光電技術(shù)光電導(dǎo)器件

1、第2章 光電導(dǎo)器件 某些物質(zhì)吸收了光子的能量產(chǎn)生本征吸收或雜質(zhì)吸收，從而改變了物質(zhì)電導(dǎo)率的現(xiàn)象稱為物質(zhì)的光電導(dǎo)效應(yīng)。利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的材料（如硅、鍺等本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體，硫化鎘、硒化鎘、氧化鉛等）可以制成電導(dǎo)隨入射光度量變化器件，稱為光電導(dǎo)器件或光敏電阻。 光敏電阻具有體積小，堅固耐用，價格低廉，光譜響應(yīng)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于微弱輻射信號的探測領(lǐng)域。 2.1 光敏電阻的原理與結(jié)構(gòu) o 1. 光敏電阻的基本原理光敏電阻的基本原理 圖2-1所示為光敏電阻的原理圖與光敏電阻的符號，在均勻的具有光電導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料的兩端加上電極便構(gòu)成光敏電阻。 當(dāng)光敏電阻的兩端加上適當(dāng)?shù)钠秒妷篣bb（如圖

2、2-1所示的電路）后，便有電流Ip流過，用檢流計可以檢測到該電流。 o 2 光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)光敏電阻的基本結(jié)構(gòu) 光敏電阻在微弱輻射作用的情況下光電導(dǎo)靈敏度Sg與光敏電阻兩電極間距離l的平方成反比；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；都與兩電極間距離l有關(guān)。 3種基本結(jié)構(gòu):o 3 典型光敏電阻典型光敏電阻 (1) CdS光敏電阻 （蛇形光敏面結(jié)構(gòu)蛇形光敏面結(jié)構(gòu)） CdS光敏電阻是最常見最常見的光敏電阻，它的光譜響應(yīng)特性最接近人眼光譜光視效率，它在可見光波可見光波段范圍內(nèi)的靈敏度最高靈敏度最高，因此，被廣泛地應(yīng)用于燈光的自動控制，照相機(jī)的自動測光等。

3、 CdS光敏電阻的峰值響應(yīng)波長為0.52m，CdSe光敏電阻為0.72m，一般調(diào)整S和Se的比例，可使Cd（S，Se）光敏電阻的峰值響應(yīng)波長大致控制在0.520.72m范圍內(nèi)。 o (2)、PbS光敏電阻 近紅外波近紅外波段（ 2m附近）最靈敏的光電導(dǎo)器件。 常用于火災(zāi)的探測等領(lǐng)域。 例如，室溫下的PbS光敏電阻的光譜響應(yīng)范圍為13.5m，峰值波長為2.4m，峰值比探測率D*高達(dá)11011cmHzW-1。當(dāng)溫度降低到（195K）時，光譜響應(yīng)范圍為14m，峰值響應(yīng)波長移到2.8m，峰值波長的比探測率D*也增高到21011cmHzW-1。 光譜響應(yīng)和比探測率等特性與工作溫度有關(guān)，隨著工作溫度的降低

4、其峰值響應(yīng)波長和長波長將向長長波波方向延伸，且比探測率D*增加。靈敏波段：應(yīng) 用：溫度特點(diǎn)：o（3）、InSb光敏電阻 35m光譜范圍內(nèi)的主要探測器件之一。 制造單元探測器件，制造陣列紅外探測器件。 在室溫下的長波長可達(dá)7.5m，峰值波長在6m附近，比探測率D*約為11011cmHzW-1。當(dāng)溫度降低到77K（液氮）時，其長波長由7.5m縮短到5.5m，峰值波長也將移至5m，恰為大氣的窗口范圍，峰值比探測率D*升高到21011cmHzW-1。 靈敏波段：應(yīng) 用：溫度特點(diǎn)： 光譜響應(yīng)和比探測率等特性與工作溫度有關(guān)，隨著工作溫度的降低其峰值響應(yīng)波長和長波長將向短短波波方向延伸，且比探測率D*增加。

5、o （4）Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)探測器件 Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)探測器件是目前所有紅外探測器中性能性能最優(yōu)良最優(yōu)良最有前途的探測器件，尤其是對于48m大氣窗口波段輻射的探測更為重要。 Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)體是由HgTe和CdTe兩種材料的晶體混合制造的，其中x標(biāo)明Cd元素含量的組分。在制造混合晶體時選用不同Cd的組分x，可以得到不同的禁帶寬度Eg，便可以制造出不同波長響應(yīng)范圍的Hg1-xCdxTe探測器件。一般組分x的變化范圍為0.180.4，長波長的變化范圍為130m。 2.2 光敏電阻的基本特性 o 1 光電導(dǎo)特性光電導(dǎo)特性 基本特性參數(shù)：光電導(dǎo)特性、時間響應(yīng)、光

