗口(8~14微米)°

光電探測器必須和輻射信號源及光學系統(tǒng)在光譜特性上相匹配。如果測量波長是紫外波段,則選用光電倍增管或專門的紫外光電半導體器件;如果信號是可見光,則可選用光電倍增管、光敏電阻和Si光電器件;如果是紅外信號,則選用光敏電阻,近紅外選用Si光電器件或光電倍增管;

光電探測器的光電轉換特性必須和入射輻射能量相匹配。其中首先要注意器件的感光面要和照射光匹配好,因光源必須照到器件的有效位置,如光照位置發(fā)生變化,則光電靈敏度將發(fā)生變化。如光敏電阻是一個可變電阻,有光照的部分電阻就降低,必須使光線照在兩電極間的全部電阻體上,以便有效地利用全部感光面。光電二極管、光電三極管的感光面只是結附近的一個極小的面積,故一般把透鏡作為光的入射窗,要把透鏡的焦點與感光的靈敏點對準。一定要使入射通量的變化中心處于檢測器件光電特性的線性范圍內,以確保獲得良好的線性輸出。對微弱的光信號,器件必須有合適的靈敏度,以確保一定的信噪比和輸出足夠強的電信號;

光電探測器必須和光信號的調制形式、信號頻率及波形相匹配,以保證得到沒有頻率失真的輸出波形和良好的時間響應。這種情況主要是選擇響應時間短或上限頻率高的器件,但在電路上也要注意匹配好動態(tài)參數(shù);

光電探測器必須和輸入電路在電特性上良好地匹配,以保證有足夠大的轉換系數(shù)、線性范圍、信噪比及快速的動態(tài)響應等;

為使器件能長期穩(wěn)定可靠地工作,必須注意選擇好器件的規(guī)格和使用的環(huán)境條件,并且要使器件在額定條件下使用;