第二章-光電導(dǎo)器件分解

1、2021/2/111 光電探測器是一種能夠?qū)⒐獾男盘?hào)轉(zhuǎn)換為電的信號(hào)的半導(dǎo)體器件。光探測器的工作包括三個(gè)步驟:由入射光產(chǎn)生載流子;通過任何可行的電流增益機(jī)制,使載流子傳導(dǎo)及倍增;電流與外部電路相互作用,以提供輸出信號(hào)。 第二章、光電導(dǎo)器件第二章、光電導(dǎo)器件 光電探測器在所工作的波長中具有高靈敏度、高響應(yīng)速度及低噪聲。另外,光電探測器必須輕薄短小、使用低電壓或低電流,并具有高可靠度。 2021/2/112為何為何?2021/2/113在電路中的符號(hào)常見的光敏電阻有CdS、CdSe、PbS、InSb、HgxCd1-xTe（是由HgTe和CdTe兩種材料混在一起的固溶體 ）2021/2/114用于制造

2、光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制做很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極,然后接出引線,封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影響其靈敏度。光敏電阻的原理結(jié)構(gòu)如右圖所示。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當(dāng)受到光照時(shí)，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價(jià)帶中的電子吸收一個(gè)光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價(jià)帶中產(chǎn)生一個(gè)帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子空穴對(duì)增加了半導(dǎo)體材料中載流hWLD歐姆接觸歐姆接觸半導(dǎo)體hWLD歐姆接觸歐姆接觸半導(dǎo)體圖 8.30由一半導(dǎo)體平板與兩端的接觸所構(gòu)成的光敏電阻的示意圖2021/2/115子的數(shù)目,使其

3、電阻率變小,從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強(qiáng)，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)將逐漸復(fù)合，光敏電阻的阻值也就逐漸恢復(fù)原值。 在光敏電阻兩端的金屬電極之間加上電壓，其中便有電流通過，受到適當(dāng)波長的光線照射時(shí)，電流就會(huì)隨光強(qiáng)的增加而變大，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也可以加交流電壓。 某些光敏電阻的增益甚至可高達(dá)106。一般光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間為10-3s10-10s,它們被大量應(yīng)用于紅外光偵測,尤其是波長大于幾微米以上的區(qū)域。 2021/2/116 在第1章討論光電導(dǎo)效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn),光敏電阻在微弱輻射作用的情況下光電導(dǎo)靈敏度Sg與光

4、敏電阻兩電極間距離l的平方成反比,參見（1-85）式;在強(qiáng)輻射作用的情況下光電導(dǎo)靈敏度Sg與光敏電阻兩電極間距離l的二分之三次方成反比，參見（1-88）式;都與兩電極間距離l有關(guān)。 根據(jù)光敏電阻的設(shè)計(jì)原則可以設(shè)計(jì)出如圖2-2所示的3種基本結(jié)構(gòu),圖2-2（a）所示光敏面為梳形的結(jié)構(gòu)。 2021/2/1172021/2/118 CdS和CdSe（ 2.42、1.7 ev ） 低造價(jià)、高可靠、長壽命、可見光輻射探測器 光電導(dǎo)增益比較高(103104) 響應(yīng)時(shí)間比較長(大約50ms) 廣泛用于自動(dòng)化技術(shù)和攝影機(jī)中的光計(jì)量。PbS（常溫下禁帶寬度為0.41eV） 近紅外輻射探測器 波長響應(yīng)范圍在13.4

5、m,峰值響應(yīng)波長為2m 內(nèi)阻（暗阻）大約為1M 響應(yīng)時(shí)間約200s 廣泛用于遙感技術(shù)和武器紅外制導(dǎo)技術(shù)InSb(銻化銦,室溫下禁帶寬度為0.18eV) 近紅外輻射探測器，室溫下，噪聲大。在77k下,噪2021/2/119HgxCd1-xTe探測器 化合物本征型光電導(dǎo)探測器,它是由HgTe和CdTe兩種 材料混在一起的固溶體,其禁帶寬度隨組分x呈線性變化 當(dāng)x=0.2時(shí)響應(yīng)波長為814m,工作溫度77k,用液 氮致冷。聲性能大大改善峰值響應(yīng)波長為5m;響應(yīng)時(shí)間短（大約5010-9s）適用于快速紅外信號(hào)探測2021/2/11101)暗電阻、亮電阻 光敏電阻在室溫和全暗條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為暗電

