第2章光電導(dǎo)器件

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(jiān)固耐用，價(jià)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(hào)的探測(cè)領(lǐng)域。

2.1光敏電阻的原理與結(jié)構(gòu)

2.1.1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(hào)，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2-1所示的電路）后，便有電流Ip流過，用檢流計(jì)可以檢測(cè)到該電流。

2.1.2光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)

在第1章1.6.1節(jié)討論光電導(dǎo)效應(yīng)時(shí)我們發(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)，2.1.3典型光敏電阻

1.CdS光敏電阻

CdS光敏電阻是最常見的光敏電阻，它的光譜響應(yīng)特性最接近人眼光譜光視效率，它在可見光波段范圍內(nèi)的靈敏度最高，因此，被廣泛地應(yīng)用于燈光的自動(dòng)控制，照相機(jī)的自動(dòng)測(cè)光等。

CdS光敏電阻的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為0.52μm，CdSe光敏電阻為0.72μm，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(zhǎng)大致控制在0.52~0.72μm范圍內(nèi)。

CdS光敏電阻的光敏面常為如圖2-2（b）所示的蛇形光敏面結(jié)構(gòu)。

2.PbS光敏電阻

PbS光敏電阻是近紅外波段最靈敏的光電導(dǎo)器件。

PbS光敏電阻在2μm附近的紅外輻射的探測(cè)靈敏度很高，因此，常用于火災(zāi)的探測(cè)等領(lǐng)域。

PbS光敏電阻的光譜響應(yīng)及峰值比探測(cè)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(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)將向長(zhǎng)波方向延伸，且比探測(cè)率增加。例如，室溫下的PbS光敏電阻的光譜響應(yīng)范圍為1~3.5μm，峰值波長(zhǎng)為2.4μm，峰值比探測(cè)率高達(dá)1×1011cm·Hz·W-1。當(dāng)溫度降低到195K時(shí)，光譜響應(yīng)范圍為1~4μm，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)移到2.8μm，峰值波長(zhǎng)的比探測(cè)率也增高到2×1011cm·Hz·W-1。

3.InSb光敏電阻

InSb光敏電阻是3~5μm光譜范圍內(nèi)的主要探測(cè)器件之一。

InSb材料不僅適用于制造單元探測(cè)器件，也適宜制造陣列紅外探測(cè)器件。

InSb光敏電阻在室溫下的長(zhǎng)波長(zhǎng)可達(dá)7.5μm，峰值波長(zhǎng)在6μm附近，比探測(cè)率約為1×1011cm·Hz·W-1。當(dāng)溫度降低到77K（液氮）時(shí)，其長(zhǎng)波長(zhǎng)由7.5μm縮短到5.5μm，峰值波長(zhǎng)也將移至5μm，恰為大氣的窗口范圍，峰值比探測(cè)率升高到2×1011cm·Hz·W-1。

4.Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)探測(cè)器件

Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)探測(cè)器件是目前所有紅外探測(cè)器中性能最優(yōu)良最有前途的探測(cè)器件，尤其是對(duì)于4~8μm大氣窗口波段輻射的探測(cè)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(shí)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(zhǎng)響應(yīng)范圍的Hg1-xCdxTe探測(cè)器件。一般組分x的變化范圍為0.18~0.4，長(zhǎng)波長(zhǎng)的變化范圍為1~30μm。

2.2

光敏電阻的基本特性

2.2.1光電特性

光敏電阻為多數(shù)電子導(dǎo)電的光電敏感器件，它與其他光電器件的特性的差別表現(xiàn)在它的基本特性參數(shù)上。光敏電阻的基本特性參數(shù)包含光電特性、時(shí)間響應(yīng)、溫度特性、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)生的載流子使它具有一定的電導(dǎo)，該電導(dǎo)稱為暗電導(dǎo)。當(dāng)有光照射在光敏電阻上時(shí)，它的電導(dǎo)將變大，這時(shí)的電導(dǎo)稱為光電導(dǎo)。電導(dǎo)隨光照量變化越大的光敏電阻就越靈敏。這個(gè)特性稱為光敏電阻的光電特性。

