光电导探测器在各行业的应用

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光电导探测器是（photoconductivedetector）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：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1～3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）。3～5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。8～14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。