6、阻,或暗阻。此時(shí)流過的電流稱為暗電流。例如MG41-21型光敏電阻暗阻大于等于0.1M。 光敏電阻在室溫和一定光照條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻或亮阻。此時(shí)流過的電流稱為亮電流。MG4121型光敏電阻亮阻小于等于1k。 亮電流與暗電流之差稱為光電流。 顯然,光敏電阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是說暗電流要小，亮電流要大。這樣光敏電阻的靈敏度就高。 2021/2/1111 2)光譜特性 對(duì)于不同波長的入射光,光敏電阻的相對(duì)靈敏度是不相同的。各種材料的光譜特性如下圖所示。從圖中看出,硫化鎘的峰值在可見光區(qū)域，而硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域，因此在選用光敏電阻時(shí)應(yīng)當(dāng)把元件和光源的種類結(jié)合起來考慮

7、，才能獲得滿意的結(jié)果。光敏電阻的光譜響應(yīng)主要由光敏材料禁帶寬度、雜質(zhì)電離能、材料摻雜比與摻雜濃度等因素有關(guān)。2021/2/1112 3)光電特性 光敏電阻的光電流與光照度之間的關(guān)系稱為光電特性。如圖2-3所示,光敏電阻的光電特性呈非線性。前面所講的光電轉(zhuǎn)換定律表達(dá)式是理想情況的轉(zhuǎn)換關(guān)系式?？紤]到許多實(shí)際因素,光敏電阻的光電特性并非呈線性 在1.5.1節(jié)討論光電導(dǎo)效應(yīng)時(shí)我們看到,光敏電阻在弱輻射和強(qiáng)輻射作用下表現(xiàn)出不同的光電特性（線性與非線性）,式（1-84）與（1-87）分別給出了它在弱輻射和強(qiáng)輻射作用下的光電導(dǎo)與輻射通量的關(guān)系。, e2lhqg 21,213eflKhbdqg（1-84）（1

8、-87）2021/2/1113 實(shí)際上,光敏電阻在弱輻射到強(qiáng)輻射的作用下,它的光電特性可用在“恒定電壓”作用下流過光敏電阻的電流Ip與作用到光敏電阻上的光照度E的關(guān)系曲線來描述。 如圖2-3所示的特性曲線反應(yīng)了流過光敏電阻的電流Ip與入射光照度E間的變化關(guān)系,由圖可見它是由直線性漸變到非線性的。 在恒定電壓的作用下,流過光敏電阻的光電流Ip為 EUSUgIgpp式中Sg為光電導(dǎo)靈敏度,E為光敏電阻的照度。2021/2/1114顯然,當(dāng)照度很低時(shí),曲線近似為線性，Sg由式（1-85）描述;隨照度的增高，線性關(guān)系變壞，當(dāng)照度變得很高時(shí)，曲線近似為拋物線形，Sg由式（1-87）描述。 光敏電阻的光電

9、特性可用一個(gè)隨光度量變化的指數(shù)伽瑪（）來描述,并定義為光電轉(zhuǎn)換因子。并將式（2-1）改為 EUSUgIgpp可以看出光敏電阻不適宜做檢測元件,這是光敏電阻的缺點(diǎn)之一,在自動(dòng)控制中它常用做開關(guān)式光電傳感器。Sg 與器件材料、尺寸、形狀以及載流子的壽命有關(guān);電壓指數(shù)一般取值在1.01.2;照度指數(shù)取值約在0.51.0。在低偏壓（幾伏到幾十伏）,弱光照下,電壓指數(shù)和照度指數(shù)通常都取12021/2/1115 在實(shí)際使用時(shí),常常將光敏電阻的光電特性曲線改用如圖2-4所示的特性曲線。圖2-4所示為兩種坐標(biāo)框架的特性曲線,其中(a)為線性直角坐標(biāo)系中光敏電阻的阻值R與入射照度EV的關(guān)系曲線，而(b)為對(duì)數(shù)直