在1.6.1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：

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，

（1-84）（1-87）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：

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。式中：Sg為光電導(dǎo)靈敏度，E為光敏電阻的照度。光敏電阻的光電特性可用一個(gè)隨光度量變化的指數(shù)伽瑪（γ）來描述，并定義γ為光電轉(zhuǎn)換因子。并將式改為：

光電轉(zhuǎn)換因子在弱輻射作用的情況下為1，隨著入射輻射的增強(qiáng)，γ值減小，當(dāng)入射輻射很強(qiáng)時(shí)γ值降低到0.5。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γ保持不變。γ值為對(duì)數(shù)坐標(biāo)下特性曲線的斜率。即（2-3）R1與R2分別是照度為E1和E2時(shí)光敏電阻的阻值。光敏電阻的γ值反映了在照度范圍變化不大或者照度的絕對(duì)值較大甚至光敏電阻接近飽和的情況下的阻值與照度的關(guān)系。定義光敏電阻的γ值必須說明照度范圍。2.2.2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特性，但是它的電阻值是隨入射光度量而變化的。利用圖2-1所示的電路可以測(cè)出在不同光照下加在光敏電阻兩端的電壓U與流過它的電流Ip的關(guān)系曲線，并稱其為光敏電阻的伏安特性。圖2-5所示為典型CdS光敏電阻的伏安特性曲線。2.2.3溫度特性

光敏電阻為多數(shù)載流子導(dǎo)電的光電器件，具有復(fù)雜的溫度特性。

圖2-6所示為典型CdS與CdSe光敏電阻在不同照度下的溫度特性曲線。以室溫（25℃）的相對(duì)光電導(dǎo)率為100%，觀測(cè)光敏電阻的相對(duì)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(duì)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。

2.2.4時(shí)間響應(yīng)

光敏電阻的時(shí)間響應(yīng)（又稱為慣性）比其他光電器件要差（慣性要大）些，頻率響應(yīng)要低些，而且具有特殊性。當(dāng)用一個(gè)理想方波脈沖輻射照射光敏電阻時(shí)，光生電子要有產(chǎn)生的過程，光生電導(dǎo)率Δσ要經(jīng)過一定的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)停止輻射時(shí)，復(fù)合光生載流子也需要時(shí)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(hào)的強(qiáng)弱有關(guān)，下面分別討論。

1.弱輻射作用情況下的時(shí)間響應(yīng)

t≥0t=0對(duì)于本征光電導(dǎo)器件在非平衡狀態(tài)下光電導(dǎo)率Δσ和光電流IΦ隨時(shí)間變化的規(guī)律為：

(2-4)(2-5)τ定義為光敏電阻的上升時(shí)間常數(shù)

當(dāng)t=τ時(shí)，Δσ=0.63Δσ0，IΦ=0.63IΦ0；

τr定義為光敏電阻的上升時(shí)間常數(shù),即光敏電阻的光電流上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所需要的時(shí)間。停止輻射時(shí)，入射輻射通量Φe與時(shí)間的關(guān)系為：t=0t≥0當(dāng)t?τ時(shí)，Δσ=Δσ0，IΦ=IΦ0；

光電導(dǎo)率和光電流隨時(shí)間變化的規(guī)律為：

（2-6）

（2-7）

顯然，光敏電阻在弱輻射作用下的上升時(shí)間常數(shù)τr與下降時(shí)間常數(shù)τf近似相等。

當(dāng)t=τ時(shí)，Δσ=0.37Δσ0，IΦ=0.37IΦ0；

停止輻射以后，光敏電阻的光電流下降到穩(wěn)態(tài)值的37%所需要的時(shí)間稱為光敏電阻的下降時(shí)間τf。當(dāng)t?τ時(shí)，Δσ與IΦ均下降為零；

