光電技術(shù)第3講

1、主講人:張建寰 教授單 位:機(jī)電工程學(xué)院測(cè)控技術(shù)研究所2012.04.21光電技術(shù)第三講上節(jié)內(nèi)容回顧上節(jié)內(nèi)容回顧1、輻射體分類及其溫度表示2、輻射度參量與光度參數(shù)的關(guān)系3、半導(dǎo)體對(duì)光的吸收 物質(zhì)對(duì)光吸收的一般規(guī)律 半導(dǎo)體對(duì)光吸收4、光電效應(yīng) 光電導(dǎo)效應(yīng) 光生伏特效應(yīng)本節(jié)內(nèi)容預(yù)告本節(jié)內(nèi)容預(yù)告1、光電發(fā)射效應(yīng)2、光電導(dǎo)器件 光敏電阻的原理與結(jié)構(gòu) 光敏電阻的基本特性 光敏電阻的變換電路 光敏電阻的應(yīng)用實(shí)例 光電發(fā)射效應(yīng) 當(dāng)物質(zhì)中的電子吸收足夠高的光子能量,電子將逸出物質(zhì)表面成為真空中的自由電子,這種現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)或外光電效應(yīng).themvhv221 只有光子能量大于光電發(fā)射材料的光電發(fā)射閾值,才

2、有電子飛出光電發(fā)射材料進(jìn)入真空.vacethefecevegevacenfefepfe導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶 對(duì)于金屬材料有:fvactheee 對(duì)于半導(dǎo)體材料,導(dǎo)帶中的電子athee 對(duì)于半導(dǎo)體材料,價(jià)帶中的電子agtheee 對(duì)于半導(dǎo)體材料,光電發(fā)射長(zhǎng)波限為:)(/1239/meehcththl 光電發(fā)射器件具有不同于內(nèi)光電效應(yīng)的特點(diǎn):1、光電發(fā)射器件中的導(dǎo)電電子可以在真空中運(yùn)動(dòng)，因此，可以通過(guò)電場(chǎng)加速電子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能或通過(guò)電子的內(nèi)倍增系統(tǒng)提高光電探測(cè)靈敏度，使它能夠快速探測(cè)極其微弱的光信號(hào)，成為像增強(qiáng)器與變像器技術(shù)的基本單元。2、易制作大的面積均勻的光電發(fā)射器件，使其在光電成像器件方面有利，一般真空

3、光電成像器件的空間分辨率要高于半導(dǎo)體光電圖像傳感器；3、光電發(fā)射器件需要高穩(wěn)定的高壓直流電源設(shè)備，使整個(gè)探測(cè)器體積龐大，功率損失大，不適于野外操作，造價(jià)高；4、光電發(fā)射器件的光譜響應(yīng)范圍一般不如半導(dǎo)體器件寬。 作業(yè)： 1、試計(jì)算100w標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈在0.2sr范圍內(nèi)的光通量； 2、若甲乙兩廠生產(chǎn)的光電器件在色溫2856k標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈下標(biāo)定出的靈敏度分別為：lmaswasve/4 . 0,/5比較兩廠的光電器件的靈敏度高低。 3、已知本征硅材料的禁帶寬度1.2ev，求本征吸收波長(zhǎng)。光電導(dǎo)器件 某些物質(zhì)吸收光子的能量產(chǎn)生本征吸收或雜質(zhì)吸收，從而改變物質(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

4、導(dǎo)效應(yīng)的材料（本征半導(dǎo)體硅、鍺等，雜質(zhì)半導(dǎo)體、硫化鎘、硒化鎘、氧化鉛等）可以制成電導(dǎo)率隨入射光度量變化的器件，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。光敏電阻的原理與結(jié)構(gòu) 光敏電阻的基本原理光敏電阻的基本原理 光敏電阻的原理圖和符號(hào)如圖所示。 在均勻具有光電導(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秒妷汉?，便有電流流過(guò)，用檢流計(jì)可以檢測(cè)到該電流。改變照射到光敏電阻上的光度量（如照度），發(fā)現(xiàn)流過(guò)光敏電阻的電流發(fā)生變化，說(shuō)明光敏電阻的阻值隨照度變化。 分類：兩大類，本征型半導(dǎo)

