高灵敏度宽谱响应石墨烯光电探测器研究结题摘要

稳定光源的谱宽是指稳定光源输出光谱从其最大点下降3dB所对应的宽度。

光电探测器件的应用选择， 实际上是应用时的一些事项或要点。在很多要求不太严格的应用中，可采用任何一种光电探测器件。不过在某些情况下，选用某种器件会更合适些。例如，当需要比较大的光敏面积时，可选用真空光电管，因其光谱响应范围比较宽，故真空光电管普遍应用于分光光度计中。当被测辐射信号微弱、要求响应速度较高时，采用光电倍增管最合适，因为其放大倍数可达to'以上，这样高的增益可使其信号超过输出和放大线路内的噪声分量，使得对探测器的限制只剩下光阴极电流中的统计变化。因此，在天文学、光谱学、激光测距和闪烁计数等方面，光电倍增管得到广泛应用。

固体光电探测器用途非常广。CdS光敏电阻因其成本低而在光亮度控制(如照相自动曝光)中得到采用;光电池是固体光电器件中具有最大光敏面积的器件，它除用做探测器件外，还可作太阳能变换器;硅光电二极管体积小、响应快、可靠性高，而且在可见光与近红外波段内有较高的量子效率，困而在各种工业控制中获得应用。硅雪崩管由于增益高、响应快、噪声小，因而在激光测距与光纤通信中普遍采用。

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 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、InGaAs、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:

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;热电致冷温度下工作(约-60℃),探测度约为109厘米·瓦-1·赫;77K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。

在动态特性(即频率响应与时间响应)方面，以光电倍增管和光电二极管(尤其是PIN管与雪崩管)为最好;在光电特性(即线性)方面，以光电倍增管、光电二极管和光电池为最好;在灵敏度方面，以光电倍增管、雪崩光电二极管、光敏电阻和光电三极管为最好。值得指出的是，灵敏度高不一定就是输出电流大，而输出电流大的器件有大面积光电池、光敏电阻、雪崩光电二极管和光电三极管;外加偏置电压最低的是光电二极管、光电三极管，光电池不需外加偏置;在暗电流方面，光电倍增管和光电二极管最小，光电池不加偏置时无暗电流，加反向偏置后暗电流也比光电倍增管和光电二极管大;长期工作的稳定性方面，以光电二极管、光电池为最好，其次是光电倍增管与光电三极管;在光谱响应方面，以光电倍增管和CdSe光敏电阻为最宽，但光电倍增管响应偏紫外方向，而光敏电阻响应偏红外方向。