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1、第四章 光电导探测器,光电子技术,1.定义光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应。（内光电效应，photoconductive PC）当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。电导率的改变通过电量测量来获得。,4-1 光电导探测器的工作原理,一、光电导效应,-光电导器件工作的物理基础,存在于大多数半导体中，金属中不存在（大量自由电子）,2半导体的暗电导率 半导体的电导率定义,暗电导无光照的电导,3光辐射改变半导体的电导率,光子,激发（电-空对）,产生载流子增量nP光生载流子,光激发,nP g,1）本征光电导,只有光子能量h大于材料禁带宽度
2、Eg 的入射光才能激发出电子空穴对，使材料产生光电导效应的现象,故探测器能吸收光波长为,为截止波长,2）非本征光电导,杂质型光电导效应：对于型半导体，当入射光子的能量等于或大于杂质电离能i时，将施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外电场的作用下，形成光电流。本征型用于可见光长波段,杂质型用于红外波段。,4光电导计算,Al体积n寿命N每秒产生的电子空穴对数,光电导,5光电导电流增益（G）定义,其中,长度为L的光电导体在两端加上电压V后，由光照产生的载流子在电场作用下在输出回路形成的光电流与光生载流子在内部形成的初生光电流之比,6.光电导弛豫过程光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经
3、过一定时间的。同样光照停止后光电流也是逐渐消失的。这些现象称为弛豫过程或惰性。对光电导体受矩形脉冲光照时，常有上升时间常数r和下降时间常数f来描述弛豫过程的长短。r表示光生载流子浓度从零增长到稳态值63%时所需的时间，f表示从停光前稳态值衰减到37%时所需的时间。,6.光电导弛豫过程,弛豫特性限制了器件对调制频率高的光功率的响应,7.光电导的光谱分布,利用具有光电导效应的材料（如硅、锗等本征半导体与杂质半导体，硫化镉、硒化镉、氧化铅等）可以制成电导随入射光度量变化器件，称为光电导器件或光敏电阻。根据半导体材料的分类，将光敏电阻分为两种类型本征型半导体光敏电阻和掺杂型半导体光敏电阻。,二、光电导
4、探测器,1、本征型半导体光敏电阻,只有当入射光子的能量h等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg时才能激发电子空穴对，在外加的电场作用下形成光电流。这种本征光电导效应可用来检测可见光和近红外辐射。,2、掺杂型半导体光敏电阻,如n型半导体，光子的能量只要大于杂质的电离能就能把施主杂质能级上的的电子激发到导带而形成导电电子，在外加电场的作用下形成光电流。这种效应可以检测波长较长的辐射。主要用于超过5微米的波段。,光敏电阻具有体积小，坚固耐用，价格低廉，光谱响应范围宽等优点。,三、光电导探测器的工作原理,下图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
5、电阻。,1.光电导探测器的光电流,n型半导体光敏电阻,VA为外加偏压,RL为负载电阻,设入射的光功率为,漂移面电流密度,漂移速度 v=nE=nVA/L,光电导探测器输出的总光电流,光电导探测器在高为dx的长方体微元每秒钟单位体积产生的光生自由电子数,产生率,n型半导体光敏电阻自由电子的寿命0,复合率,稳态后,产生率=复合率,令有效量子效率,光电导探测器内增益等于载流子平均寿命0与载流子在探测器两极间的渡越时间d之比。,G=1,0=d,每产生一个光电子对外回路电流正好提供一个电子的电荷量e。,G1,0d,每产生一个光电子对外回路电流的贡献小于一个电子的电荷量e。,G1,0d,每产生一个光电子对外
6、回路电流的贡献大于一个电子的电荷量e。,光敏电阻两端加电压（直流或交流）。无光照时，阻值（暗电阻）很大，电流（暗电流）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值（亮电阻）急剧减少。在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成光电流（亮电流）。,2.光电导探测器的工作模式及等效电路,光电导：亮电导和暗电导之差；g光=gL-gd,光电流：亮电流和暗电流之差；I光=IL-Id,2.1 基本偏置电路,设在某照度Ev下，光敏电阻的阻值为Rd，电导为g，流过负载电阻RL的电流为IL,用微变量表示,而，dRd=d(1/g)=(-1/g2)dg dg=Ip/u0 因此,加在光敏电阻上的电压为Rd与RL对电压VA的
7、分压，即U0=Rd/(Rd+RL)UA，因此，流过负载电阻的电流微变量与光电流的关系为,Ip,Rd,RL,直流微变等效电路,du0,探测器上的偏置电压与Rd无关U0=VA,基本恒定,流过RL输出的电流信号为,2.2 短路电流ISC,恒压偏置电路(RLRd),2.3 开路电压VOC,恒流偏置电路(RLRd),工作过程中流过探测器的电流基本恒定,IL=VA/RL+Rd,输出的电压信号,输出电压,Rd=RL即为负载匹配工作状态的工作条件,2.4 负载匹配时探测器输出电压,4-2 光电导探测器的性能参数,Gn称为光电导探测器中电子增益系数Gp称为光电导探测器中空穴增益系数,长度为L的光电导体在两端加上
