第二章光电导器件课件.ppt

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1、第2章 光电导器件,Photoconductive,-光敏电阻(PC),利用具有光电导效应的材料（如Si、Ge等本征半导体与杂质半导体，以及CdS、CdSe、PbS等）可以制成电导率随入射光辐射量变化而变化的器件，这类器件被称为光电导器件或光敏电阻，简称PC。,问题：什么是光电导效应？,物质吸收了光子的能量产生本征吸收或杂质吸收，引起载流子浓度的变化，从而改变了物质电导率的现象称为光电导效应。,2.1 光敏电阻的原理与结构2.2 光敏电阻的基本特性2.3 光敏电阻的变换电路2.4 光敏电阻的应用实例,一、光敏电阻的材料及分类,本征型光敏电阻：,杂质型光敏电阻：,本征光电导探测器利用本征光电导效

2、应制成的器件，如硫化镉(CdS)、碲镉汞(Hg1-xCdxTe)、硫化铅(PbS)等。一般在室温下工作，适用于可见光和近红外辐射探测。,杂质光电导探测器利用杂质光电导效应制成的器件，如锗掺汞(Ge:Hg)、锗掺铜(Ge:Cu)、和硅掺砷(Si:As)等。通常必须在低温下工作，常用于中、远红外辐射探测,多晶光电导探测器(自学),2.1 光敏电阻的原理与结构,2.1 光敏电阻的原理与结构,二. 光敏电阻的基本原理,图2-1所示为光敏电阻的原理图与光敏电阻的符号，在均匀的具有光电导效应的半导体材料的两端加上电极便构成光敏电阻。,当光敏电阻的两端加上适当的偏置电压Ubb（如图2-1所示的电路）后，便有

3、电流Ip流过，用检流计可以检测到该电流。,三. 光敏电阻的基本结构,光敏电阻在微弱辐射作用的情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的平方成反比，参见(1-85)式； 在强辐射作用的情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的二分之三次方成反比，参见(1-87)式；都与两电极间距离 l 有关。,1. 结构,在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。,2.三种结构形式,梳型结构 在玻璃基底上面蚀刻成互相交叉的梳状槽，在槽内填入黄金或石墨等导电物质，在表面再敷上一层光敏材料。如图所示。,2.三种结构

4、形式,蛇形结构 如图，光电导材料制成蛇形，光电导两侧为金属导电材料，并在其上设置电极。,2.三种结构形式,刻线结构 在玻璃基片上镀制一层薄的金属箔，将其刻划成栅状槽，然后在槽内填入光敏电阻材料层后制成。其结构如下图所示。,2.三种结构形式,四、 典型光敏电阻,1.CdS(硫化镉)光敏电阻,CdS光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率，它在可见光波段范围内的灵敏度最高，因此，被广泛地应用于灯光的自动控制，照相机的自动测光等。,CdS光敏电阻的峰值响应波长为0.52m，CdSe光敏电阻为0.72m，一般调整S和Se的比例，可使Cd（S，Se）光敏电阻的峰值响应波长大致控

5、制在0.520.72m范围内。,2.PbS(硫化铅)光敏电阻,PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件，因此，常用于火灾的探测等领域。,PbS光敏电阻的光谱响应和比探测率等特性与工作温度有关，随着工作温度的降低其峰值响应波长和长波限将向长波方向延伸，且比探测率D*增加。 例如，室温下的PbS光敏电阻的光谱响应范围为13.5m，峰值波长为2.4m，峰值比探测率D*高达11011cmHzW-1。当温度降低到（195K）时，光谱响应范围为14m，峰值响应波长移到2.8m，峰值波长的比探测率D*也增高到21011cmHzW-1。,3.InSb(锑化铟)光敏电阻,InSb光敏电阻是35m光谱范围内的

6、主要探测器件之一。,InSb材料不仅适用于制造单元探测器件，也适宜制造阵列红外探测器件。,InSb光敏电阻在室温下的长波长可达7.5m，峰值波长在6m附近，比探测率D*约为11011cmHzW-1。当温度降低到77K（液氮）时，其长波长由7.5m缩短到5.5m，峰值波长也将移至5m，恰为大气的窗口范围，峰值比探测率D*升高到21011cmHzW-1。,4.Hg1-xCdxTe(碲镉汞)系列光电导探测器件,Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件是目前所有红外探测器中性能最优良最有前途的探测器件，尤其是对于48m大气窗口波段辐射的探测更为重要。 Hg1-xCdxTe系列光电导体是由HgTe和CdT