6、譜響應(yīng)、伏安特性與噪聲特性等。 光敏電阻在黑暗的室溫條件下，由于熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子使它所具有的電導(dǎo)。 當(dāng)有光照射在光敏電阻上時，它的電導(dǎo)將變大，受光照時所具有的電導(dǎo)。 暗電導(dǎo)：光電導(dǎo)： 電導(dǎo)隨光照量變化越大的光敏電阻就越靈敏。電導(dǎo)隨光照量變化越大的光敏電阻就越靈敏。電導(dǎo)隨光照量的變化關(guān)系稱為光敏電阻的光電導(dǎo)特性。電導(dǎo)隨光照量的變化關(guān)系稱為光敏電阻的光電導(dǎo)特性。 實(shí)際上，光敏電阻在弱輻射到強(qiáng)輻射的作用下，它的光電導(dǎo)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， , e2lhqg 21,213eflKhbdqg弱輻射：強(qiáng)輻射：EEpIgUrgUS

7、E 恒定電壓的作用下，流過光敏電阻的光電流Ip為 rppgIg UUS E Sg為光電導(dǎo)靈敏度，E為光敏電阻的照度。顯然，當(dāng)照度很照度很低時，曲線近似為線性低時，曲線近似為線性，隨照度的增高，線性關(guān)系變壞，當(dāng)照度照度變得很高時，曲線近似為拋物線變得很高時，曲線近似為拋物線形形。 光敏電阻的光電導(dǎo)特性可用一個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。并將上式改為 EUSUgIgpp弱輻射1隨著入射輻射的增強(qiáng)，值減小，強(qiáng)輻射0.51gS ERlgRlglggSE 1221loglogloglogRREEo 2 伏安特性 光敏電阻的本質(zhì)是電阻，符合歐姆定律。因此，它具有與普通電阻相似的伏安

8、特性，但是它的電阻值是隨入射光度量而變化的。圖2-5所示為典型CdS光敏電阻的伏安特性曲線 。rppgIg UUS Eo 3 溫度特性 以室溫（25）的相對光電導(dǎo)率為100%，觀測光敏電阻的相對光電導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系，可以看出光敏電阻的相對光電導(dǎo)率隨溫度的升高而下降，光電響應(yīng)特性隨著溫度的變化較大。 o 4 時間響應(yīng) 用一個理想方波脈沖輻射照射光敏電阻時，光生電子要有產(chǎn)生的過程，光生電導(dǎo)率要經(jīng)過一定的時間才能達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)停止輻射時，復(fù)合光生載流子也需要時間，表現(xiàn)出光敏電阻具有較大的慣性。光敏電阻的慣性與入射輻射信號的強(qiáng)弱有關(guān)，下面分別討論。 1.弱輻射作用情況下的時間響應(yīng) 00t0t=000

9、t=0t0o 本征光電導(dǎo)器件在非平衡狀態(tài)非平衡狀態(tài)下/,n(1)teNe /0(1)teIIe當(dāng)t=r時， =0.630，I=0.63Ie0； r-光敏電阻的上升時間常數(shù) /0n(1)tqe 輻射過程：/0te/0teIIr與f近似相等。 2.強(qiáng)輻射作用情況下的時間響應(yīng) 0000t=0t0t=0t0（2-8） （2-9） 停止輻射后：o光敏電阻電導(dǎo)率的變化規(guī)律為 ttanh0tIItanh0其光電流的變化規(guī)律為 （2-10） （2-11） 停止輻射：/110t/110tII5 噪聲特性 o光敏電阻的主要噪聲有熱噪聲、產(chǎn)生復(fù)合和低頻噪聲(或稱1/f噪聲)。 1、熱噪聲 )(1K4)(202d2N

10、JRfTfId2NJK4)(RfTfI2、產(chǎn)生復(fù)合噪聲 20202ngr1f)/(4lIqI02ngr4lfIqI3、低頻噪聲（電流噪聲） bffbdlIcI212nf212nf2ngr2NJ)(IIIIN總噪聲6 光譜響應(yīng) 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)。 2.3 光敏電阻的變換電路o 1 1 基本偏置電路基本偏置電路 （ RLR：恒流， RLR：恒壓）恒壓）1/gvRgS E 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 LbbLRRUIRd)RR(d2LLbbUI2gvdRR S dE V2L2LEd)