10、角坐標(biāo)系下的阻值R與入射照度EV的關(guān)系曲線。 如圖2-4(b)所示的對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中光敏電阻的阻值R在某段照度EV范圍內(nèi)的光電特性表現(xiàn)為線性,即（2-2）式中的保持不變。 值為對(duì)數(shù)坐標(biāo)下特性曲線的斜率。即 1221loglogloglogEERR（2-3） R1與R2分別是照度為E1和E2時(shí)光敏電阻的阻值。 2021/2/1116LiRVu4)伏安特性 在一定照度下,光敏電阻兩端所加的電壓與流過光敏電阻的電流之間的關(guān)系,稱為伏安特性。光敏電阻兩端電壓為: 為有光照時(shí)的亮電阻，當(dāng)光照變化時(shí)， 變?yōu)?，電流 變?yōu)?，gRgRggRRiiigLRRViggLRRRVii上述兩式相減,則有:)()(2gL

11、ggLgLgRRRRRRRRVi2021/2/1117式中負(fù)號(hào)表示光照增大,亮阻減小,電流增大。同時(shí)，電流變化，引起光敏電阻兩端電壓的變化:LLLiRuiRVuRiiVuu)(2)(gLgRRRVi2)(gLLgRRRRVu代入 得: gLRR 當(dāng) 時(shí),上式有最大值, 為有光照時(shí)的亮電阻,gR 為負(fù)載電阻,稱為匹配負(fù)載電阻,但是入射光功率在較大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)變化，保持匹配工作狀態(tài)就比較難，此其缺點(diǎn)之二。LR2021/2/1118缺點(diǎn)之三:光敏電阻的響應(yīng)頻率比較低,響應(yīng)時(shí)間長。原因分析:忽略了極間電容的影響,當(dāng)入射光功率變化頻率較高時(shí)，等效電容不能省去。并且為了獲得大的電流，L尺寸小，使得極間電容

12、較大。以上分析了光敏電阻工作電流和電壓,下面看一下其工作功率,討論偏置電壓V的選取。在一定光照下,光敏電阻上產(chǎn)生的熱損耗功率為:gRiiu2max2PRiiug每一個(gè)型號(hào)的光敏電阻有對(duì)應(yīng)的額定功率 ,因此,maxP2021/2/1119gLRRVi)()(21maxgLgRRRPV21max)(2PRVg代入 得偏置電壓:在匹配條件下: 可知,光敏電阻伏安特性近似直線,受耗散功率的限制，在使用時(shí)，光敏電阻兩端的電壓不能超過最高工作電壓，圖中虛線為允許功耗曲線，由此可確定光敏電阻正常工作電壓。 2021/2/1120由于不同材料的光敏電阻時(shí)延特性不同,所以它們的頻率特性也不相同。附圖1給出相對(duì)靈

13、敏度,與光強(qiáng)變化頻率f之間的關(guān)系曲線，可以看出硫化鉛的使用頻率比硫化光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)是由電流上升時(shí)間 和衰減時(shí)間 表示的。rtft5)時(shí)間響應(yīng)特性 光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間與入射光的照度、所加電壓、負(fù)載電阻及照度變化前電阻所經(jīng)歷的時(shí)間（稱為前歷時(shí)間）等因素有關(guān)。6)頻率特性當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照時(shí),光電流要經(jīng)過一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值,光照突然消失時(shí)，光電流也不立刻為零。這說明光敏電阻有時(shí)延特性。2021/2/1121 1-黑暗放置3分鐘后 2-黑暗放置60分鐘后 3-黑暗放置24小時(shí)后2021/2/11222021/2/1123鎘高的多。但多數(shù)光敏電阻的時(shí)延都較大,因此不能用在要求快速響應(yīng)的場

