半導(dǎo)體光電檢測器件及應(yīng)用

半導(dǎo)體光電檢測器件及應(yīng)用第1頁/共55頁2探測器件熱光電探測元件光電探測元件氣體光電探測元件外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)非放大型放大型光電導(dǎo)探測器光磁電效應(yīng)探測器光生伏特探測器本征型摻雜型非放大放大型真空光電管充氣光電管光電倍增管變像管攝像管像增強(qiáng)器光敏電阻紅外探測器光電池光電二極管光電三極管光電場效應(yīng)管雪崩型光電二極管第2頁/共54頁第2頁/共55頁33.1光敏電阻利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的材料（如Si、Ge等本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體，如CdS、CdSe、PbO）可以制成電導(dǎo)率隨入射光輻射量變化而變化的器件，這類器件被稱為光電導(dǎo)器件或光敏電阻。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：體積小、堅(jiān)固耐用、價(jià)格低廉、光譜響應(yīng)范圍寬，廣泛應(yīng)用于微弱輻射信號(hào)的檢測技術(shù)領(lǐng)域。第3頁/共54頁第3頁/共55頁43.1.1、光敏電阻的結(jié)構(gòu)及工作原理UbbIpIp金屬電極光電導(dǎo)材料入射光光敏電阻原理及符號(hào)光敏電阻符號(hào)工作原理第4頁/共54頁第4頁/共55頁5UIp電極入射光當(dāng)入射光子使半導(dǎo)體物質(zhì)中的電子由價(jià)帶躍升到導(dǎo)帶時(shí)，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴均參與導(dǎo)電，因此電阻顯著減小，電導(dǎo)增加，或連接電源和負(fù)載電阻，可輸出電信號(hào)，此時(shí)可得出光電導(dǎo)g與光電流I光的表達(dá)式為：工作原理g=gL-gdI光=IL-Id第5頁/共54頁第5頁/共55頁6工作原理光敏電阻按半導(dǎo)體材料的不同可分為本征型和雜質(zhì)型兩種，本征型半導(dǎo)體光敏電阻常用于可見光長波段檢測，雜質(zhì)型常用于紅外波段至遠(yuǎn)紅外波段光輻射的檢測。光敏電阻設(shè)計(jì)的基本原則光敏電阻在弱光輻射下光電導(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)輻射作用下Sg與l的二分之三次方成反比，因此在設(shè)計(jì)光敏電阻時(shí)，盡可能地縮短光敏電阻兩極間距離。光電流Ip=ΔσSU/L第6頁/共54頁第6頁/共55頁7光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)12321-光電導(dǎo)材料；2-電極；3-襯底材料絕緣基底光電導(dǎo)體膜第7頁/共54頁第7頁/共55頁8三種形式⑴梳狀式玻璃基底上蒸鍍梳狀金屬膜而制成；或在玻璃基底上面蝕刻成互相交叉的梳狀槽，在槽內(nèi)填入黃金或石墨等導(dǎo)電物質(zhì)，在表面再敷上一層光敏材料。如圖所示。絕緣基底光電導(dǎo)體膜第8頁/共54頁第8頁/共55頁9⑵刻線式在玻璃基片上鍍制一層薄的金屬箔，將其刻劃成柵狀槽，然后在槽內(nèi)填入光敏電阻材料層后制成。其結(jié)構(gòu)如下圖所示。注意：與梳狀式的區(qū)別第9頁/共54頁第9頁/共55頁10⑶涂膜式在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成。其結(jié)構(gòu)如右下圖所示。2、光敏電阻在電路中的符號(hào)第10頁/共54頁第10頁/共55頁11工作性能特點(diǎn)：光譜響應(yīng)范圍相當(dāng)寬?？梢姽?、紅外、遠(yuǎn)紅外、紫外區(qū)域工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安。所測光電強(qiáng)度范圍寬，既可測弱光，也可測強(qiáng)光靈敏度高，光電增益可以大于1無選擇極性之分，使用方便。缺點(diǎn)：