8、电压V后，由光照产生的载流子在电场作用下在输出回路形成的光电流与光生载流子在内部形成的初生光电流之比,一、光电导电流增益（G）定义,在半导体中,电子和空穴的寿命是相同的,总的光电导增益G为,令,tdr为载流子渡越极间距离L所需要的有效渡越时间,增益、带宽矛盾,光敏电阻结构,一块半导体材料两端加上电极，两端面接上电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内,光敏电阻的基本结构,梳状电极-光敏面做成蛇形（较大的受光表面，减小电极之间的距离-减小载流子的有效极间渡越时间，提高灵敏度）,二、光电导探测器的噪声,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)。,电流灵敏度,三、响应率,电
9、压灵敏度,光敏电阻的光电导灵敏度,gp-光敏电阻的光电导（西门子S，-1）,E-照度（勒克斯lx）,Sg-S/lx（S.m2/W）,光电特性,图为硫化镉光敏电阻的光电特性。强光照射时，光电特性为非线性。,在实用范围内，有如下关系：,式中 I p光电流；U 加于光敏电阻的电压；E光敏电阻上的照度；K 材料决定的比例系数；a 电压指数，一般近于1；b 照度指数。,IpKU a E b,弱光时,b=1-光电流与光照度的线性关系,四、光谱特性,-相对电流灵敏度与波长的关系曲线,-灵敏度范围、峰值波长位置、各波长下灵敏度的相对关系,整个可见光区域,峰值波长：515600nm,-与人眼有关的仪器（照相机、
10、照度计、光度计）,五、温度特性,光敏电阻的性质受温度的影响较大，随着温度的升高灵敏度要下降。图示硫化镉的光电流与温度的关系。不同的材料其温度特性也不一样,温度升高，光敏电阻在黑暗时的电流增大，导致在光照时电流增加不多，则I减小，灵敏度降低,温度还影响光谱特性、峰值响应波长等等一些因素。,六、频率响应及响应时间,-非平衡载流子的产生与复合有一个时间过程（影响光敏电阻对变化光照的响应）,-频率响应,R0-器件在零频时的响应度；=2f为信号的调制圆频率；f为调制频率；为响应时间,相对输出随光调制频率的增加而减小,七、前历效应,中态前历效应数值越小越好。,前历效应分为短态前历效应和中态前历效应,短态前
11、历效应数值越大,灵敏度越高;通常在黑暗中放置的时间越短,短态前历效应越显著。,光敏电阻的使用要点,用于模拟量时，只有在弱光照射下光电流与入射辐射通量成线性关系,用于光度量测试仪器时，必须对光谱特性曲线进行修正，保证其与人眼的光谱光视效率曲线相符合,冷却灵敏面-提高长波区灵敏度（光谱特性与温度有关，温度低时，灵敏范围和峰值波长都向长波方向移动）,不适于在高温下使用（温度特性复杂）,要求带宽-牺牲灵敏度（频带宽度比较窄）,动态设计-前历效应,1、Hg1-xCdxTe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
12、辐射的探测更为重要。Hg1-xCdxTe系列光电导体是由HgTe和CdTe两种材料的晶体混合制造的，其中x标明CdTe元素含量的组分。在制造混合晶体时选用不同CdTe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。一般组分x的变化范围为0.180.4，长波长的变化范围为130m。,4-3 实用光电导探测器,2、InSb光电导探测器,InSb光敏电阻是35m光谱范围内的主要探测器件之一。,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1101
13、1cmHzW-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。,3、CdS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制在0.520.72m范围内。,4、PbS光敏电阻,PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件
14、。,PbS光敏电阻在2m附近的红外辐射的探测灵敏度很高，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长将向长波方向延伸，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。,随输入光通量的变化，负载电流的变化I变为,-根据负载电阻RL和光敏电阻R的大小关系，可确定电路的三种工作状态,a)恒流偏置
15、,负载电阻RL,-输入电路中的负载电阻比光敏电阻大得多(即RLR)时,负载电流与光敏电阻值无关，并且近似保持常数,-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,-恒流偏置电路,电压信噪比较高-适用于高灵敏度测量,RL很大-为使光敏电阻正常工作所需的偏置电压很高（有时达100V以上）,采用晶体管作恒流器件来代替RL-降低电源电压）,4-4 光敏电阻的变换电路,恒流电路(RLR),通常，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。可引入如图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,在
16、晶体管恒流偏置电路中输出电压Uo为,求微分得,将 代入上式得,或,显然，恒流偏置电路中光敏电阻的电压灵敏度SV为,b)恒压偏置,光敏电阻在较高的频率下工作时，除选用高频响应较好的光敏电阻外，负载电阻RL必须取较小的数值，否则时间常数较大，对高频响应不利,在较高频率下工作时-电路往往处于失配状态,光敏电阻上的电压近似与电源电压相等-恒压偏置（光敏电阻上的电压保持不变的偏置）,信号电压变为,-光敏电阻的电导变化量（引起信号输出的原因）,当负载电阻RL比光敏电阻R小得多(即RLR)时，负载电阻两端的电压为,-恒压偏置的输出电压信号与光敏电阻阻值无关，仅取决于电导的相对变化,优点-检测电路在更换光敏阻