14、合,這是光敏電阻的一個(gè)缺陷。附圖1 光敏電阻的頻率特性 1-PbS 2-CdS7)溫度特性光敏電阻和其他半導(dǎo)體器件一樣,受溫度影響較大,當(dāng)溫度升高時(shí)，它的暗電阻會(huì)下降。溫度的變化對(duì)光譜特性也有很大影響。附圖2是硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線。 從圖中可以看出,它的峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動(dòng)。因此,有時(shí)為了提高靈敏度，或?yàn)榱四芙邮苓h(yuǎn)紅外光而采取降溫措施。 2021/2/1124附圖2 PbS的光譜溫度特性在有光照時(shí),光敏電阻的阻值隨溫度變化而變化的變化率,在弱光照和強(qiáng)光照時(shí)都較大,而中等光照時(shí),則較小。例:CdS光敏電阻的溫度系數(shù)在10lx照度時(shí)約為0;照度高于10lx時(shí),溫度系數(shù)為正

15、;小于10lx時(shí)，溫度系數(shù)反而為負(fù)；照度偏離10lx愈多， 溫度系數(shù)也愈大。 另外，當(dāng)環(huán)境溫度在0+60的范圍內(nèi)時(shí)，光敏電阻的響應(yīng)速度幾乎不變；而在低溫環(huán)境下，光敏電阻的響應(yīng)速度變慢。例如，-30時(shí)的響應(yīng)時(shí)間約為+20時(shí)的兩倍。 光敏電阻的允許功耗,隨著環(huán)境溫度的升高而降低。2021/2/1125要防止使光敏電阻的電參數(shù)(電壓、功耗)超過允許值;根據(jù)不同用途,選用不同特性的光敏電阻。用于測光的光源光譜特性必須與光敏電阻的光敏特 性匹配;要防止光敏電阻受雜散光的影響;8)使用注意事項(xiàng)2021/2/1126 設(shè)在某照度Ev下,光敏電阻的阻值為R,電導(dǎo)為g，流過偏置電阻RL的電流為IL LbbLRR

16、UI用微變量表示 Rd)RR(d2LLbbUI而,dR=d(1/g)=(-1/g2 )dg dg=S dE 因此 22gv2021/2/1127V2L2LEd)RR(dgbbSRUI設(shè)iL=dIL,ev=dEv,則 v2L2)RR(eSRUigbbL 加在光敏電阻上的電壓為R與RL對(duì)電壓Ubb的分壓,即UR= Ubb R/(R+RL) ,因此，光電流的微變量為 vgLbbvgRUeSRRRUeSi將式（2-22）代入式（2-21）得 iRRRiLL（2-21）（2-22）（2-20）（2-23）Rd)RR(d2LLbbUIdR=d(1/g)=(-1/g2 )dg dg=S dE2021/2/1

17、128偏置電阻RL兩端的輸出電壓為 v2LgL2LLLLL)RR(UeSRRiRRRRiRubb從式（2-24）可以看出,當(dāng)電路參數(shù)確定后,輸出電壓信號(hào)與弱輻射入射輻射量（照度ev）成線性關(guān)系。 （2-24）2021/2/1129 在簡單偏置電路中,當(dāng)RLR時(shí),流過光敏電阻的電流基本不變，此時(shí)的偏置電路稱為恒流電路。然而，光敏電阻自身的阻值已經(jīng)很高，再滿足恒流偏置的條件就難以滿足電路輸出阻抗的要求，為此，可引入如圖2-13所示的晶體管恒流偏置電路。 穩(wěn)壓管DW將晶體三極管的基極電壓穩(wěn)定,即UB=UW,流過晶體三極管發(fā)射極的電流Ie 為 ebeWeUIRU（2-25） 2021/2/1130在晶