強(qiáng)光下光電線性度較差，弛豫時(shí)間過長，頻率特性差。第11頁/共54頁第11頁/共55頁12注意：靈敏度與光電增益的區(qū)別（1）靈敏度是光電導(dǎo)體在光照下產(chǎn)生光電導(dǎo)能力的大小。（2）增益指在工作狀態(tài)下，各參數(shù)對(duì)光電導(dǎo)效應(yīng)的增強(qiáng)能力。材料特性結(jié)構(gòu)參數(shù)第12頁/共54頁第12頁/共55頁13光敏電阻的種類及應(yīng)用主要材料：Si、Ge、II-VI族和III-V族化合物，以及一些有機(jī)物。分紫外光、可見光、紅外及遠(yuǎn)紅外敏感的光敏電阻。應(yīng)用：照相機(jī)、光度計(jì)、光電自動(dòng)控制、輻射測量、能量輻射、物體搜索和跟蹤、紅外成像和紅外通信等技術(shù)方面制成的光輻射接收器件。第13頁/共54頁第13頁/共55頁143.1.2、光敏電阻特性參數(shù)1、光電特性光敏電阻的光電流I光與輸入輻射照度有下列關(guān)系式：其中：I光為光電流，I光=IL-Id；

E為照度，γ為光照指數(shù)，與材料的入射光強(qiáng)弱有關(guān)，對(duì)CdS光電導(dǎo)體，弱光照射下γ=1，強(qiáng)光下γ=0.5；

U為光敏電阻兩端所加電壓，α為電壓指數(shù)，與光電導(dǎo)體和電極材料間接觸有關(guān)，歐姆接觸時(shí)α=1，非歐姆接觸時(shí)α=1.1-1.2Sg為光電導(dǎo)靈敏度，單位S/lx第14頁/共54頁第14頁/共55頁15OI光ECdS的光電特性對(duì)CdS光電導(dǎo)體，弱光照射下γ=1，強(qiáng)光下γ=0.5；為什么？

光照增強(qiáng)的同時(shí)，載流子濃度不斷的增加，同時(shí)光敏電阻的溫度也在升高，從而導(dǎo)致載流子運(yùn)動(dòng)加劇，因此復(fù)合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢。（冷卻可以改善）第15頁/共54頁第15頁/共55頁2、伏安特性（輸出特性）

一定光照下，光敏電阻的光電流與所加電壓關(guān)系即為伏安特性。允許的功耗線O10電壓V/VI光/mA510050100lx10lx250mW光敏電阻的伏安特性

光敏電阻為一純電阻，符合歐姆定律，曲線為直線。但對(duì)大多數(shù)半導(dǎo)體，電場強(qiáng)度超過時(shí)，不再遵守歐姆定律。而CdS在100V時(shí)就不成線性了。

第16頁/共54頁第16頁/共55頁173、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。不同材料的光敏電阻溫度特性不同。書25頁中圖3-5中為CdS和CdSe光敏電阻不同照度下的溫度特性曲線?？梢钥闯鰷囟壬呖梢詫?dǎo)致材料光電導(dǎo)率的下降。實(shí)際中往往采用控制光敏電阻工作的溫度的辦法提高工作穩(wěn)定性。第17頁/共54頁第17頁/共55頁

換句話說，溫度的變化，引起溫度噪聲，導(dǎo)致光敏電阻靈敏度、光照特性、響應(yīng)率等都發(fā)生變化。為了提高靈敏度，必須采用冷卻裝置，尤其是雜質(zhì)型半導(dǎo)體對(duì)長波長紅外輻射檢測領(lǐng)域更為重要。溫度特性第18頁/共54頁第18頁/共55頁4、前歷效應(yīng)

指光敏電阻的時(shí)間特性與工作前“歷史”有關(guān)的一種現(xiàn)象。即測試前光敏電阻所處狀態(tài)對(duì)光敏電阻特性的影響。

暗態(tài)前歷效應(yīng)：指光敏電阻測試或工作前處于暗態(tài)，當(dāng)它突然受到光照后光電流上升的快慢程度。一般地，工作電壓越低，光照度越低，則暗態(tài)前歷效應(yīng)就越重，光電流上升越慢。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)后第19頁/共54頁第19頁/共55頁20

亮態(tài)前歷效應(yīng)：光敏電阻測試或工作前已處于亮態(tài)，當(dāng)照度與工作時(shí)所要達(dá)到的照度不同時(shí)，所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象。前歷效應(yīng)第20頁/共54頁第20頁/共55頁5、頻率特性