5、體光敏電阻和雜質(zhì)型半導(dǎo)體光敏電阻。 本征型半導(dǎo)體的電子要從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶需要克服較大的禁帶寬度，要吸較大的光子通量，才會(huì)形成自由電子空穴對(duì)。因此，本征型光敏電阻所能探測(cè)的光波長(zhǎng)短于雜質(zhì)型光敏電阻。 雜質(zhì)型光敏電阻一般用于長(zhǎng)波光的探測(cè)，例如紅外波段、甚至遠(yuǎn)紅外波段輻射探測(cè)。 光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)光敏電阻的基本結(jié)構(gòu) 光敏電阻在微弱輻射作用下，光電導(dǎo)靈敏度與光光敏電阻在微弱輻射作用下，光電導(dǎo)靈敏度與光敏電阻兩極間的距離的平方成反比。強(qiáng)輻射作用敏電阻兩極間的距離的平方成反比。強(qiáng)輻射作用下，靈敏度與兩電極間的二分之三次方成反比。下，靈敏度與兩電極間的二分之三次方成反比。因此靈敏度與兩電極間的距離有較大的關(guān)

6、系。因此靈敏度與兩電極間的距離有較大的關(guān)系。 為提高靈敏度，應(yīng)盡量縮短光敏電阻兩電極間的為提高靈敏度，應(yīng)盡量縮短光敏電阻兩電極間的距離。此為光敏電阻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則。距離。此為光敏電阻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則。 三種結(jié)構(gòu)的光敏電阻。 梳狀電極 蛇形光敏面的 刻線式光敏材料加電極 典型的光敏電阻 cds光敏電阻 該電阻是最常見(jiàn)的光敏電阻，其光譜響應(yīng)特性接近人眼的光譜光視效率v()，可見(jiàn)其在可見(jiàn)光波段范圍內(nèi)的靈敏度最高，因此被廣泛應(yīng)用于燈光自動(dòng)控制，以及照相機(jī)的自動(dòng)測(cè)光等方面。 cds光敏電阻制備方法：蒸發(fā)、燒結(jié)或粘接 一般會(huì)將cds與cdse配合使用?；蛟赾ds中加入cu或cl，使其同時(shí)具有本征和雜

7、質(zhì)半導(dǎo)體器件的特性。使光敏電阻的探測(cè)范圍向紅外波段延伸，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)也延長(zhǎng)。 cds光敏電阻的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為0.52um， cdse光敏電阻的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為0.72um，通過(guò)調(diào)整s和se的配比，使光敏電阻的峰值響應(yīng)變化，達(dá)到與人眼相近的波長(zhǎng)。 cds光敏電阻一般制成蛇形光敏面結(jié)構(gòu)。 表一列出了該光敏電阻的特性參數(shù)。 pbs光敏電阻 是近紅外波段最靈敏的光電導(dǎo)器件。 采用蒸發(fā)或化學(xué)沉積方法制備，多制成厚度為um量級(jí)的多晶或單晶膜。 pbs的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)在2um，常用于火災(zāi)等探測(cè)。 pbs的響應(yīng)范圍及比探測(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)波限向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，且比探測(cè)率

8、增加。 室溫下：1-3.5um,峰值 波長(zhǎng)為2.4um 195k時(shí)，1-4um,峰值波長(zhǎng)達(dá)到2.8um insb光敏電阻 波長(zhǎng)范圍為3-5um的主要探測(cè)器件之一， 單晶材料制備，工藝成熟，切片，磨片，拋光后，腐蝕減薄。 大面積器件適合制作成陣列 室溫下長(zhǎng)波限可達(dá)7.5um，峰值波長(zhǎng)在6um 77k時(shí)，長(zhǎng)波限縮短至5.5um，峰值波長(zhǎng)也移至5um。恰 為大氣窗口。 hg1-xcdxte系列光電導(dǎo)探測(cè)器件 該系探測(cè)器件是目前所有紅外探測(cè)器件中性能最優(yōu)良且最有前途的探測(cè)器件，尤其是對(duì)于4-8um的大氣窗口探測(cè)更為重要。 該材料是由hgte和cdte兩種材料制備的，其中x標(biāo)明cd元素含量的成分多少。不

