第4章-光電導(dǎo)器件

光電導(dǎo)器件是利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種光電探測(cè)器。光敏電阻又稱光導(dǎo)管或光電導(dǎo)體第4章

光電導(dǎo)器件1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)和分類一.光敏電阻的工作原理最典型的光電導(dǎo)器件是光敏電阻。

在一塊均質(zhì)光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母或其它絕緣材料基板上，兩端接有電極引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)而成的。

在軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域有廣泛用途。

在可見(jiàn)光或近紅外波段主要用于射線測(cè)量和探測(cè)、工業(yè)自動(dòng)控制、光度計(jì)量等；

在紅外波段主要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外熱成像、紅外遙感等方面。同學(xué)們想一想：為什么照相機(jī)會(huì)在不同光照下自動(dòng)曝光?為什么路燈能天黑亮而天亮滅？

光敏電阻分為兩類：本征型光敏電阻和摻雜型光敏電阻。兩種類型光敏電阻能帶圖為減少雜質(zhì)能級(jí)上電子的熱激發(fā)，常需要在低溫下工作。

強(qiáng)調(diào):從原理上說(shuō)，P型、N型半導(dǎo)體均可制成光敏電阻。

但是：由于電子的遷移率比空穴大，而且N型半導(dǎo)體材料制成的光敏電阻性能較穩(wěn)定，特性較好，故目前大都使用N型半導(dǎo)體光敏電阻。EcEvEd?EEcEvEg外電場(chǎng)方向

在外電場(chǎng)的作用下，光生載流子沿一定方向運(yùn)動(dòng)，在電路中形成電流。沒(méi)有光照:阻值很大，電流較??；有光照:光生載流子增加，阻值減小，電流增加。

光敏電阻沒(méi)有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)兩電極可加直流電壓，也可加交流電壓。

當(dāng)光電導(dǎo)體上加上電壓，無(wú)光照時(shí)具有熱激發(fā)載流子，其相應(yīng)的暗電導(dǎo)率為2

.

光敏電阻的工作原理

有光照時(shí)，具有光生載流子出現(xiàn)，因此當(dāng)光照穩(wěn)定時(shí)，亮電導(dǎo)率為遷移比由此可以得到光電導(dǎo)率為

有光照時(shí)產(chǎn)生的光生載流子濃度用Δn和Δp表示。光照穩(wěn)定情況下的載流子濃度為

在電場(chǎng)強(qiáng)度的作用下,短路光電流密度為

η為量子效率;V為材料體積

可以看出:由于光照的增加，電導(dǎo)率增加了，光電流也增加了。τ是什么意思?g為載流子產(chǎn)生率

N:單位時(shí)間產(chǎn)生的電子-空穴對(duì);壽命分別為?L為光電導(dǎo)體長(zhǎng)度A為光電導(dǎo)體橫截面面積

在光輻射作用下，由于光照增加的電子和空穴濃度，材料的電導(dǎo)率增加,增加多少呢?

U為所加電壓無(wú)光照:光敏電阻的暗電流

由光電導(dǎo)率引起的光電流結(jié)論:光敏電阻的光電流Ip與L的平方成反比光電導(dǎo)率UL結(jié)論:光敏電阻的光電流Ip與L的平方成反比

設(shè)計(jì)光敏電阻時(shí)為了減小電極間的距離L，保證光敏電阻有足夠的受光面積，一般采用下列結(jié)構(gòu):二光敏電阻的主要特性參數(shù)

暗電流:在室溫條件下，在全暗后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間測(cè)量的電阻值，稱為暗電阻.流過(guò)此電阻的電流.光電流+暗電流=亮電流

亮電流:在室溫條件下，光敏電阻在一定照度下的阻值，稱為該光照下的亮電阻,流過(guò)此電阻的電流.光敏電阻的特性參數(shù)有哪些?

光電導(dǎo)靈敏度;光電導(dǎo)增益;量子效率;光譜響應(yīng)率與光譜響應(yīng)曲線;響應(yīng)時(shí)間和頻率特性;前歷效應(yīng);光電特性和溫度特性等.