7、e两种材料的晶体混合制造的，其中x标明Cd元素含量的组分。在制造混合晶体时选用不同Cd的组分x，可以得到不同的禁带宽度Eg，便可以制造出不同波长响应范围的Hg1-xCdxTe探测器件。,x是Cd含量组分，变化范围0.180.4，长波限为330m,x=0.2，光谱响应814m,x=0.28，光谱响应35m,x=0.39，光谱响应13m,2.2 光敏电阻的基本特性,1. 光电特性,光敏电阻为多数电子导电的光电敏感器件，它与其他光电器件的特性的差别表现在它的基本特性参数上。光敏电阻的基本特性参数包含光电导特性、时间响应、光谱响应、伏安特性与噪声特性等。,光敏电阻在黑暗的室温条件下，由于热激发产生的载

8、流子使它具有一定的电导，该电导称为暗电导 。,当有光照射在光敏电阻上时，它的电导将变大，这时的电导称为光电导。,电导随光照量变化越大的光敏电阻就越灵敏。这个特性称为光敏电阻的光电特性。,在1.6.1节讨论光电导效应时我们看到，光敏电阻在弱辐射和强辐射作用下表现出不同的光电特性(线性与非线性)，式(1-84)与(1-87)分别给出了它在弱辐射和强辐射作用下的光电导与辐射通量的关系。,实际上，光敏电阻在弱辐射到强辐射的作用下，它的光电特性可用在“恒定电压”作用下流过光敏电阻的电流Ip与作用到光敏电阻上的光照度E的关系曲线来描述.,如图2-3所示的特性曲线反应了流过光敏电阻的电流Ip与入射光照度E间

9、的变化关系，由图可见它是由直线性渐变到非线性的。,在恒定电压的作用下，流过光敏电阻的光电流Ip为,式中Sg为光电导灵敏度，E为光敏电阻的照度。显然，当照度很低时，曲线近似为线性，Sg由式(1-85)描述；随照度的增高，线性关系变坏，当照度变得很高时，曲线近似为抛物线形，Sg由式(1-87)描述。,光敏电阻的光电特性可用一个随光度量变化的指数伽玛()来描述，并定义为光电转换因子。并将式(2-1)改为,光电转换因子在弱辐射作用的情况下为1(=1)，随着入射辐射的增强，值减小，当入射辐射很强时值降低到0.5。,在实际使用时，常常将光敏电阻的光电特性曲线改用如图2-4所示的特性曲线。图2-4所示为两种

10、坐标框架的特性曲线，其中(a)为线性直角坐标系中光敏电阻的阻值R与入射照度EV的关系曲线，而(b)为对数直角坐标系下的阻值R与入射照度EV的关系曲线。,如图2-4(b)所示的对数坐标系中光敏电阻的阻值R在某段照度EV范围内的光电特性表现为线性，即(2-2)式中的保持不变。值为对数坐标下特性曲线的斜率。即,（2-3）,R1与R2分别是照度为E1和E2时光敏电阻的阻值。,2. 伏安特性,光敏电阻的本质是电阻，符合欧姆定律。因此，它具有与普通电阻相似的伏安特性，但是它的电阻值是随入射光度量而变化的。,利用图2-1所示的电路可以测出在不同光照下加在光敏电阻两端的电压U与流过它的电流Ip的关系曲线，并称

11、其为光敏电阻的伏安特性。,图2-5所示为典型CdS光敏电阻的伏安特性曲线 。,3. 温度特性,光敏电阻为多数载流子导电的光电器件，具有复杂的温度特性。,图2-6所示为典型CdS与CdSe光敏电阻在不同照度下的温度特性曲线。以室温（25）的相对光电导率为100%，观测光敏电阻的相对光电导率随温度的变化关系，可以看出光敏电阻的相对光电导率随温度的升高而下降，光电响应特性随着温度的变化较大。,温度的变化，引起温度噪声，导致其灵敏度、光照特性、响应率等都发生变化。为了提高灵敏度，必须采用冷却装置，尤其是杂质型半导体受温度影响更明显。,4. 时间响应,光敏电阻的时间响应(又称为惯性)比其他光电器件要差(

