光導探測器
利用半導體材料的光電導效應制成的光檢測器。所謂光電導效應，是指被照射物質的電導率因輻射而發生變化的壹種物理現象。光導探測器在軍事和國民經濟中有著廣泛的應用。在可見光或近紅外波段，主要用於射線測量和檢測、工業自動控制、光度測量等。在紅外波段，主要用於導彈制導、紅外熱成像、紅外遙感等。光電導體的另壹個應用是用作攝像管的靶面。為了避免光生載流子擴散造成的圖像模糊，高電阻多晶材料，如PbS-PbO和Sb2S3，用於連續薄膜靶。其他材料可以采用嵌入靶面的方法，整個靶面由大約65438+萬個單個探測器組成。
1873年，英國的W. Smith發現了硒的光電導效應，但這壹效應長期處於探索和研究階段，並未在實踐中得到應用。第二次世界大戰後，隨著半導體的發展，各種新型光導材料不斷出現。在可見光波段，到50年代中期，性能良好的硫化鎘和硒化鎘光敏電阻和紅外波段的硫化鉛光電探測器已經投入使用。20世紀60年代初，研制成功了中遠紅外波段靈敏的摻鍺摻矽光電導探測器。典型的例子是工作在3 ~ 5微米和8 ~ 14微米的Ge:Au(摻鍺金)和Ge:Hg光電導探測器。自20世紀60年代末以來，在HgCdTe、PbSnTe等變帶隙三元材料方面取得了研究進展。
工作原理及特點光導效應是壹種內部光電效應。當照射的光子能量hv等於或大於半導體的禁帶寬度Eg時，光子可以將價帶中的電子激發到導帶中，從而產生導電的電子-空穴對，這就是本征光電導效應。這裏h是普朗克常數，v是光子頻率，Eg是材料的帶隙寬度(以電子伏特為單位)。因此，本征光電導體的響應長波極限λc為
λc=hc/Eg=1.24/Eg(微米)
其中c是光速。本征光電導材料的長波長極限受到帶隙寬度的限制。60年代初以前，窄帶隙的半導體材料還沒有開發出來，所以人們使用非本征光導效應。鍺、矽等材料的禁帶中存在著深淺不壹的雜質能級。只要照射的光子能量等於或大於雜質能級的電離能，就可以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長極限λ通過以下公式獲得
λc=1.24/Ei
其中Ei代表雜質能級的電離能。到60年代中後期，Hg1-xCdxTe、PbxSn1-xTe、PbxSn1-xSe等三元半導體材料研制成功並投入實用。它們的帶隙隨組分x的取值而變化，如x = 0.2的HG0.8Cd0.2Te材料可制成響應波長為8 ~ 14微米大氣窗口的紅外探測器。與工作在同壹波段的Ge: Hg探測器相比，具有以下優點:①工作溫度高(高於77K)，使用方便，而Ge:Hg的工作溫度為38K。②本征吸收系數大，樣本量小。(3)易於制造多個部件。表1和表2分別列出了壹些半導體材料的Eg、Ei和λc值。
壹般任何帶隙或雜質電離能合適的半導體材料都具有光電效應。但制造實用器件要考慮性能、技術、價格等因素。常用的光電導探測器材料有:CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge等。在輻射和可見光波段；在近紅外波段:PbS，PbSe，InSb，Hg0.75Cd0.25Te等。在大於8微米的波段，有:Hg1-xCdxTe，PbxSn1-x，Te，Si摻雜，Ge摻雜等。CdS、CdSe、PbS等材料可以制成多晶薄膜形式的光電導探測器。
可見光波段光電導探測器CdS、CdSe、CdTe的響應波段都在可見光或近紅外區，通常稱為光敏電阻。它們具有很寬的帶隙(遠大於1 eV)，可以在室溫下工作，因此器件結構相對簡單。壹般采用半密封的膠木外殼，前面有透光窗口，後面引出兩個引腳作為電極。高溫高濕環境下使用的光導探測器可采用金屬全密封結構，玻璃窗與可伐金屬外殼熔合。
器件的靈敏度用壹定偏壓下每流明輻照產生的光電流來表示。比如偏置電壓為70伏時，暗電流為10-6 ~ 10-8 A，照明靈敏度為3 ~ 10a/流明。CdSe光敏電阻通常比CdS更敏感。光敏電阻的另壹個重要參數是時間常數τ，它表示器件對光的反應速度。突然撤除光照後，光電流下降到最大值1/e(約37%)所需的時間就是時間常數τ。有的在光電流下降到最大值的10%時計算τ；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)。
紅外光導探測器PbS和Hg1-xCdxTe的共同響應波段在三個大氣透過窗口:1 ~ 3微米、3 ~ 5微米和8 ~ 14微米。由於它們的帶隙較窄，熱激發足以在室溫下使導帶中產生大量自由載流子，大大降低了對輻射的敏感性。對光的響應波長越長，導電體越明顯，1 ~ 3微米波段的探測器可以在室溫下工作(靈敏度略有下降)。3 ~ 5微米波段有三種探測器:①工作在室溫，但靈敏度大大降低，探測度壹般只有1 ~ 7×108cm W-1hz；②工作在熱電制冷溫度(約-60℃)，探測度約為109cm W-1hz；③工作在③77K或更低溫度，探測度可達1010 cm W-1 Hz以上。8 ~ 14微米波段的探測器必須在低溫下工作，所以光電導體要保存在真空杜瓦瓶中，冷卻方式有充液氮和使用微型制冷機兩種。
紅外探測器的時間常數比光敏電阻的時間常數小得多。壹般PbS探測器的時間常數為50 ~ 500微秒，HgCdTe探測器的時間常數在10-6 ~ 10-8秒量級。紅外探測器有時會探測到非常微弱的輻射信號，比如10-14瓦；輸出的電信號也很小，所以要有專門的前置放大器。