強(qiáng)調(diào)：一般光敏電阻的暗電阻在10MΩ以上，光照后顯著降低，亮電阻和暗電阻比值在10-2-10-6之間，比值越小光敏電阻的靈敏度越高。如圖為硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線。其阻值與入射光量有關(guān),而與電壓、電流無(wú)關(guān)。在給定偏壓下,光照度較大，光電流也越大。在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無(wú)飽和現(xiàn)象。但是電壓不能無(wú)限地增大，因?yàn)槿魏喂饷綦娮瓒际茴~定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過(guò)最高工作電壓和最大額定電流，可能導(dǎo)致光敏電阻永久性損壞。伏安特性：在一定照度下,流過(guò)光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。1.光電導(dǎo)靈敏度Sggp:光電導(dǎo)，單位為西門子S（Ω-1）。E：照度，單位為勒克斯（lx）。Sg:單位為西門子/勒克斯（S/lx）或Sm2/W。gP稱為光敏電阻的光電導(dǎo)按靈敏度定義若考慮暗電導(dǎo)產(chǎn)生的電流時(shí)，則流過(guò)光敏電阻的電流為

式中,I為亮電流；Ip為光電流；Id為暗電流；gd為暗電導(dǎo)；

g為亮電導(dǎo)。響應(yīng)量與輸入量之比

所以若考慮暗電流時(shí)光敏電阻的光電導(dǎo)為2.光電導(dǎo)增益

光電導(dǎo)增益M:表示長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光敏電阻兩端加上電壓U后，由光照產(chǎn)生的光生載流子在電場(chǎng)作用下所形成的外部光電流與光電子形成的內(nèi)部電流(qN)之間的比值光敏電阻電子增益系數(shù):

空穴增益系數(shù):

載流子的渡越時(shí)間:

在半導(dǎo)體中，電子和空穴的壽命是相同的，都等于載流子的平均壽命τ，即τ＝τn＝τP，所以本征型光敏電阻的增益系數(shù)可寫成:

光電導(dǎo)器件的量子效率η:表示每個(gè)入射光子所釋放的平均電子數(shù)。

無(wú)量綱:它表示單位時(shí)間內(nèi)每入射一個(gè)光子所能引起的載流子數(shù)

3.量子效率

硅和鍺光敏電阻的量子效率η-λ的關(guān)系曲線

假設(shè)入射的單色輻射功率φ(λ)能產(chǎn)生N個(gè)載流子，則量子效率

高增益系數(shù)的光敏電阻的電極間距很小，使得光敏電阻集光面積太小,使得光譜響應(yīng)率<1A/W而不實(shí)用。

延長(zhǎng)載流子壽命雖然能提高增益因數(shù)，但卻降低了響應(yīng)速度；可見(jiàn):在光敏電阻中，增益與響應(yīng)速度是相矛盾的兩個(gè)量

增大增益系數(shù)可提高的光譜響應(yīng)率4.光譜響應(yīng)率與光譜響應(yīng)曲線（波長(zhǎng)選擇性）

光譜響應(yīng)率表示在某一特定波長(zhǎng)下，輸出光電流(或電壓)與入射輻射能量之比。輸出光電流

從圖中可見(jiàn)，硫化鎘光敏電阻的光譜響應(yīng)的峰值在可見(jiàn)光區(qū)域,常被用作光度量測(cè)量（照度計(jì)）的探頭。硫化鉛光敏電阻響應(yīng)于近紅外和中紅外區(qū),常用做火焰探測(cè)器的探頭。如圖為幾種不同材料光敏電阻的光譜特性。不同波長(zhǎng),光敏電阻的靈敏度不同。不同材料的光敏電阻光譜響應(yīng)曲線也不同。5.響應(yīng)時(shí)間和頻率特性

光電導(dǎo)材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流需要一定時(shí)間，這個(gè)時(shí)間叫響應(yīng)時(shí)間。

通常材料突然受光照到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)光生載流子濃度的變化規(guī)律為

ΔP0為穩(wěn)態(tài)光生載流子濃度響應(yīng)時(shí)間反映了光敏電阻的惰性，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)說(shuō)明光敏電阻對(duì)光的變化反應(yīng)慢或惰性大。

定義：光生載流子濃度上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所需的時(shí)間為上升響應(yīng)時(shí)間

停止光照后光生載流子濃度的變化為

光照停止后，光生載流子下降到穩(wěn)定值的37%時(shí)所需的時(shí)間為下降時(shí)間。

當(dāng)輸入光功率按正弦規(guī)律變化時(shí)，光生載流子濃度隨光調(diào)制頻率變化的關(guān)系為上升時(shí)間和下降時(shí)間相等，同等于載流子壽命。

輸出光電流與調(diào)制頻率的關(guān)系具有低通特性

四種不同材料光敏電阻的頻率響應(yīng)曲線

1:硒2:硫化鎘3:硫化砣4:硫化鉛實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)所加電壓一定時(shí)，光電流和照度關(guān)系曲線