12、惯性要大)些，频率响应要低些，而且具有特殊性。当用一个理想方波脉冲辐射照射光敏电阻时，光生电子要有产生的过程，光生电导率要经过一定的时间才能达到稳定。当停止辐射时，复合光生载流子也需要时间，表现出光敏电阻具有较大的惯性。 光敏电阻的惯性与入射辐射信号的强弱有关，下面分别讨论。,(1). 弱辐射作用情况下的时间响应,t0,t=0,(2-4),(2-5),当t=r时， =0.630，I=0.63Ie0；,r定义为光敏电阻的上升时间常数,停止辐射时，入射辐射通量e与时间的关系为,光电导率和光电流随时间变化的规律为,对于本征光电导器件在非平衡状态下光电导率和光电流I随时间变化的规律为,光电导率和光电流

13、随时间变化的规律为,（2-6）,（2-7）,显然，光敏电阻在弱辐射作用下的上升时间常数r与下降时间常数f近似相等。,(2). 强辐射作用情况下的时间响应,光敏电阻电导率的变化规律为,其光电流的变化规律为,（2-10）,（2-11）,停止辐射时光电导率和光电流的变化规律可表示为,5. 噪声特性,光敏电阻的主要噪声有热噪声、产生复合和低频噪声(或称1/f 噪声)。,(1) 热噪声,(2) 产生复合噪声,(3) 低频噪声(电流噪声),总噪声,6. 光谱响应,光敏电阻的光谱响应主要由光敏材料禁带宽度、杂质电离能、材料掺杂比与掺杂浓度等因素有关。,光敏电阻的特点,1、优点：光敏电阻具有光谱特性好、允许的

14、光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小无极性使用方便等优点，所以应用广泛。此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。2、缺点：响应时间长、频率特性差、强光线性差、受温度影响大、型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并且由于光照特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电信号的传感元件。,2.3 光敏电阻的变换电路,2.3.1 基本偏置电路,设在某照度Ev下，光敏电阻的阻值为R，电导为g，流过偏置电阻RL的电流为IL,用微变量表示,设iL=dIL，ev=dEv，则,加在光敏电阻上的电压为R与RL对电压Ubb的分压，即UR=R/(R+RL) Ubb，因此，光电流的微变量为,将式

15、（2-22）代入式（2-21）得,（2-21）,（2-22）,（2-20）,（2-23）,偏置电阻RL两端的输出电压为,从式（2-24）可以看出，当电路参数确定后，输出电压信号与弱辐射入射辐射量（照度ev）成线性关系。,（2-24）,a恒流偏置电路,负载电流与光敏电阻无关，近似保持常数。,RLR,b 恒压偏置电路,光敏电阻上的电压保持不变。,RLRP,2.3.2 恒流电路,在简单偏置电路中，当RLR时，流过光敏电阻的电流基本不变，此时的偏置电路称为恒流电路。然而，光敏电阻自身的阻值已经很高，再满足恒流偏置的条件就难以满足电路输出阻抗的要求，为此，可引入如图2-13所示的晶体管恒流偏置电路。,稳

16、压管DW将晶体三极管的基极电压稳定，即UB=UW，流过晶体三极管发射极的电流Ie 为,（2-25）,三极管的结构示意图和符号,2.3.2 恒流电路,在简单偏置电路中，当RLR时，流过光敏电阻的电流基本不变，此时的偏置电路称为恒流电路。然而，光敏电阻自身的阻值已经很高，再满足恒流偏置的条件就难以满足电路输出阻抗的要求，为此，可引入如图2-13所示的晶体管恒流偏置电路。,稳压管DW将晶体三极管的基极电压稳定，即UB=UW，流过晶体三极管发射极的电流Ie 为,（2-25）,在晶体管恒流偏置电路中输出电压Uo为,求微分得,将 代入（2-27）得,（2-27）,（2-26）,或,显然，恒流偏置电路的电压

17、灵敏度SV为,（2-28）,（2-29）,（2-30）,2.3.3 恒压电路,利用晶体三极管很容易构成光敏电阻的恒压偏置电路.如图2-14所示为典型的光敏电阻恒压偏置电路.,光敏电阻在恒压偏置电路情况下输出的电流IP与处于放大状态的三极管发射极电流Ie近似相等。因此，恒压偏置电路的输出电压为,取微分，则得到输出电压的变化量为,dUo=RcdIc=RcdIe= RcSgUwd,例2-1 在如图2-13所示的恒流偏置电路中，已知电源电压为12V，Rb为820，Re为3.3k，三极管的放大倍率不小于80，稳压二极管的输出电压为4 V，光照度为40lx时输出电压为6V，80 lx时为8V。(设光敏电阻

