光电探测器的主要应用

光电探测器的主要应用
光电探测器的主要应用

光电探测器的主要应用
光电导探测器
photoconductive detector
利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件.所谓光电导效应,是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象.光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途.在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面.光电导体的另一应用是用它做摄像管靶面.为了避免光生载流子扩散引起图像模糊,连续薄膜靶面都用高阻多晶材料,如PbS-PbO、Sb2S3等.其他材料可采取镶嵌靶面的方法,整个靶面由约10万个单独探测器组成.
1873年,英国W.史密斯发现硒的光电导效应,但是这种效应长期处于探索研究阶段,未获实际应用.第二次世界大战以后,随着半导体的发展,各种新的光电导材料不断出现.在可见光波段方面,到50年代中期,性能良好的硫化镉、硒化镉光敏电阻和红外波段的硫化铅光电探测器都已投入使用.60年代初,中远红外波段灵敏的Ge、Si掺杂光电导探测器研制成功,典型的例子是工作在3～5微米和8～14微米波段的Ge:Au（锗掺金）和Ge:Hg光电导探测器.60年代末以后,HgCdTe、PbSnTe等可变禁带宽度的三元系材料的研究取得进展.
工作原理和特性 光电导效应是内光电效应的一种.当照射的光子能量hv等于或大于半导体的禁带宽度Eg时,光子能够将价带中的电子激发到导带,从而产生导电的电子、空穴对,这就是本征光电导效应.这里h是普朗克常数,v是光子频率,Eg是材料的禁带宽度（单位为电子伏）.因此,本征光电导体的响应长波限λc为
λc=hc/Eg=1.24/Eg (μm)
式中 c为光速.本征光电导材料的长波限受禁带宽度的限制.在60年代初以前还没有研制出适用的窄禁带宽度的半导体材料,因而人们利用非本征光电导效应.Ge、Si等材料的禁带中存在各种深度的杂质能级,照射的光子能量只要等于或大于杂质能级的离化能,就能够产生光生自由电子或自由空穴.非本征光电导体的响应长波限λ由下式求得
λc＝1.24/Ei
式中Ei代表杂质能级的离化能.到60年代中后期,Hg1-xCdxTe、PbxSn1-xTe、PbxSn1-xSe等三元系半导体材料研制成功,并进入实用阶段.它们的禁带宽度随组分x值而改变,例如x＝0.2的HG0.8Cd0.2Te材料,可以制成响应波长为 14微米大气窗口的红外探测器.它与工作在同样波段的Ge：Hg探测器相比有如下优点：①工作温度高（高于77K）,使用方便,而Ge:Hg工作温度为38K.②本征吸收系数大,样品尺寸小.③易于制造多元器件.表1和表2分别列出部分半导体材料的Eg、Ei和λc值.
通常,凡禁带宽度或杂质离化能合适的半导体材料都具有光电效应.但是制造实用性器件还要考虑性能、工艺、价格等因素.常用的光电导探测器材料在射线和可见光波段有：CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge等;在近红外波段有：PbS、PbSe、InSb、Hg0.75Cd0.25Te等;在长于8微米波段有:Hg1-xCdxTe、PbxSn1-x、Te、Si掺杂、Ge掺杂等；CdS、CdSe、PbS等材料可以由多晶薄膜形式制成光电导探测器.
可见光波段的光电导探测器 CdS、CdSe、CdTe 的响应波段都在可见光或近红外区域,通常称为光敏电阻.它们具有很宽的禁带宽度（远大于1电子伏）,可以在室温下工作,因此器件结构比较简单,一般采用半密封式的胶木外壳,前面加一透光窗口,后面引出两根管脚作为电极.高温、高湿环境应用的光电导探测器可采用金属全密封型结构,玻璃窗口与可伐金属外壳熔封.
器件灵敏度用一定偏压下每流明辐照所产生的光电流的大小来表示.例如一种CdS光敏电阻,当偏压为70伏时,暗电流为10-6～10-8安,光照灵敏度为3～10安/流明.CdSe光敏电阻的灵敏度一般比 CdS高.光敏电阻另一个重要参数是时间常数 τ,它表示器件对光照反应速度的大小.光照突然去除以后,光电流下降到最大值的 1/e（约为37％）所需的时间为时间常数 τ.也有按光电流下降到最大值的10％计算τ的;各种光敏电阻的时间常数差别很大.CdS的时间常数比较大（毫秒量级）.
红外波段的光电导探测器 PbS、Hg1-xCdxTe 的常用响应波段在 3微米、3～5微米、8～14微米三个大气透过窗口.由于它们的禁带宽度很窄,因此在室温下,热激发足以使导带中有大量的自由载流子,这就大大降低了对辐射的灵敏度.响应波长越长的光,电导体这种情况越显著,其中1～3微米波段的探测器可以在室温工作（灵敏度略有下降）.5微米波段的探测器分三种情况：①在室温下工作,但灵敏度大大下降,探测度一般只有1～7×108厘米·瓦-1·赫；②热电致冷温度下工作(约-60℃),探测度约为109厘米·瓦-1·赫;③77K或更低温度下工作,探测度可达1010厘米·瓦-1·赫以上.14微米波段的探测器必须在低温下工作,因此光电导体要保持在真空杜瓦瓶中,冷却方式有灌注液氮和用微型制冷器两种.
红外探测器的时间常数比光敏电阻小得多,PbS探测器的时间常数一般为50～500微秒,HgCdTe探测器的时间常数在10-6～10-8秒量级.红外探测器有时要探测非常微弱的辐射信号,例如10-14 瓦；输出的电信号也非常小,因此要有专门的前置放大器.