6.光電特性和γ值

光敏電阻的光電流與入射光通量之間的關(guān)系稱光電特性當(dāng)弱光照時(shí)

?當(dāng)強(qiáng)光照時(shí)

?討論兩種情況:

γ為照度指數(shù):在弱光照時(shí)為1，稱線性光電導(dǎo)；在強(qiáng)光照時(shí)為0.5，為非線性光電導(dǎo)；一般情況下在0.5～l之間。

Sg是光電導(dǎo)靈敏度，它與光敏電阻材料有關(guān)；U為外加電源電壓；Ф為入射光通量；E為入射光照度；光敏電阻的光電特性一般用下列關(guān)系式?jīng)Q定:弱光照時(shí):τ和tdr不變，光電流和光照成正比

強(qiáng)光照時(shí):τ與光子濃度有關(guān)，tdr因電子濃度變大而變化變，光電流和光照呈非線性7.前歷效應(yīng)

前歷效應(yīng)：指光敏電阻的響應(yīng)特性與工作前的“歷史”有關(guān)的一種現(xiàn)象。

前歷效應(yīng)：暗態(tài)前歷效應(yīng)、亮態(tài)前歷效應(yīng)

暗態(tài)前歷效應(yīng)：指光敏電阻測(cè)試（工作）前處于暗態(tài)，當(dāng)它突然受到光照后所表現(xiàn)出的一些現(xiàn)象?

現(xiàn)象:暗態(tài)前歷越長(zhǎng)，光電流上升越慢硫化鎘光敏電阻的暗態(tài)前歷效應(yīng)曲線

1:3min2:1h3:24h

亮態(tài)前歷效應(yīng)：指光敏電阻測(cè)試（工作）前已處于亮態(tài)，當(dāng)照度與工作時(shí)所要達(dá)到的照度不同時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定值所需時(shí)間存在滯后現(xiàn)象

由低照度變?yōu)楦哒斩葼顟B(tài).長(zhǎng)?

由高照度變?yōu)榈驼斩葼顟B(tài).短?亮態(tài)前歷現(xiàn)象測(cè)試結(jié)果圖,其中E2是要達(dá)到的照度。硫化鎘單晶溫度特性曲線:硫化鎘多晶溫度特性曲線:

硫化鉛光敏電阻在冷卻情況下相對(duì)光譜靈敏度的變化情況:

光敏電阻的溫度特性比較復(fù)雜，在一定的照度下，亮電阻的溫度系數(shù)α:8．溫度特性

溫度對(duì)光譜響應(yīng)也有影響:光譜特性主要決定于材料的禁帶寬度，禁帶寬度越窄對(duì)長(zhǎng)波越敏感，但禁帶很窄時(shí)，半導(dǎo)體中熱激發(fā)會(huì)使自由載流子濃度增加，使復(fù)合運(yùn)動(dòng)加快，靈敏度降低。式中，R1、R2分別為與溫度T1、T2相對(duì)應(yīng)的亮電阻。

可見(jiàn),采取冷卻靈敏面的方法,可提高靈敏度。

結(jié)論:溫度低時(shí)，靈敏范圍和峰值波長(zhǎng)都向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。

一般規(guī)定在100lx下測(cè)試

9.穩(wěn)定性初制成的光敏電阻，由于體內(nèi)機(jī)構(gòu)工作不穩(wěn)定，以及電阻體與其介質(zhì)的作用還沒(méi)有達(dá)到平衡，所以性能是不夠穩(wěn)定的。但在人為地加溫、光照及加負(fù)載情況下，經(jīng)一至二周的老化，性能可達(dá)穩(wěn)定。光敏電阻在開始一段時(shí)間的老化過(guò)程中，有些樣品阻值上升，有些樣品阻值下降，但最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值后就不再變了。這就是光敏電阻的主要優(yōu)點(diǎn)。光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下，幾乎是無(wú)限長(zhǎng)的。硫化鎘光敏電阻的時(shí)間特性曲線三光敏電阻的偏置電路和噪聲1.偏置電路

圖中:

Rp為光敏電阻，RL為負(fù)載電阻，Ub為偏置電壓，UL為負(fù)載電阻兩端電壓。

在一定光照范圍內(nèi)光敏電阻阻值不隨所加電壓改變，而是取決于輸入光照E，忽略暗電導(dǎo)時(shí)

結(jié)論：電阻值隨光照度的增加而減小RLRPUbIUL

實(shí)線：不同光照下光敏電阻的伏安特性曲線和負(fù)載線。保證：光敏電阻在任何光照下不因過(guò)熱而損壞！

結(jié)論:

光通量Φ變化時(shí)，流過(guò)光敏電阻電流和兩端電壓都在變。

虛線：光敏電阻的極限功耗曲線;

光敏電阻的功耗為P=IU，實(shí)際使用時(shí)要求P=IU<PMAX

負(fù)載電流和電壓的變化近似與光通量的變化Δφ成正比

光敏電阻的伏安特性曲線Q1、Q2、Q3

為工作點(diǎn)ΔI=?