11、RR(dgbbSRUI設(shè)iL=dIL，ev=dEv，則 v2L2)RR(eSRUigbbLUR=R/(R+RL) UbbvgLbbvgRUeSRRRUeSiiRRRiLL光電流的微變量為光電流的微變量為Rd)RR(d2LLbbUI2gvdRR S dE 加在光敏電阻上的電壓：加在光敏電阻上的電壓：偏置電阻RL兩端的輸出電壓為 ：v2LgL2LLLLL)RR(UeSRRiRRRRiRubb輻射入射輻射量（照度ev）成線性線性關(guān)系。 iRRRiLL當(dāng)電路參數(shù)確定后，輸出電壓信號與弱o 2 2 恒流電路恒流電路 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

12、ebeWeUIRU輸出電壓Uo: RIUUcbboRIUddcov2gEdRdRSvg2ebeWoddESRRUUUvg2eWoeSRRUu 恒流偏置電路的電壓靈敏度SV為 g2eWvSRRUS ebeWeUIRUo 3 3 恒壓電路恒壓電路 恒壓偏置電路的輸出電壓為 ：cccoRIEUdUo=RcdIc=RcdIe= RcSgUwd o 4 4 例題例題 例例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時輸出電壓為6V，80 lx時為8V。（設(shè)光敏電阻在30到100l

13、x之間的值不變） 試求：（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 . 91wbbRUUIW滿足穩(wěn)壓二極管的工作條件 （1）根據(jù)題目給的條件，可得到不同光照下光敏電阻的阻值 K6IV6ebb1URPK4IV8ebb2URP將Re1與Re2值代入值計算公式，得到光照度在4080lx之間的值 59. 0lg40lg80lg4lg6輸出為7V時光敏電阻的阻值應(yīng)為 K5IV7ebb3URP此時的光照度可由值計算公式獲得 59. 0lg40lgElg5lg63736. 1lg400.59lg5lg6lg3VEE3=54

14、.45（lx） （2）電路的電壓靈敏度SV (V/lx)069. 04045.5467SVEU 例例2-2 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6V，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時恒壓偏置電路的輸出電壓為11V,照度為450lx時輸出電壓為8V,試計算輸出電壓為9V時的照度（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

15、被穩(wěn)定在6V。 設(shè)光照度為150lx時的輸出電流為I1，與光敏電阻的阻值R1，則 )mA(92. 9510101210cbb1RUIk4 . 192. 37 . 067 . 01W1IUR 照度為300lx時流過光敏電阻的電流I2與電阻R2為7.8(mA)8Icbb2RUR2=680 由于光敏電阻在500到100lx間的值不變，因此該光敏電阻的值應(yīng)為 66. 0lglglglg1221EERR 輸出電壓為9V時，設(shè)流過光敏電阻的電流為I3，阻值為R3 (mA)88. 59cbb3RUIR3=900 代入值的計算公式，可計算出輸出電壓為9V時的入射照度E366. 0lglglglg2332EER

16、R292. 20.66lglglglg3223RREEE3=196(lx) 由值的計算公式可以找到500lx時的阻值R4及三極管的輸出電流I4為 R4=214 I4=24.7(mA)而此時的輸出電壓UO為 UO=UbbI4R4=6.7(V)即，在500lx的照度下恒壓偏置電路的輸出電壓為6.7V。 2.4 光敏電阻的應(yīng)用實(shí)例 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 繼電器繞組的直流電阻為RJ，使繼電器吸合的最小電流為

17、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)使燈在有人活動時照明燈才被點(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）對控制電路的干擾措施。 o 2.4.2 2.4.2 火焰探測報警器火焰探測報警器 圖2-16所示為采用光敏電阻為探測元件的火焰探測報警器電路圖。PbS光敏電阻的暗電阻的阻值為1M，亮電阻的阻值為0.2M(幅照度1mw/cm2下測試)，峰值響應(yīng)波長為2.2m，恰為火焰的峰值輻射光譜。 組成

18、：恒壓偏置電路高輸入阻抗放大器中心站放大器o 2.4.3 照相機(jī)電子快門 圖2-17所示為利用光敏電阻構(gòu)成的照相機(jī)自動曝光控制電路，也稱為照相機(jī)電子快門。 組成：控制電路時間檢出電路驅(qū)動放大電路執(zhí)行單元等組成。 t =（RW2+R）C ln Ubb/ Vth 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)按動快門的按鈕時，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，電容C兩端的電壓UC為0，由于電壓比較器的負(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