2.強(qiáng)輻射作用情況下的時(shí)間響應(yīng)

t=0t≥0t=0t≥0（2-8）

（2-9）

光敏電阻電導(dǎo)率的變化規(guī)律為：

其光電流的變化規(guī)律為：

（2-10）

（2-11）

當(dāng)t=τ時(shí)，Δσ=0.76Δσ0，IΦ=76IΦ0；

當(dāng)t?τ時(shí)，Δσ=Δσ0，IΦ=IΦ0

；τr定義為光敏電阻的上升時(shí)間常數(shù),即光敏電阻的光電流上升到穩(wěn)態(tài)值的76%所需要的時(shí)間。停止輻射時(shí)光電導(dǎo)率和光電流的變化規(guī)律可表示為：

當(dāng)t=τ時(shí)，Δσ=0.5Δσ0，IΦ=0.5IΦ0；

停止輻射以后，光敏電阻的光電流下降到穩(wěn)態(tài)值的50%所需要的時(shí)間稱為光敏電阻的下降時(shí)間τf。當(dāng)t?τ時(shí)，Δσ與IΦ均下降為零；

光電檢測(cè)系統(tǒng)的噪聲光電檢測(cè)系統(tǒng)的噪聲與抑制1、系統(tǒng)外部噪聲無線電臺(tái)、電火花、脈沖放電、機(jī)械震動(dòng)、雷電、太陽星球等2、系統(tǒng)內(nèi)部噪聲熱噪聲、散粒噪聲、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲、1/f噪聲2.2.5噪聲特性

光敏電阻的主要噪聲有熱噪聲、產(chǎn)生復(fù)合和低頻噪聲。

噪聲的類型光電檢測(cè)系統(tǒng)的噪聲與抑制1、熱噪聲由耗散元件中的電荷載流子的五規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)引起的；任何材料都有熱噪聲。熱噪聲電流常用均方值表示。在純電阻情況下：InT=(4kTΔf/R)1/2該電阻兩端產(chǎn)生的電壓均方值由下式給出：EnT=(4kTRΔf)1/2光電檢測(cè)系統(tǒng)的噪聲與抑制2、散粒噪聲光電探測(cè)器的散粒噪聲是由于載流子的微粒性引起的。這是一種在光電子發(fā)射器件和光伏器件中出現(xiàn)的噪聲。散粒噪聲電流均方值：Insh=(2qIDCΔf)1/2光電探測(cè)器的暗電流也同樣引起散粒噪聲，無光照時(shí)暗電流的噪聲為：Inp=(2qIpΔf)1/2和熱噪聲相比，散粒噪聲不取決于溫度，而由流過器件的平均電流決定。光電檢測(cè)系統(tǒng)的噪聲與抑制3、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲光電導(dǎo)探測(cè)器因光或熱激發(fā)產(chǎn)生載流子和載流子復(fù)合這兩個(gè)隨即過程，引起電流隨機(jī)起伏形成產(chǎn)生-復(fù)合噪聲。這是半導(dǎo)體輻射探測(cè)器件中的一種主要噪聲。該噪聲電流均方值：In=((4qI（τ/τe）Δf)/(1+4τ2f2π2))1/2In=(4qIGΔf)1/2在相對(duì)低頻的條件下，電流均方值：In=(4qI（τ/τe）Δf）1/2令τ/τe=G,稱為光電導(dǎo)器件的內(nèi)增益光電檢測(cè)系統(tǒng)的噪聲與抑制4、1/f噪聲1/f噪聲又稱為閃爍噪聲，它也是半導(dǎo)體輻射器件中的一種基本噪聲，通常是由元器件中存在局部缺陷或有微量雜質(zhì)所引起的。噪聲電流通常表示為：ɑ為與流過器件電流有關(guān)的常數(shù)，通常ɑ=2；β為與材料的性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，通常在0.8-1.3之間，大多數(shù)材料可以近似取為β=1。In=(k1IɑΔf)/fβ)1/2In=(k1I2Δf)/f)1/2該噪聲與頻率成反比，不是白噪聲，因此稱為1/f噪聲，主要出現(xiàn)在1KHz的低頻區(qū)，有時(shí)也稱為低頻噪聲。在工作頻率大于1KHz時(shí)，與其它噪聲相比，可以忽略不記。光電檢測(cè)系統(tǒng)的噪聲與抑制5、溫度噪聲在無輻射存在時(shí)，探測(cè)器在某一平均溫度附近呈現(xiàn)一個(gè)小的起伏，這種溫度起伏引起的探測(cè)器輸出起伏稱為溫度噪聲。這是熱敏電阻探測(cè)器件的主要噪聲。該溫度噪聲用溫度起伏的均方值表示：InT=(4kT2Δf/GQ(1+ω2τ2))1/2光敏電阻的主要噪聲有熱噪聲、產(chǎn)生復(fù)合和低頻噪聲。

