光电探测器的工作原理分析

光电探测器的工作原理分析

       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8～14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：

　　工作温度高（高于77K），使用方便，而Ge：Hg工作温度为38K；本征吸收系数大，样品尺寸小；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。