9、同的含量可以得到不同的禁帶寬度，從而制造出不同波長(zhǎng)響應(yīng)的探測(cè)器件。 光敏電阻的基本特性 光敏電阻為多數(shù)電子導(dǎo)電的光電敏感器件，其特性與其他光電器件的差別表現(xiàn)在它的基本特性參數(shù)上。光敏電阻的基本特性參數(shù)包括光電特性，伏安特性，溫度特性，時(shí)間響應(yīng)，噪聲特性等。 光電特性 暗電導(dǎo)：光敏電阻在黑暗室溫條件下，由于熱激發(fā)產(chǎn)生載流子使其具有一定的電導(dǎo)。 暗電導(dǎo)一般很小 光電導(dǎo)：當(dāng)有光照射光敏面上時(shí)，電導(dǎo)將變大，稱為光電導(dǎo) 光敏電阻的光電特性:電導(dǎo)隨光照量變化越大的光敏電阻，其靈敏度越高，這個(gè)特性稱為光敏電阻的光電特性除兩種極端光照條件:弱和強(qiáng)外，還有一般照射條件下，電導(dǎo)隨光照變化的情況?？捎迷诤愣妷合铝?/p>

10、過(guò)光敏電阻的電流與作用其上的光照度e的關(guān)系曲線來(lái)描述。由線性漸變?yōu)榉蔷€性。rgppeusugi恒壓下，光電流為：弱輻射條件下，r=1，強(qiáng)輻射時(shí)r=0.5，r為光電轉(zhuǎn)換因子。1221lglglglgeerrr 伏安特性 光敏電阻的本質(zhì)是電阻，符合歐姆定律，因此具有與普通電阻相似的伏安特性，但是它電阻值是隨入射光量的變而變化的。 測(cè)出不同光照條件下加在光敏電阻兩端電壓u與流過(guò)其電流i的關(guān)系曲線，稱為光敏電阻的伏安特性曲線。 虛線為允許功耗線或額定功耗線，使用時(shí)，設(shè)計(jì)光敏電阻的變換電路時(shí)，使光敏電阻工作在虛線范圍內(nèi)。 溫度特性 光敏電阻為多數(shù)載流子導(dǎo)電的光電器件。溫度特性復(fù)雜。 溫度特性與光電導(dǎo)材料

11、有密切關(guān)系。不同材料的光敏電阻有不同的溫度特性。 圖中為cds和cdse光敏電阻在不同照度下的溫度特性曲線。以室溫的相對(duì)光電導(dǎo)率為100%，觀測(cè)光敏電阻的相對(duì)光電導(dǎo)率隨溫度變化關(guān)系?？梢钥闯?，光敏電阻的相對(duì)光電導(dǎo)率隨溫度升高而下降，光電響應(yīng)特性隨著溫度的變化較大。因此在溫度變化較大的場(chǎng)合，應(yīng)采取制冷措施。降低或控制光敏電阻的工作溫度是提高光敏電阻工作穩(wěn)定性的有效辦法。對(duì)紅外波長(zhǎng)紅外輻射探測(cè)的領(lǐng)域更為重要。 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，即慣性大些。頻率響應(yīng)低一些。 當(dāng)用一個(gè)理想方波脈沖照射光敏電阻時(shí)，光生電子要有產(chǎn)生的過(guò)程，光生電導(dǎo)率要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定，當(dāng)

12、停止輻射時(shí)，復(fù)合光生載流子也需要時(shí)間消失，因此表現(xiàn)出較大的慣性。 噪聲特性 熱噪聲：光敏電阻內(nèi)載流子的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲稱為熱噪聲或稱johson噪聲 產(chǎn)生復(fù)合噪聲：光敏電阻的產(chǎn)生復(fù)合噪聲與其平均電流有關(guān) 低頻噪聲：光敏電阻會(huì)在偏置電壓作用下產(chǎn)生信號(hào)光電流，由于光敏層內(nèi)微粒 的不均勻性，或體內(nèi)存有雜質(zhì)，會(huì)產(chǎn)生微火花放電現(xiàn)象，從而引起電爆脈沖，是低頻噪聲的來(lái)源。 光敏電阻的光譜響應(yīng) 與光敏材料的禁帶寬度、雜質(zhì)電離能、材料摻雜比與摻雜濃度等因素有關(guān)。光敏電阻的變換電路 光敏電阻的阻值或電導(dǎo)隨入射輻射量的變化而改變，因此，可以用光敏電阻將光學(xué)信息變換為電學(xué)信息。但電阻或電導(dǎo)值的變化信息不能直接被人所接受