第03章_光電導(dǎo)探測器

1、數(shù)碼相機(jī)為什么能實現(xiàn)自動曝光？數(shù)碼相機(jī)為什么能實現(xiàn)自動曝光？數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼相機(jī)NIKON5第第0303章章 光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)探測器利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)制成的器件稱為利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)制成的器件稱為光電導(dǎo)探光電導(dǎo)探測器測器，簡稱，簡稱PC（Photoconductive）探測器又探測器又稱為稱為光敏電阻光敏電阻。 特點(diǎn)特點(diǎn) ： 光譜響應(yīng)：紫外遠(yuǎn)紅外光譜響應(yīng)：紫外遠(yuǎn)紅外 工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安 可測強(qiáng)光，可測弱光可測強(qiáng)光，可測弱光 靈敏度高，光電導(dǎo)增益大于靈敏度高，光電導(dǎo)增益大于1 1 無極性之分無極性之分光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoe

2、lectric Science and Engineering第第0303章章 光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)探測器3.1 3.1 材料結(jié)構(gòu)原理材料結(jié)構(gòu)原理3.2 3.2 主要特性參數(shù)主要特性參數(shù)3.4 3.4 偏置電路和應(yīng)用偏置電路和應(yīng)用3.1 3.1 材料結(jié)構(gòu)原理材料結(jié)構(gòu)原理3.1.1 3.1.1 材料及分類材料及分類、V V族化合物，硅、鍺以及一些有機(jī)物等族化合物，硅、鍺以及一些有機(jī)物等 本征型光敏電阻：本征型光敏電阻：雜質(zhì)型光敏電阻：雜質(zhì)型光敏電阻：)nm(12400ggEEhc)nm(12400EEhc注意雜質(zhì)型：注意雜質(zhì)型：1.常用常用N型型 2.極低溫度下工作極低溫度下工作 雜質(zhì)型光敏電阻：

3、極低溫度下工作雜質(zhì)型光敏電阻：極低溫度下工作? ? 以以N N型為例：型為例：EcEvEdEd Ec Ed EgEgEd2. 常溫常溫-雜質(zhì)原子束縛電子雜質(zhì)原子束縛電子或空穴已被熱激發(fā)成自由態(tài)或空穴已被熱激發(fā)成自由態(tài)作為暗電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)量。長作為暗電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)量。長波光照波光照,已無束縛電子或束縛已無束縛電子或束縛空穴供光激發(fā)用，即光電導(dǎo)空穴供光激發(fā)用，即光電導(dǎo)為零或很微弱。為零或很微弱。1.雜質(zhì)原子濃度遠(yuǎn)比基質(zhì)原雜質(zhì)原子濃度遠(yuǎn)比基質(zhì)原子濃度低得多。子濃度低得多。3.1 3.1 材料結(jié)構(gòu)原理材料結(jié)構(gòu)原理3.1.2 光照下的光電導(dǎo)響應(yīng)過程光照下的光電導(dǎo)響應(yīng)過程光電導(dǎo)的響應(yīng)與光生載流子n成正比 曲線

4、的解釋：3.1.2 3.1.2 光照下的光電導(dǎo)響應(yīng)過程光照下的光電導(dǎo)響應(yīng)過程 0000d( )( )( )dn tgr nn tpp trn pt 光照時：光照時：cc ( )(1e)t /n tg弱光（n(t) =p(t) p0） 初始條件：t =0，n(0) =0 增長率 產(chǎn)生率 復(fù)合率 熱致產(chǎn)生率 3.1.2 3.1.2 光照下的光電導(dǎo)響應(yīng)過程光照下的光電導(dǎo)響應(yīng)過程光照時：光照時：cc( )(1e)t /ntgc01/()p為載流子壽命 t c ( )=gn3.1.2.3.1.2.光照下的光電導(dǎo)響應(yīng)過程光照下的光電導(dǎo)響應(yīng)過程光照時：光照時：光照停止時：光照停止時： 0000d( )0(