1.熱噪聲

2.產(chǎn)生復(fù)合噪聲

3.低頻噪聲（電流噪聲）

2.2.6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2.3.1基本偏置電路

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

用微變量表示：

而dR=-R2SgdEv，因此：

（2-20）設(shè)iL=dIL，ev=dEv，則：

加在光敏電阻上的電壓為R與RL對(duì)電壓Ubb的分壓，即UR=R/(R+RL)Ubb，因此，光電流的微變量為：

將式（2-22）代入式（2-21）得：

（2-21）（2-22）（2-23）偏置電阻RL兩端的輸出電壓為：

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）2.3.2恒流電路

在簡(jiǎn)單偏置電路中，當(dāng)RL?R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：

（2-25）

在晶體管恒流偏置電路中輸出電壓Uo為：求微分得：

將代入（2-27）得：

（2-27）（2-26）或

顯然，恒流偏置電路的電壓靈敏度SV為：

（2-28）（2-29）（2-30）2.3.3恒壓電路

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：

取微分，得到輸出電壓的變化量為：

dUo=－RcdIc=－RcdIe=RcSgUwdφ

2.3.4舉例

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820Ω，Re為3.3kΩ，三極管的放大倍率不小于80，穩(wěn)壓二極管的輸出電壓為4V，光照度為40lx時(shí)輸出電壓為6V，80lx時(shí)為8V。（設(shè)光敏電阻在30到100lx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

根據(jù)已知條件，流過穩(wěn)壓管DW的電流：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

將Re1與Re2值代入γ值計(jì)算公式，得到光照度在40~80lx之間的γ值

輸出為7V時(shí)光敏電阻的阻值應(yīng)為：

此時(shí)的光照度可由γ值計(jì)算公式獲得：

E3=54.45（lx）

（2）電路的電壓靈敏度SV：

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=1kΩ，RC=510Ω,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11V,照度為450lx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100~500lx間的γ值不變）為多少lx？照度到500lx時(shí)的輸出電壓為多少？

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：

同樣,照度為300lx時(shí)流過光敏電阻的電流I2與電阻R2為：R2=680Ω

由于光敏電阻在500到100lx間的γ值不變，因此該光敏電阻的γ值應(yīng)為：

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：

R3=900Ω

代入γ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E3：E3=196(lx)

由γ值的計(jì)算公式可以找到500lx時(shí)的阻值R4及三極管的輸出電流I4為：R4=214ΩI4=24.7(mA)而此時(shí)的輸出電壓UO為：

UO=Ubb－I4R4=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

2.4.1照明燈的光電控制電路

如圖2-15所示為一種最簡(jiǎn)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(cè)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Imin，光敏電阻的光電導(dǎo)靈敏度為Sg，暗電導(dǎo)go=0，則：

顯然，這種最簡(jiǎn)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(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。

2.4.2火焰探測(cè)報(bào)警器

圖2-16所示為采用光敏電阻為探測(cè)元件的火焰探測(cè)報(bào)警器電路圖。PbS光敏電阻的暗電阻的阻值為1MΩ，亮電阻的阻值為0.2MΩ(