光敏電阻的時(shí)間常數(shù)較大，所以其上限頻率f上低，只有PbS光敏電阻的工作頻率特性達(dá)到幾千赫茲。當(dāng)E=0.11lx時(shí)，光敏電阻tr=1.4s，

E=10lx時(shí)，光敏電阻tr=66mS,E=100lx時(shí)，光敏電阻tr=6mS。

同時(shí)，時(shí)間特性與輸入光的照度、工作溫度有明顯的依賴關(guān)系。4123O1f/Hz相對(duì)輸出0.41051010.20.60.81021031041-Se；2-CdS；3-TlS；4-PbS第21頁/共54頁第21頁/共55頁226、時(shí)間響應(yīng)

光敏電阻的時(shí)間常數(shù)較大，慣性大，時(shí)間響應(yīng)比其它光電器件差。頻率響應(yīng)低。時(shí)間特性與光照度、工作溫度有明顯的依賴關(guān)系。Τ’rΤ’fEtOi(%)tO1006337τrτf矩形光脈沖10lx100lx第22頁/共54頁第22頁/共55頁237、光譜特性相對(duì)靈敏度與波長的關(guān)系可見光區(qū)光敏電阻的光譜特性

光譜特性曲線覆蓋了整個(gè)可見光區(qū)，峰值波長在515～600nm之間。尤其硫化鎘（2）的峰值波長與人眼的很敏感的峰值波長（555nm）是很接近的，因此可用于與人眼有關(guān)的儀器。1-Se；2-CdS；3-TlS；4-PbS第23頁/共54頁第23頁/共55頁24光譜特性紅外區(qū)光敏電阻的光譜特性注明：此特性與所用材料的光譜響應(yīng)、制造工藝、摻雜濃度和使用的環(huán)境溫度有關(guān)。第24頁/共54頁第24頁/共55頁251、常用光敏電阻CdS光敏電阻：峰值響應(yīng)波長0.52um，摻銅或氯時(shí)峰值波長變長，光譜響應(yīng)向紅外區(qū)延伸，其亮暗電導(dǎo)比在10lx照度上可達(dá)1011(一般約為106)，其時(shí)間常數(shù)與入射光強(qiáng)度有關(guān)，100lx下可達(dá)幾十毫秒。是可見光波段最靈敏的光敏電阻。PbS光敏電阻：響應(yīng)波長在近紅外波段，室溫下響應(yīng)波長可達(dá)3um，峰值探測率Dλ*=1.5Χ1011cm·Hz1/2/w。缺點(diǎn)主要是響應(yīng)時(shí)間太長，室溫條件下100-300uS。內(nèi)阻約為1MΩ，銻化銦（InSb）光敏電阻：長波限7.5um，內(nèi)阻低（約50Ω），峰值探測率Dλ*=1.2Χ1011cm·Hz1/2/w。時(shí)間常數(shù)0.02uS。零度時(shí)探測率可提高2-3倍。碲鎘汞HgCdTe系列光敏電阻。其性能優(yōu)良，最有前途的光敏電阻。不同的Cd組分比例，可實(shí)現(xiàn)1-3um,3-5um,8-14um的光譜范圍的探測。例如Hg0.8Cd0.2Te響應(yīng)在大氣窗口8-14um，峰值波長10.6um，Hg0.72Cd0.28Te響應(yīng)波長在3-5um.碲錫鉛（PbSnTe）系列光敏電阻：不同的錫組分比例，響應(yīng)波長不同。主要用在8-10um波段探測，但探測率低，應(yīng)用不廣泛。3.1.3、光敏電阻的應(yīng)用電路第25頁/共54頁第25頁/共55頁2、基本偏置電路RPURLULI

忽略暗電導(dǎo)Gd(暗電阻很大)：

G=Gp=SgE或G=SgΦ

即對(duì)R求導(dǎo)得到負(fù)號(hào)表示電阻是隨輸入輻射的增加而減小。當(dāng)光通量變化時(shí)，電阻變化ΔRp，電流變化ΔI，即有：