設(shè)光通量變化ΔΦ，電阻變化ΔRp，電流變化ΔI

？

定義：負(fù)載電流與光敏電阻無(wú)關(guān)的電路為恒流偏置電路。討論幾種情況:(1).恒流偏置滿足條件:

RL>>RP

表明:負(fù)載電流與光敏電阻無(wú)關(guān),近似保持常數(shù)I=?RLRPUbIUL

負(fù)載電流隨著光通量的變化關(guān)系式為：說(shuō)明：輸出信號(hào)電流與光敏電阻和負(fù)載電阻的比值有關(guān)，與偏置電壓正比。恒流偏置電路特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：電壓信噪比高，適用于高靈敏度測(cè)量；缺點(diǎn)：負(fù)載很大，光敏電阻正常工作的偏置電壓達(dá)100V，使用起來(lái)不方便；可用晶體管實(shí)現(xiàn)恒流。

定義：光敏電阻上的電壓保持不變的電路為恒壓偏置電路(2).恒壓偏置滿足條件:RL<<RP

表明:光敏電阻上的電壓近似等于UbUL=?RLRPUbIUL

負(fù)載上的信號(hào)電壓為：說(shuō)明：輸出信號(hào)電壓與光敏電阻無(wú)關(guān)，與電導(dǎo)的相對(duì)變化有關(guān)。優(yōu)點(diǎn)：電路需更換光敏電阻時(shí)，對(duì)電路初始狀態(tài)影響不明顯(3).恒功率偏置滿足條件:RL=RP

表明:負(fù)載匹配時(shí),光敏電阻輸出的電功率最大。P=?RLRPUbIUL

注意：當(dāng)兩個(gè)光通量相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí),相應(yīng)的光電阻也相差很大,此時(shí)想要保持阻抗匹配，是相當(dāng)困難的。

經(jīng)過(guò)分析計(jì)算知，當(dāng)RL=?負(fù)載上可以得到最大的電壓變化幾何平均數(shù)（Geometricmean）

例題，若負(fù)載電阻RL=1MΩ，光敏電阻的亮電阻為1MΩ，

Pmax=0.1W/cm2，當(dāng)光敏面積為0.01cm2時(shí)，求最大偏置電壓？

解：設(shè)光敏電阻的亮電阻為Rg，偏置電壓為U,根據(jù)題意有RLRgUiUL功率匹配時(shí)有RL=Rg，因此有代入已知數(shù)有：該系列光敏電阻是目前所有探測(cè)器中性能最優(yōu)良和最有前途的光敏電阻。它有CdTe和HgTe兩種材料混合而成，Cd的含量不同敏感范圍不同。該系列光敏電阻的探測(cè)率較低，用的較少。它由PbTe和SnTe兩種材料混合而成，Sn的含量不同,峰值波長(zhǎng)和長(zhǎng)波限也跟著改變。(1).硫化鎘(CdS)光敏電阻

1.常見(jiàn)光敏電阻及其特點(diǎn)(2).硫化鉛(PbS)光敏電阻

(3).銻化銦(InSb)光敏電阻

(4).碲鎘汞系列光敏電阻(5).碲錫鉛(PbSnTe)系列光敏電阻峰值波長(zhǎng)為0.52微米，是可見(jiàn)光段內(nèi)最靈敏的光電導(dǎo)器件，主要用于燈控，自動(dòng)調(diào)焦，自動(dòng)相機(jī)中。是近紅外波段最靈敏的光電導(dǎo)器件。室溫下長(zhǎng)波限為7.5微米，四光敏電阻的特點(diǎn)和應(yīng)用

光敏電阻常用來(lái)制作光控開關(guān)，例如照相機(jī)自動(dòng)曝光電路和路燈自動(dòng)控制電路

J~220VRDCCdS燈常閉分析工作原理2.光敏電阻的應(yīng)用

電路兩部分組成：電阻R、電容C和二極管D組成半波整流濾波電路；CdS光敏電阻和繼電器J組成控制電路。