18、體管恒流偏置電路中輸出電壓Uo為 RIUUcbbo求微分得 RIUddco將 代入（2-27）得 v2gEdRdRS（2-27）（2-26）vg2ebeWoddESRRUUU或 vg2eWoeSRRUu 顯然,恒流偏置電路的電壓靈敏度SV為 g2eWvSRRUS （2-28）（2-29）（2-30）2021/2/1131 利用晶體三極管很容易構(gòu)成光敏電阻的恒壓偏置電路。如圖2-14所示為典型的光敏電阻恒壓偏置電路。 光敏電阻在恒壓偏置電路的情況下輸出的電流IP與處于放大狀態(tài)的三極管發(fā)射極電流Ie近似相等。因此,恒壓偏置電路的輸出電壓為 ccbboRIUU取微分,則得到輸出電壓的變化量為 dUo

19、=RcdIc=RcdIe= RcSgUwdE 2021/2/1132例例2-1 2-1 在如圖2-13所示的恒流偏置電路中,已知電源電壓為12V,Rb為820，Re為3.3k，三極管的放大倍率不小于80，穩(wěn)壓二極管的輸出電壓為4 V，光照度為40lx時(shí)輸出電壓為6V，80 lx時(shí)為8V。（設(shè)光敏電阻在30到100lx之間的值不變） （1）輸出電壓為7伏的照度為多少勒克司?（2）該電路的電壓靈敏度（V/ lx）。 解解 根據(jù)已知條件,流過穩(wěn)壓管DW的電流mA6 . 9wbbbWRUUI2021/2/1133滿足穩(wěn)壓二極管的工作條件滿足穩(wěn)壓二極管的工作條件 （1）根據(jù)題目給的條件,可得到不同光照下

20、光敏電阻的阻值 K6IV6ebb1UReK4IV8ebb2URe將Re1與Re2值代入值計(jì)算公式,得到光照度在4080lx之間的值 59. 0lg40lg80lg4lg6輸出為7V時(shí)光敏電阻的阻值應(yīng)為 K5IV7ebb3URP2021/2/1134此時(shí)的光照度可由值計(jì)算公式獲得 59. 0lg40lgElg5lg63736. 1lg400.59lg5lg6lg3VEE3=54.48（lx） （2）電路的電壓靈敏度SV (V/lx)V069. 04048.5467SEU2021/2/1135 例例2-22-2 在如圖2-14所示的恒壓偏置電路中,已知DW為2CW12型穩(wěn)壓二極管,其穩(wěn)定電壓值為6

21、V，設(shè)Rb=1k，RC=510, 三極管的電流放大倍率不小于80，電源電壓Ubb=12V，當(dāng)CdS光敏電阻光敏面上的照度為150lx時(shí)恒壓偏置電路的輸出電壓為10V,照度為300lx時(shí)輸出電壓為8V,試計(jì)算輸出電壓為9V時(shí)的照度（設(shè)光敏電阻在100500lx間的值不變）為多少lx? 照度到500lx時(shí)的輸出電壓為多少? 解解 分析電路可知，流過穩(wěn)壓二極管的電流滿足2CW12的穩(wěn)定工作條件，三極管的基極被穩(wěn)定在6V。 設(shè)光照度為150lx時(shí)的輸出電流為I1，與光敏電阻的阻值R1，則 )mA(92. 3510101210cbb1RUI2021/2/1136k35. 192. 37 . 067 .

22、01W1IUR同樣,照度為300lx時(shí)流過光敏電阻的電流I2與電阻R2為7.84(mA)8Icbb2RUR2=676 由于光敏電阻在100到500lx間的值不變,因此該光敏電阻的值應(yīng)為 1lglglglg1221EERR2021/2/1137當(dāng)輸出電壓為9V時(shí),設(shè)流過光敏電阻的電流為I3,阻值為R3，則 (mA)88. 59cbb3RUIR3=900 代入值的計(jì)算公式便可以計(jì)算出輸出電壓為9V時(shí)的入射照度E31lglglglg2332EERRE3=225(lx) 2021/2/1138由值的計(jì)算公式可以得到500lx時(shí)的阻值R4及三極管的輸出電流I4為 R4=405 I4=13(mA)而此時(shí)的