即第26頁/共54頁第26頁/共55頁272、基本偏置電路URLULI輸出電壓第27頁/共54頁第27頁/共55頁281、火焰檢測報(bào)警器R12kΩ中心站放大器VDW6VR2200kΩR3PbSC168nFC268uFR43.9MΩR5820kΩR71kΩR832kΩR63.9kΩR9150kΩC44.7nF+C3100uFV1V2V3PbS光敏電阻：Rd=1MΩ,Rl=0.2MΩ，峰值波長2.2um。恒壓偏置電路高輸入阻抗放大電路Vo第28頁/共54頁第28頁/共55頁29快門按鈕驅(qū)動(dòng)單元UthURUth=???UR=???+_ARp210kΩRp110kΩR2300ΩR15.1kΩC11uFMVDVRCdSUbb2、照相機(jī)電子快門第29頁/共54頁第29頁/共55頁303、照明燈的光電控制電路CKVDRCdS常閉燈~220V半波整流測光與控制執(zhí)行控制第30頁/共54頁第30頁/共55頁313.1.4、光敏電阻使用的注意事項(xiàng)測光的光源光譜特性與光敏電阻的光敏特性相匹配。要防止光敏電阻受雜散光的影響。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。一般,數(shù)字信息傳輸:亮電阻與暗電阻差別大，光照指數(shù)γ大的光敏電阻。模擬信息傳輸:則以選用γ值小、線性特性好的光敏電阻。第31頁/共54頁第31頁/共55頁32分類按用途太陽能光電池：用作電源（效率高，成本低）測量用光電池：探測器件（線性、靈敏度高等）按材料

硅光電池：光譜響應(yīng)寬，頻率特性好

硒光電池：波譜峰值位于人眼視覺內(nèi)薄膜光電池：CdS增強(qiáng)抗輻射能力紫光電池：PN結(jié)非常?。?.2-0.3μm,短波峰值600nm3.2光電池第32頁/共54頁第32頁/共55頁33

光電池是一種利用光生伏特效應(yīng)制成的不需加偏壓就能將光能轉(zhuǎn)化成電能的光電器件。3.2.1光電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理1、金屬-半導(dǎo)體接觸型（硒光電池）基本結(jié)構(gòu)2、PN結(jié)型幾個(gè)特征：

1、柵狀電極

2、受光表面的保護(hù)膜

3、上、下電極的區(qū)分符號(hào)第33頁/共54頁第33頁/共55頁343.2.2硅光電池的特性參數(shù)1、光照特性伏安特性由光電池的電流方程：

Rs很小，可忽略，上式變?yōu)椋篟sRLVDIpI+ILRLVDILIp=Sg·E第34頁/共54頁第34頁/共55頁光電池伏安特性曲線1、伏安特性無光照時(shí)，光電池伏安特性曲線與普通半導(dǎo)體二極管相同。有光照時(shí)，沿電流軸方向平移，平移幅度與光照度成正比。曲線與電壓軸交點(diǎn)稱為開路電壓VOC，與電流軸交點(diǎn)稱為短路電流ISC。第35頁/共54頁第35頁/共55頁361、光照特性負(fù)載電流ILERL1RL2RL3RL4RL4RL5RL=∞RL=0Voc1Voc5Isc1Isc2Isc3Isc4Is當(dāng)IL=0時(shí)一般Ip>>Is,

當(dāng)RL=0時(shí)，Isc=Ip=Sg·E下面看兩個(gè)關(guān)系：當(dāng)E=0時(shí)反向電流隨光照度的增加而上升第36頁/共54頁第36頁/共55頁371、Voc，Isc與E的關(guān)系：

當(dāng)IL=0，RL=∞時(shí)一般Ip>>Is,且Ip=Sg·E

用于光電池檢測當(dāng)V=0，RL=0時(shí)，第37頁/共54頁第37頁/共55頁382、Isc與E和RL的關(guān)系：RL=120ΩRL=2.4kΩRL=12kΩE/lxJ/uA·mm2

當(dāng)RL=0時(shí)，

Isc=Ip=Sg·E

當(dāng)RL不為0時(shí)RLVDIL第38頁/共54頁第38頁/共55頁39光電池光照特性特征：1、Voc與光照E成對(duì)數(shù)關(guān)系；典型值在0.45-0.6V。作電源時(shí)，轉(zhuǎn)化效率10%左右。最大15.5-20%。2、Isc與E成線性關(guān)系，常用于光電池檢測，Isc典型值

