2.1 光敏电阻的原理与结构

1．光敏电阻的基本原理

图2-1所示为光敏电阻的原理图与光敏电阻的符号。在均匀的具有光电导效应的半导体材料的两端加上电极，便构成光敏电阻。当光敏电阻的两端加上适当的偏置电压Ubb （如图2-1所示的电路）后，便有电流Ip流过，用检流计可以检测到该电流。改变照射到光敏电阻上的光度量（如照度），发现流过光敏电阻的电流Ip将发生变化，说明光敏电阻的阻值随照度变化。

根据半导体材料的分类，光敏电阻有两大基本类型：本征型半导体光敏电阻与杂质型半导体光敏电阻。由式（1-70）、式（1-71）与式（1-72）可以看出，本征型半导体光敏电阻的长波长要短于杂质型半导体光敏电阻的长波长，因此，本征型半导体光敏电阻常用于可见光波段的探测，而杂质型半导体光敏电阻常用于红外波段甚至于远红外波段辐射的探测。

2．光敏电阻的基本结构

在1.6.1节讨论光电导效应时我们发现：光敏电阻在微弱辐射作用情况下的光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的平方成反比，参见式（1-85）；在强辐射作用的情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的二分之三次方成反比，参见式（1-88）。可见Sg与两电极间距离l有关。因此，为了提高光敏电阻的光电导灵敏度Sg，要尽可能地缩短光敏电阻两电极间的距离l。这就是光敏电阻结构设计的基本原则。

根据光敏电阻的设计原则可以设计出如图2-2所示的3种光敏电阻。图2-2（a）所示光敏面为梳形结构。两个梳形电极之间为光敏电阻材料，由于两个梳形电极靠得很近，电极间距很小，光敏电阻的灵敏度很高。图2-2（b）所示为光敏面为蛇形的光敏电阻，光电导材料制成蛇形，光电导材料的两侧为金属导电材料，并在其上设置电极。显然，这种光敏电阻的电极间距（为蛇形光电导材料的宽度）也很小，提高了光敏电阻的灵敏度。图2-2（c）所示为刻线式结构的光敏电阻侧向图，在制备好的光敏电阻衬基上刻出狭窄的光敏材料条，再蒸涂金属电极，构成刻线式结构的光敏电阻。

3．典型光敏电阻

（1）CdS光敏电阻

CdS光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率V（λ），它在可见光波段范围内的灵敏度最高，因此被广泛地应用于灯光的自动控制，以及照相机的自动测光等。CdS光敏电阻常采用蒸发、烧结或黏结的方法制备，在制备过程中把CdS和CdSe按一定的比例制配成Cd（S, Se）光敏电阻材料；或者在CdS中掺入微量杂质铜（Cu）和氯（Cl），使它既具有本征光电导器件的响应，又具有杂质光电导器件的响应特性，可使CdS光敏电阻的光谱响应向红外谱区延长，峰值响应波长也变长。

CdS光敏电阻的峰值响应波长为0.52 μm, CdSe光敏电阻为0.72 μm，通过调整S和Se的比例，可使Cd（S, Se）光敏电阻的峰值响应波长大致控制在0.52～0.72 μm范围内。

CdS光敏电阻的光敏面常为如图2-2（b）所示的蛇形光敏面结构。

表2-1所示为典型CdS光敏电阻的特性参数。表2-2所示为PbS等材料的光敏电阻特性参数。

（2）PbS光敏电阻

PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件。PbS光敏电阻常用真空蒸发或化学沉积的方法制备，光电导体的厚度为微米数量级的多晶薄膜或单晶硅薄膜。由于PbS光敏电阻在2 μm附近的红外辐射的探测灵敏度很高，因此，常用于火灾等领域的探测。

PbS光敏电阻的光谱响应及峰值比探测率等特性与工作温度有关，随着工作温度的降低其峰值响应波长和长波长将向长波方向延伸，且比探测率增加。例如，室温下的PbS光敏电阻的光谱响应范围为1～3.5 μm，峰值波长为2.4 μm，峰值比探测率D∗高达1 × 1011cm·Hz1/2·W-1。当温度降低到195 K时，光谱响应范围为1～4 μm，峰值响应波长移至2.8 μm，峰值比探测率D∗也增高到2 × 1011cm·Hz1/2·W-1。

（3）InSb光敏电阻

InSb光敏电阻为3～5 μm光谱范围内的主要探测器件之一。InSb光敏电阻由单晶材料制备，制造工艺比较成熟，经过切片、磨片、抛光后的单晶材料，再采用腐蚀的方法减薄到所需要的厚度，便制成单晶InSb光敏电阻。光敏面的尺寸为0.5 mm × 0.5 mm～8 mm × 8 mm。大光敏面的器件由于不能做得很薄，其探测率较低。InSb材料不仅适用于制造单元探测器件，也适宜制造阵列红外探测器件。

InSb光敏电阻在室温下的长波长可达7.5 μm，峰值波长在6 μm附近，比探测率D∗约为1 × 1011cm··W-1。当温度降低到77 K（液氮）时，其长波限由7.5 μm缩短到5.5 μm，峰值波长也将移至5 μm，恰为大气的窗口范围，峰值比探测率D∗升高到2 × 1011cm··W-1。

（4）Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件

Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件是目前所有红外探测器中性能最优良且最有前途的探测器件，尤其是对于4～8 μm大气窗口波段辐射的探测更为重要。

Hg1-xCdxTe系列光电导体是由HgTe和CdTe两种材料的晶体混合制造的，其中x标明Cd元素含量的组分。在制造混合晶体时选用不同Cd的组分x，可以得到不同的禁带宽度Eg，从而制造出不同波长响应范围的 Hg1-xCdxTe 探测器件。一般组分 x 的变化范围为0.18～0.4，长波限的变化范围为1～30 μm。