23、輸出電壓UO為 UO=UbbI4Rc=5.4(V)即,在500lx的照度下恒壓偏置電路的輸出電壓為5.4V。 2021/2/11391 1 、照明燈的光電控制電路、照明燈的光電控制電路 如圖2-15所示為一種最簡單的由光敏電阻作光電敏感器件的照明燈光電自動(dòng)控制電路。 它由3部分構(gòu)成 :半波整流濾波電路 測光與控制的電路 執(zhí)行電路 設(shè)使照明燈點(diǎn)亮的光照度為EV 2021/2/1140繼電器繞組的直流電阻為RJ,使繼電器吸合的最小電流為Imin,光敏電阻的光電導(dǎo)靈敏度為Sg，暗電導(dǎo)go=0，則 ?gJminvSRRIUE顯然,這種最簡單的光電控制電路還有很多缺點(diǎn),還需要改進(jìn)。在實(shí)際應(yīng)用中常常要附加

24、其他電路，如樓道照明燈常配加聲控開關(guān)或微波等接近開關(guān)使燈在有人活動(dòng)時(shí)照明燈才被點(diǎn)亮;而路燈光電控制器則要增加防止閃電光輻射或人為的光源（如手電燈光等）對(duì)控制電路的干擾措施。 2021/2/1141圖2-16所示為采用光敏電阻為探測元件的火焰探測報(bào)警器電路圖。PbS光敏電阻的暗電阻的阻值為1M,亮電阻的阻值為0.2M(輻照度1mw/cm2下測試),峰值響應(yīng)波長為2m，恰為火焰的峰值輻射光譜。 2021/2/1142 圖2-17所示為利用光敏電阻構(gòu)成的照相機(jī)自動(dòng)曝光控制電路,也稱為照相機(jī)電子快門。 電子快門常用于電子程序快門的照相機(jī)中,其中測光器件常采用與人眼光譜響應(yīng)接近的硫化鎘(CdS)光敏電阻

25、。照相機(jī)曝光控制電路是由光敏電阻R、開關(guān)K和電容C構(gòu)成的充電電路,時(shí)間檢出電路(電壓比較器)，三極管T構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)放大電路，電磁鐵M帶動(dòng)的開門葉片（執(zhí)行單元）等組成。 2021/2/1143 在初始狀態(tài),開關(guān)K處于如圖所示的位置,電壓比較器的正輸入端的電位為R1與RW1分電源電壓Ubb所得的閾值電壓Vth（一般為11.5V），而電壓比較器的負(fù)輸入端的電位VR近似為電源電位Ubb，顯然電壓比較器負(fù)輸入端的電位高于正輸入端的電位，比較器輸出為低電平，三極管截止，電磁鐵不吸合，開門葉片閉合。 當(dāng)按動(dòng)快門的按鈕時(shí),開關(guān)K與光敏電阻R及RW2構(gòu)成的測光與充電電路接通,這時(shí)，電容C兩端的電壓UC為0，由于電

26、壓比較器的負(fù)輸入端的電位低于正輸入端而使其輸出為高電平，使三極管T導(dǎo)通，電磁鐵將帶動(dòng)快門的2021/2/1144葉片打開快門,照相機(jī)開始曝光?？扉T打開的同時(shí),電源Ubb通過電位器RW2與光敏電阻R向電容C充電，且充電的速度取決于景物的照度，景物照度愈高光敏電阻R的阻值愈低，充電速度愈快。VR的變化規(guī)律可由電容C的充電規(guī)律得到 VR=Ubb1exp(t/) 式中為電路的時(shí)間常數(shù) =（RW2+R）C 2021/2/1145光敏電阻的阻值R與入射的光照度EV有關(guān) gSEgR1當(dāng)電容C兩端的電壓UC充電到一定的電位（VRVth）時(shí),電壓比較器的輸出電壓將由高變低,三極管T截止而使電磁鐵斷電，快門葉片又重新關(guān)