光电器件光谱响应

定义与表征

光电器件的光谱响应（光谱特性）是指器件对相同功率、不同波长入射光所产生的光电流（或相对灵敏度）随波长变化的规律。通常以横轴为入射光波长（单位常用 nm、μm 或 Å，1 μm = 1000 nm，1 Å = 0.1 nm），纵轴为相对灵敏度（%）或绝对灵敏度绘成光谱响应曲线。曲线存在一个峰值，峰值对应的波长称为峰值波长；灵敏度下降到一定程度的波长区间称为响应波段（光谱响应范围）。

物理机理

在本征单光子带间跃迁模型下，光电效应能否发生取决于入射光子能量 hν 与材料禁带宽度 Eg 的关系。只有 hν ≥ Eg 时，价带电子才能被激发到导带产生光生载流子，故存在长波限（截止波长）λc = hc/Eg，其中 h 为普朗克常数，c 为光速，Eg 为材料禁带宽度。计算 λc 时 h、c 与 Eg 必须采用一致的能量单位：若 h 用 J·s，则 Eg 须换算为 J；若 Eg 用 eV，则 h 须用 eV·s。波长大于 λc 的光子能量不足，器件不响应。该条件不适用于外光电效应的逸出功条件、杂质能级跃迁等其他光电过程。短波方向灵敏度下降则与表面复合增强、吸收系数过大使光生载流子集中在表面等因素有关。因此不同材料因 Eg 不同，其峰值波长和响应波段不同。

典型器件的光谱响应

• 光敏电阻：不同材料响应波段差异显著。课件给出硫化镉峰值约在 5000~6000 Å（可见光区），硫化铊峰值约在 10000 Å，硫化铅峰值约在 20000~25000 Å（红外区）。选用时必须根据光源波长特性选择材料。
• 光敏二极管/三极管：课件给出硅管响应峰值约 800 nm，锗管峰值约 1500 nm 且更偏长波。可见光及近红外通常选硅管；锗管响应峰值约 1500 nm、常见响应延伸至约 1.8 μm，仍属近红外，不能据此推出远红外应选锗管，远红外波段应按具体器件的响应范围匹配选用。
• 光电池：硅光电池响应范围约 0.4~1.2 μm，峰值约 0.8 μm；硒光电池响应范围约 0.38~0.75 μm，峰值约 0.5 μm。硒光电池光谱特性与人眼视觉相近，适宜测可见光；硅光电池响应范围更宽。

温度对光谱响应的影响

温度对光敏电阻光谱响应峰值的影响与材料及工作条件有关，不能无条件推广到所有光敏电阻材料；峰值由带隙、载流子寿命、复合过程和器件状态共同决定。课件给出的硫化铅光敏电阻示例中，-20 ℃ 时峰值约在 3×10⁴ Å，+20 ℃ 时峰值约在 2×10⁴ Å，即该材料在该条件下降温可使峰值向长波方向移动，从而提高对长波光的响应。

光源与接收器件的匹配

光谱响应的工程意义在于光源光谱与接收器件响应波段必须匹配。若光源辐射集中在器件响应很弱的波段，即使光功率很大，输出信号仍很小。课件指出，采用固态光源时需选用敏感波长与光源接近的光敏元件以提高转换效率；光纤传感中，硅和锗光电探测器的接收灵敏度与光纤低损耗波段匹配良好，故被广泛采用。血氧仪即利用 660 nm 红光处含氧与脱氧血红蛋白吸光系数差值最大这一光谱特征，并选用线性度好的硅光敏二极管作为检测器件。