5、)( )dn tr nn tpp trn pt 0000d( )( )( )dn tgr nn tpp trn pt 增長率 產(chǎn)生率 復(fù)合率 熱致產(chǎn)生率 光照停止時：光照停止時： 0000d( )0( )( )dn tr nn tpp trn pt cc ( )et /n tg初始條件：t =0，c (0)=gn 3.1.2.3.1.2.光照下的光電導(dǎo)響應(yīng)過程光照下的光電導(dǎo)響應(yīng)過程cc ( )(1e)t /n tg弱光照條件下光電導(dǎo)響應(yīng)的兩個基本結(jié)論： （1）響應(yīng)時間（上升時間和下降時間） 等于載流子壽命且為常數(shù)（2）穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo) 與產(chǎn)生率成線性關(guān)系，即與輻射通量成正比cc ( )et /n t

6、g3.1.2.3.1.2.光照下的光電導(dǎo)響應(yīng)過程光照下的光電導(dǎo)響應(yīng)過程(a) 光照時 (b) 光照停止時 cc ( )(1e)t /n tg弱光照條件下光電導(dǎo)響應(yīng)的兩個基本結(jié)論： （1）響應(yīng)時間（上升時間和下降時間） 等于載流子壽命且為常數(shù)（2）穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo) 與產(chǎn)生率成線性關(guān)系，即與輻射通量成正比強(qiáng)光照條件下：（討論） 1 21 2 ( )tanh/n tg / rgrtcc ( )et /n tg3.1.2.3.1.2.光照下的光電導(dǎo)響應(yīng)過程光照下的光電導(dǎo)響應(yīng)過程階躍光照時 0000d( )( )( )dn tgr nn tpp trn pt cc ( )(1e)t /n tg光電導(dǎo)響應(yīng)：正弦

7、光照時 t0000dedjn tgr nn( t )pp( t )rn pt光電導(dǎo)響應(yīng)：c022cc11gnn3.1.2.3.1.2.光照下的光電導(dǎo)響應(yīng)過程光照下的光電導(dǎo)響應(yīng)過程階躍光照時cc ( )(1e)t /n tg光電導(dǎo)響應(yīng)：正弦光照時光電導(dǎo)響應(yīng)：c022cc11gnn上限截止頻率： （頻域） HCc12f響應(yīng)時間： （時域）c光電導(dǎo)響應(yīng)速度3.1.2.3.1.2.光照下的光電導(dǎo)響應(yīng)過程光照下的光電導(dǎo)響應(yīng)過程3.1.3 3.1.3 結(jié)構(gòu)和原理結(jié)構(gòu)和原理3.1 3.1 材料結(jié)構(gòu)原理材料結(jié)構(gòu)原理設(shè)樣品為N型材料 任務(wù)：1.導(dǎo)出電流表達(dá)式pn c2zUeIhvl 在x處光生載流子濃度 ccy

8、 z ( )= ( )1 xn xg x(r )ehvl l0y zy z( )(1)xNg xr el lxhvl l3.1.3 3.1.3 結(jié)構(gòu)和原理結(jié)構(gòu)和原理在x處光生載流子濃度 ccy z ( )= ( )1 xn xg x(r )ehvl lx處的光電導(dǎo)率為 cnny z( )= ( )1 xxe n xe(r )ehvl l cny zcny zz( ) ( )(1)(1)xxJ xx Eer eEhvl lUer ehvl ll 漂移電流密度（A/m2）為 3.1.3 3.1.3 結(jié)構(gòu)和原理結(jié)構(gòu)和原理cny zcny zz( ) ( )(1)(1)xxJ xx Eer eEhvl

9、 lUer ehvl ll 漂移電流密度（A/m2）為 光電導(dǎo)探測器 平均光電流 yxyxcpn0000zzn c2z( )d d(1)d d(1)(1)xllllxylUIJ xx yer ex yhvl lleUrehvl pn c2zUeIhvl 3.1.3 3.1.3 結(jié)構(gòu)和原理結(jié)構(gòu)和原理光電導(dǎo)探測器 平均光電流 pn c2zUeIhvl 由此可得到兩個結(jié)論：(1). 光電導(dǎo)探測器為受控恒流源 (2). 光電導(dǎo)探測器光敏面做成蛇形光敏面做成蛇形3.1.3 3.1.3 結(jié)構(gòu)和原理結(jié)構(gòu)和原理電壓源：電壓源：RSRL兩者關(guān)系：兩者關(guān)系： IS=ES/RS 例如，三極管例如，三極管h h參數(shù)等