35-45mA/cm2。2、RL越小，線性度越好，線性范圍越寬。3、光照增強(qiáng)到一定程度，光電流開始飽和，與負(fù)載電阻有關(guān)。負(fù)載電阻越大越容易飽和。第39頁/共54頁第39頁/共55頁2、輸出特性RL/Ω0100200300400500Voc/VIsc/mA400200

010080400PLULILRMUL隨RL的增大而增大，直到接近飽和。RL小時(shí)IL趨近于短路電流Isc。在RL=RM時(shí)，有最大輸出功率，RM稱為最佳負(fù)載。光電池作為換能器件時(shí)要考慮最大輸出問題，跟入射光照度也有關(guān)。作為測量使用，光電池以電流使用。短路電流Isc與光照度成線性關(guān)系，RL的存在使IL隨光照度非線性的增加。RL增大，線性范圍越來越小。第40頁/共54頁第40頁/共55頁413、光譜特性硅光電池響應(yīng)波長0.4-1.1微米，峰值波長0.8-0.9微米。硒光電池響應(yīng)波長0.34-0.75微米，峰值波長0.54微米。第41頁/共54頁第41頁/共55頁424、溫度特性Voc具有負(fù)溫度系數(shù)，其值約為2-3mV/度。Isc具有正溫度系數(shù)，但隨溫度升高增長的比例很小，約為10-5-10-3mA/度總結(jié)：當(dāng)光電池接收強(qiáng)光照時(shí)要考慮溫度升高的影響。如硅光電池不能超過200度。第42頁/共54頁第42頁/共55頁光電池的應(yīng)用1、光電探測器件利用光電池做探測器有頻率響應(yīng)高，光電流隨光照度線性變化等特點(diǎn)。2、將太陽能轉(zhuǎn)化為電能實(shí)際應(yīng)用中，把硅光電池經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)組成電池組。第43頁/共54頁第43頁/共55頁44(a)光電追蹤電路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2

圖(a)為光電地構(gòu)成的光電跟蹤電路，用兩只性能相似的同類光電池作為光電接收器件。當(dāng)入射光通量相同時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定的方式工作或進(jìn)行跟蹤。當(dāng)系統(tǒng)略有偏差時(shí)，電路輸出差動(dòng)信號(hào)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行糾正，以此達(dá)到跟蹤的目的。光電池在檢測和控制方面應(yīng)用中的幾種基本電路第44頁/共54頁第44頁/共55頁45BG2BG1+12VCJ

R1R2(b)光電開關(guān)

圖(b)所示電路為光電開關(guān)，多用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中。無光照時(shí)，系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài)，如通態(tài)或斷態(tài)。當(dāng)光電池受光照射時(shí)，產(chǎn)生較高的電動(dòng)勢，只要光強(qiáng)大于某一設(shè)定的閾值，系統(tǒng)就改變工作狀態(tài)，達(dá)到開關(guān)目的。第45頁/共54頁第45頁/共55頁46(c)光電池觸發(fā)電路R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW

圖(c)為光電池觸發(fā)電路。當(dāng)光電池受光照射時(shí)，使單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，改變其工作狀態(tài)或觸發(fā)器件(如可控硅)導(dǎo)通。第46頁/共54頁第46頁/共55頁+12V5G23(d)光電池放大電路C3-12VWR1R2R3R4R5C1C218765432圖(d)為光電池放大電路。在測量溶液濃度、物體色度、紙張的灰度等場合，可用該電路作前置級(jí)，把微弱光電信號(hào)進(jìn)行線性放大，然后帶動(dòng)指示機(jī)構(gòu)或二次儀表進(jìn)行讀數(shù)或記錄。

在實(shí)際應(yīng)用中，主要利用光電池的光照特性、光譜特性、頻率特性和溫度特性等，通過基本電路與其它電子線路的組合可實(shí)現(xiàn)或自動(dòng)控制的目的。第47頁/共54頁第47頁/共55頁硅太陽能電池硅太陽能電池包括單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池。單晶硅太陽能電池在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為23%,而規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽能電池,其效率為15%。多晶硅半導(dǎo)體材料的價(jià)格比較低廉,但是由于它存在著較多的晶粒間界而有較多的弱點(diǎn)。多晶硅太陽能電池的實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。第48頁/共54頁第