光電探測器的主要應用

光電導探測器

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.史密斯發現硒的光電導效應，但是這種效應長期處于探索研究階段，未獲實際應用。第二次世界大戰以后，隨著半導體的發展，各種新的光電導材料不斷出現。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，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點：①工作溫度高（高于77K），使用方便,而Ge:Hg工作溫度為38K。②本征吸收系數大,樣品尺寸小。③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、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是時間常數 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 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差別很大。CdS的時間常數比較大（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：①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；②熱電致冷溫度下工作(約-60℃),探測度約為109厘米·瓦-1·赫;③77K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比光敏電阻小得多,PbS探測器的時間常數一般為50～500微秒,HgCdTe探測器的時間常數在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。