第3章半導(dǎo)體光電檢測器件與應(yīng)用1-光敏電阻

第3章半導(dǎo)體光電檢測器件與應(yīng)用1-光敏電阻第一頁，共30頁。3.1光敏電阻光敏電阻是光電導(dǎo)型器件。光敏電阻材料：主要是硅、鍺和化合物半導(dǎo)體，例如：硫化鎘（CdS），銻化銦（InSb）等。與其他半導(dǎo)體光電器件相比有以下特點：光譜響應(yīng)范圍寬（特別是對于紅光和紅外輻射）；偏置電壓低，工作電流大，可達數(shù)毫安；動態(tài)范圍寬，既可測強光，也可測弱光；光電導(dǎo)增益大，靈敏度高；無極性，使用方便；在強光照射下，光電線性度較差光電弛豫時間較長，頻率特性較差。第二頁，共30頁。3.1.1光敏電阻的結(jié)構(gòu)及其工作原理光敏電阻結(jié)構(gòu)：在一塊均勻的具有光電導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母或其他絕緣材料基板上，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)。（如圖）工作機理：當(dāng)入射光子使半導(dǎo)體中的電子由價帶躍遷到導(dǎo)帶時，導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴均參與導(dǎo)電，其阻值急劇減小，電導(dǎo)增加。第三頁，共30頁。返回第四頁，共30頁。本征型和雜質(zhì)型光敏電阻本征型光敏電阻：當(dāng)入射光子的能量等于或大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg時，激發(fā)一個電子－空穴對，在外電場的作用下，形成光電流。雜質(zhì)型光敏電阻：對于Ｎ型半導(dǎo)體，當(dāng)入射光子的能量等于或大于雜質(zhì)電離能ΔＥ時，將施主價帶能級上的電子激發(fā)到導(dǎo)帶而成為導(dǎo)電電子，在外電場的作用下，形成光電流。本征型用于可見光長波段,雜質(zhì)型用于紅外波段。價帶導(dǎo)帶電子空穴Eg價帶導(dǎo)帶電子空穴ΔＥ施主第五頁，共30頁。光電導(dǎo)與光電流光敏電阻兩端加電壓（直流或交流）．無光照時，阻值（暗電阻）很大，電流（暗電流）很?。还庹諘r，光生載流子迅速增加，阻值（亮電阻）急劇減少．在外場作用下，光生載流子沿一定方向運動，形成光電流。光電導(dǎo)：亮電導(dǎo)和暗電導(dǎo)之差；g

=gL-gd光電流：亮電流和暗電流之差； I光=IL-Id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。第六頁，共30頁。光敏電阻的結(jié)構(gòu)和它的符號：

符號1光電導(dǎo)材料2電極3襯底材料光敏電阻的靈敏度Sg:弱光時：Sg∝l-2強光時：

Sg∝l-3/2第七頁，共30頁。光敏電阻按光譜響應(yīng)范圍分類：

對紫外光敏感的光敏電阻；對可見光敏感的光敏電阻；對紅外光敏感的光敏電阻光敏電阻的應(yīng)用領(lǐng)域：照相機、光度計、光電自動控制、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八頁，共30頁。3.1.2光敏電阻特性參數(shù)光電特性伏安特性時間響應(yīng)和頻率特性溫度特性前歷效應(yīng)第九頁，共30頁。光電特性：光電流與入射光照度的關(guān)系I光=SgEγUα式中：Sg為光電導(dǎo)靈敏度；E為照度；γ為光照指數(shù)（0.5~1），U為電壓；α為電壓指數(shù)（歐姆接觸為1）；

1、光敏電阻的光電特性(1)弱光時，γ=1，光電流與照度成線性關(guān)系(2)強光時，γ=0.5，光電流與照度成非線性關(guān)系。其他光敏電阻也有類似的性質(zhì)。I光ECdS的光電特性第十頁，共30頁。光電導(dǎo)靈敏度:光電導(dǎo)g與照度E之比. 不同波長的光，光敏電阻的靈敏度是不同的。在選用光電器件時必須充分考慮到這種特性。第十一頁，共30頁。光電導(dǎo)增益