18、在30到100lx之间的值不变),试求：(1)输出电压为7伏的照度为多少勒克司？(2)该电路的电压灵敏度(V/ lx)。,解 根据已知条件，流过稳压管DW的电流,满足稳压二极管的工作条件,(1)根据题目给的条件，可得到不同光照下光敏电阻的阻值,将Re1与Re2值代入值计算公式，得到光照度在4080lx之间的值,输出为7V时光敏电阻的阻值应为,当Uw =4V时，流过三极管发射极电阻的电流,此时的光照度可由值计算公式获得,E3=54.45（lx）,（2）电路的电压灵敏度SV,例2-2 在如图2-14所示的恒压偏置电路中，已知DW为2CW12型稳压二极管，其稳定电压值为6V，设Rb=1k，RC=51

19、0, 三极管的电流放大倍率不小于80，电源电压Ubb=12V，当CdS光敏电阻光敏面上的照度为150lx时恒压偏置电路的输出电压为10V,照度为450lx时输出电压为8V,试计算输出电压为9V时的照度（设光敏电阻在100500lx间的值不变）为多少lx？ 照度到500lx时的输出电压为多少？,解 分析电路可知，流过稳压二极管的电流满足2CW12的稳定工作条件，三极管的基极被稳定在6V。 设光照度为150lx时的输出电流为I1，与光敏电阻的阻值R1，则,同样,照度为300lx时流过光敏电阻的电流I2与电阻R2为,R2=680,由于光敏电阻在500到100lx间的值不变，因此该光敏电阻的值应为,当

20、输出电压为9V时，设流过光敏电阻的电流为I3，阻值为R3，则,R3=900,代入值的计算公式便可以计算出输出电压为9V时的入射照度E3,E3=196(lx),由值的计算公式可以找到500lx时的阻值R4及三极管的输出电流I4为 R4=214 I4=24.7(mA),而此时的输出电压Uo为 Uo=UbbI4R4=6.7(V)即，在500lx的照度下恒压偏置电路的输出电压为6.7V。,2.4 光敏电阻的应用实例,2.4.1 照明灯的光电控制电路,如图2-15所示为一种最简单的由光敏电阻作光电敏感器件的照明灯光电自动控制电路。,它由3部分构成,半波整流滤波电路,测光与控制的电路,执行电路,设使照明灯

21、点亮的光照度为EV,继电器绕组的直流电阻为RJ，使继电器吸合的最小电流为Imin，光敏电阻的光电导灵敏度为Sg，暗电导go=0，则,显然,这种最简单的光电控制电路还有很多缺点，还需要改进。在实际应用中常常要附加其他电路，如楼道照明灯常配加声控开关或微波等接近开关使灯在有人活动时照明灯才被点亮；而路灯光电控制器则要增加防止闪电光辐射或人为的光源（如手电灯光等）对控制电路的干扰措施。,2.4.2 火焰探测报警器,图2-16所示为采用光敏电阻为探测元件的火焰探测报警器电路图。PbS光敏电阻的暗电阻的阻值为1M，亮电阻的阻值为0.2M(辐照度1mw/cm2下测试)，峰值响应波长为2.2m，恰为火焰的峰

22、值辐射光谱。,数码相机为什么能实现自动曝光？,2.4.3 照相机电子快门,图2-17所示为利用光敏电阻构成的照相机自动曝光控制电路，也称为照相机电子快门。,电子快门常用于电子程序快门的照相机中，其中测光器件常采用与人眼光谱响应接近的硫化镉(CdS)光敏电阻。照相机曝光控制电路是由光敏电阻R、开关K和电容C构成的充电电路，时间检出电路(电压比较器)，三极管T构成的驱动放大电路，电磁铁M带动的开门叶片（执行单元）等组成。,在初始状态，开关K处于如图所示的位置，电压比较器的正输入端的电位为R1与RW1分电源电压Ubb所得的阈值电压Vth(一般为11.5V)，而电压比较器的负输入端的电位VR近似为电源