17、值时对电路初始状态影响不大,恒压电路(RLR),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的情况下输出的电流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,c)恒功率偏置,对RL微分,负载电阻RL与光敏电阻R相等时-负载匹配,探测器的输出功率最大-匹配状态,R-对应于某光通量的光敏电阻值,输出功率,恒功率偏置电路(RL=RD),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。,利用基本偏
18、置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I的关系曲线，并称其为光敏电阻的伏安特性。,图所示为典型CdS光敏电阻的伏安特性曲线。,虚线-额定功耗（不使电阻的实际功耗超过额定值）,不能使静态工作点位于虚线以外的区域,设计负载电阻-不使负载线与额定功耗线相交,Pm-允许的最大耗散功率（产品目录中查出）,-工作时超过这一数值，光敏电阻就容易损坏,I、U-通过光敏电阻的电流 和它两端的电压,-信号电压U 随Ub的增大而增大,电源电压Ub,RL不变时-Ub增大后，负载线由AQB变为AQB,A B AB,U U,Ub-光敏电阻的损耗，（靠近但不能超过允许功率曲线Pmax），否则光敏电
19、阻将损坏或性能下降。,Pmax-光敏电阻的允许最大耗散功率（产品目录中给出）,为了得到大的电流变化（RL=0时）,R-光通量最大时的光敏电阻值,电源电压Ub也受Pmax限制,为了电源设备简单，电路可以公用一个电源Ub,信噪比S/N,当系统噪声以放大器的热噪声为主时,与偏置方式无关(即与RL的取值无关)当系统噪声以探测器的热噪声为主时 恒流偏置S/N匹配偏置S/N恒压偏置S/N,小结,没有特殊要求的情况下,通常采用负载匹配偏置,RL=Rs根据Ub=IL(RL+Rs),计算出Ub,但,否则需重新设计选定,在实际使用时，常常将光敏电阻的光电特性曲线改用如下图所示的特性曲线。图中所示为两种坐标框架的特
20、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，即光电转换因子保持不变。,值为对数坐标下特性曲线的斜率。即,R1与R2分别是照度为E1和E2时光敏电阻的阻值。,例题,在如图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，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，80lx时为8V。（设光敏电阻在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）输出
21、电压为7伏时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Rp1与Rp2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,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,在如图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=510,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
22、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时的输出电流为多少？,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，光敏电阻的阻值为R1，则,同样,照度为450lx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100到500lx间的值不变，因此该光敏电阻的值应为,当输出电压为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
23、到500lx时的阻值R4及三极管的输出电流I4为 R4=214,I4=24.7(mA),设某只CdS光敏电阻的最大功耗为40mW,光电导灵敏度Sg=0.510-6s/lx，暗电导g0=0,试求当CdS光敏电阻上的偏置电压为20V时的极限照度。设某光敏电阻在100lx的光照下的阻值为2K且已知它在90120lx范围内的=0.9。试求该光敏电阻在110lx光照下的阻值已知某光敏电阻在500lx的光照下的阻值为550，而在700lx的光照下的阻值为450。试求该光敏电阻在550lx和600lx光照下的阻值,光敏电阻的符号和连接电路如图,图(a)中的输出电压与入射光通量的变化反相；而图(b)中的输出电
24、压于入射光通量成同相。,在入射光通量变化范围一定的情况下，为了使输出电压Vo变化范围最大，一般取,RL=RG,当入射光通量跳跃变化时，,RL(RG max RG min)1/2,补充：,证明：当入射光通量跳跃变化时，RL(RG max RG min)1/2,证明：设两个光强时的光敏电阻值分别为RG max和RG min,则两个状态下的电流差为：,则两种状态下光敏电阻的输出电压之差为：,要求两个工作状态的电压差最大，则要求：,应用举例,图为路灯自动电熄装置，分两部分组成，电阻R、电容C和二极管D组成半波整流滤波电路；CdS光敏电阻和继电器组成光控继电器。路灯接在继电器常闭触点上，由光控继电器来控
25、制路灯的点燃和熄灭。,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。,在如图所示的照明灯控制电路中，将CdS光敏电阻用作光电传感器，光电导灵敏度Sg=0.510-6s/lx，暗电导g0=0,若已知继电器绕组的电阻为5K，继电器的吸合电流为2mA，电阻R=1K。求为使继电器吸合所需要的
26、照度。要使继电器在19lx时吸合，问应如何调整电阻器R？,照相机电子快门,图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。,