光電導(dǎo)增益反比于電極間距的平方。第十二頁，共30頁。伏安特性在一定的光照下，光敏電阻的光電流與所加的電壓關(guān)系光敏電阻是一個純電阻，因此符合歐姆定律，其伏安特性曲線為直線。不同光照度對應(yīng)不同直線第十三頁，共30頁。圖中虛線為允許功耗曲線受耗散功率的限制，在使用時，光敏電阻兩端的電壓不能超過最高工作電壓，由此可確定光敏電阻正常工作電壓。第十四頁，共30頁。光敏電阻的時間響應(yīng)特性較差材料受光照到穩(wěn)定狀態(tài)，光生載流子濃度的變化規(guī)律：停止光照，光生載流子濃度的變化為時間特性與光照度、工作溫度有明顯的依賴關(guān)系響應(yīng)時間Τ’fEtOi(%)tO1006337τrτf矩形光脈沖10lx100lx第十五頁，共30頁。光敏電阻時間常數(shù)比較大，其上限截止頻率低。只有PbS光敏電阻的頻率特性稍好些，可工作到幾千赫。頻率特性1-硒，2-硫化鎘，3-硫化鉈，4-硫化鉛第十六頁，共30頁。光敏電阻是多數(shù)載流子導(dǎo)電，溫度特性復(fù)雜。隨著溫度的升高，光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要下降，溫度的變化也會影響光譜特性曲線。例如：硫化鉛光敏電阻，隨著溫度的升高光譜響應(yīng)的峰值將向短波方向移動。尤其是紅外探測器要采取制冷措施溫度特性第十七頁，共30頁。指光敏電阻的時間特性與工作前“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小時后前歷效應(yīng)第十八頁，共30頁。

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)照度與工作時所要達到的照度不同時，所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象。第十九頁，共30頁。光敏電阻參數(shù)使用材料：硫化鎘（CdS），硫化鉛（PbS），銻化銦（InSb），碲鎘汞（HgCdTe），碲錫鉛（PbSnTe）.光敏面：1~3mm工作溫度：-40~80oC溫度系數(shù)：1極限電壓：10~300V耗散功率：<100W時間常數(shù)：5~50ms光譜峰值波長：因材料而不同，在可見/紅外遠紅外暗電阻：108歐姆亮電阻：104歐姆第二十頁，共30頁。CdS光敏電阻：峰值響應(yīng)波長0.52um，摻銅或氯時峰值波長變長，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1011(一般約為106)，其時間常數(shù)與入射光強度有關(guān)，100lx下可達幾十毫秒。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3um，峰值探測率Dλ*=1.5Χ1011cm·Hz1/2/w。缺點主要是響應(yīng)時間太長，室溫條件下100-300uS。內(nèi)阻約為1MΩ，常用光敏電阻第二十一頁，共30頁。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。時間常數(shù)0.02uS。零度時探測率可提高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。第二十二頁，共30頁?；酒秒娐稲PURLULI忽略暗電導(dǎo)Gd(暗電阻很大)：G=Gp=SgE或G=SgΦ即對R求導(dǎo)得到負號表示電阻是隨輸入輻射的增加而減小。當(dāng)光通量變化時，電阻變化ΔRp，電流變化ΔI，即有：

即第二十三頁，共30頁。URLULI輸出電壓第二十四頁，共30頁。光敏電阻的應(yīng)用電路1、火焰檢測報警器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第二十五頁，共30頁?？扉T按鈕驅(qū)動單元UthURUth=???UR=???+_ARp210kΩRp110kΩR2300ΩR15.1kΩC11uFMVDVRCdSUbb2、照相機電子快門第二十六頁，共30頁。基本功能：根據(jù)自然光的情況決定是否開燈。基本結(jié)構(gòu)：整流濾波電路；光敏電阻及繼電器控制；觸電開關(guān)執(zhí)行電路基本原理：光暗時，光敏電阻阻值很高，繼電器關(guān)，燈亮；光亮?xí)r，光敏電阻阻值降低，繼電器工作，燈關(guān)。照明燈自動控制電路K220V燈常閉CdSRVD第二十七頁，共30頁。CKVDRCdS常閉燈~220V半波整流測光與控制執(zhí)行控制基本功能：根據(jù)自然光的情況決定是否開燈?；窘Y(jié)構(gòu)：整流濾波電路；光敏電阻及繼電器控制；觸電開關(guān)執(zhí)行電路基本原理：光暗時，光敏電阻阻值很高，繼電器關(guān)，燈亮；光亮?xí)r，光敏電阻阻值降低，繼電器工作，燈關(guān)。