23、电位Ubb，显然电压比较器负输入端的电位高于正输入端的电位,比较器输出为低电平，三极管截止，电磁铁不吸合，开门叶片闭合。,当按动快门的按钮时，开关K与光敏电阻R及RW2构成的测光与充电电路接通，这时，电容C两端的电压UC为0，由于电压比较器的负输入端的电位低于正输入端而使其输出为高电平，使三极管T导通，电磁铁将带动快门的叶片打开快门，照相机开始曝光。快门打开的同时，电源Ubb通过电位器RW2与光敏电阻R向电容C充电，且充电的速度取决于景物的照度，景物照度愈高光敏电阻R的阻值愈低，充电速度愈快。VR的变化规律可由电容C的充电规律得到,VR=Ubb1exp(t/),式中为电路的时间常数,=(RW2

24、+R)C,光敏电阻的阻值R与入射的光照度EV有关,当电容C两端的电压UC充电到一定的电位（VRVth）时，电压比较器的输出电压将由高变低，三极管T截止而使电磁铁断电，快门叶片又重新关闭。,快门的开启时间t可由下式推出,t =(RW2+R)C ln Ubb/ Vth,3光电导探测器噪声主要包括： 热噪声、g-r噪声和1f噪声,本章小结：,1利用半导体光电导效应制成的器件称为光电导探测器： 本征光电导探测器和杂质光电导探测器 光谱响应范围可从紫外远红外波段,2光电流Ip=(e/hv)M，M内增益，与器件材料、性质和外加电场大小有关,4上限截止频率fc或响应时间，与光电导探测器的光生载流子的平均寿命

25、有关。响应频率仅在几兆赫的数量级。,5偏置电路：恒流电路、恒压电路、交流等效电路,三极管的结构示意图和符号,3.3 偏置电路,1基本偏置电路及直流参数的计算,2几种典型的偏置电路,3光敏电阻应用举例,3.3.1 基本偏置电路及直流参数的计算,为使器件正常工作，提供合适的电流或者电压。,偏置电路:,例如：,意义：,1.提高探测灵敏度2.降低噪声3.提高频率响应,偏置电压偏置电阻,1基本偏置电路:,直流参数计算:,1）. 计算Ub, RL,2）. 计算 对应的输出电压,3.3.1 基本偏置电路及直流参数的计算,1）选择负载电阻和偏置电源电压,2）计算 对应的输出电流、电压,图解法：,2）计算 对应

26、的输出电流、电压,a恒流偏置电路,RLR,负载电流与光敏电阻无关，近似保持常数。,特点：输出信号电流取决于光敏电阻和负载电阻的比值，与偏置电压成正比；电压信噪比高，适于弱信号检测。,b 恒压偏置电路,RLRP,特点: 输出信号与光敏电阻无关 便于检测电路时光敏电阻的更换,光敏电阻上的电压保持不变。,1、照明灯的光电控制电路,3.3.3光敏电阻的应用实例,数码相机为什么能实现自动曝光？,3.3.3光敏电阻的应用实例,3.3.3应用电路举例,2.光敏电阻用于照相机自动曝光电路 ：,光照强： 曝光时间短光照弱： 曝光时间长,3、火焰检测报警器,3光电导探测器噪声主要包括： 热噪声、g-r噪声和1f噪

27、声,本章小结：,1利用半导体光电导效应制成的器件称为光电导探测器： 本征光电导探测器和杂质光电导探测器 光谱响应范围可从紫外远红外波段,2光电流Ip=(e/hv)M，M内增益，与器件材料、性质和外加电场大小有关,4上限截止频率fc或响应时间，与光电导探测器的光生载流子的平均寿命有关。响应频率仅在几兆赫的数量级。,5偏置电路：恒流电路、恒压电路、交流等效电路,习题3-9指导：,3-9 如图324所示的电路，耦合电容C足够大，在交流回路中其容抗可以忽略不计。光敏电阻Rp的参数为Sg=210-5 Slx， 10-3 s，Rl4k，R2=2k，Ub=50V，暗电阻Rd=1M，若光敏电阻所受的光照度为：e = (16+4sint)1x.,(1)画出等效电路图；(2) 求通过R2电流的有效值；(3) 求输出电压Uo的有效值;(4)求上限截止频率fHC。,习题3-9指导：,