10、效電路參數(shù)等效電路+i-ube+-ubTce+ci+icbebicrcebe+r-cece-u+biru+-beu補(bǔ)充知識補(bǔ)充知識2：受控受控電流源：電流源：光電導(dǎo)探測器 平均光電流 pn c2zUeIhvl (1). 光電導(dǎo)探測器為受控恒流源 微變等效電路 光電阻Rp0-平均光照時 光敏電阻的阻值U-光電阻Rp0上的分電壓。利用該等效電路可方便地計算光電導(dǎo)探測器接受交變輻射時的輸出信號。使用條件：光通量變化較小 3.1.3 3.1.3 結(jié)構(gòu)和原理結(jié)構(gòu)和原理光電導(dǎo)探測器 平均光電流 pn c2zUeIhvl (1). 光電導(dǎo)探測器為受控恒流源 (2). 光電導(dǎo)探測器光敏面做成蛇形光敏面做成蛇形

11、光電流Ip與長度lz的平方成反比 3.1.3 3.1.3 結(jié)構(gòu)和原理結(jié)構(gòu)和原理光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering光敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖光敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖 3.1.3 3.1.3 結(jié)構(gòu)和原理結(jié)構(gòu)和原理2.2.光電導(dǎo)增益光電導(dǎo)增益pn c2zUeIhvl p0eIMhvpcn2z/()IUMehvl 光電導(dǎo)探測器的內(nèi)增益，也稱為光電導(dǎo)增益 3.1.3 3.1.3 結(jié)構(gòu)和原理結(jié)構(gòu)和原理光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineeri

12、ng第第0303章章 光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)探測器3.1 3.1 材料結(jié)構(gòu)原理材料結(jié)構(gòu)原理3.2 3.2 主要特性參數(shù)主要特性參數(shù)3.3 3.3 偏置電路和應(yīng)用偏置電路和應(yīng)用3.2 3.2 主要特性參數(shù)主要特性參數(shù)1. 光電特性和光電特性和值值2. 2. 光電導(dǎo)靈敏度光電導(dǎo)靈敏度3. 3. 光譜特性光譜特性7. 7. 噪聲特性噪聲特性4. 4. 頻率特性頻率特性5. 5. 溫度特性溫度特性6. 6. 前歷效應(yīng)前歷效應(yīng)1. 1. 光電特性和光電特性和值值光敏電阻的光電流與入射光通量（光照度）光敏電阻的光電流與入射光通量（光照度）之間的關(guān)系稱光電特性之間的關(guān)系稱光電特性 USIgpSg比例系數(shù)，與材料

13、有關(guān)比例系數(shù)，與材料有關(guān) 為電壓指數(shù)，為電壓指數(shù)，1 0.51照度指數(shù)照度指數(shù)強(qiáng)光強(qiáng)光為為0.5弱光弱光為為1弱光線性弱光線性（測量）（測量）強(qiáng)光非線性強(qiáng)光非線性（控制）（控制） 2. 2. 光電導(dǎo)靈敏度光電導(dǎo)靈敏度UGUESIgpp弱光弱光 ，EUSIgp11GSEGSpgpg或光電導(dǎo)靈敏度：光電導(dǎo)靈敏度： S/1m，S/1x S/W，S/W/cm2 3.2 3.2 主要特性參數(shù)主要特性參數(shù)3. 3. 頻率特性頻率特性3.2 3.2 主要特性參數(shù)主要特性參數(shù)兩個階段： cep0iLip0ip00c(/)R/ RRCRCRC光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)探測器總的響應(yīng)時間總的響應(yīng)時間由探測器本身響應(yīng)時間由

14、探測器本身響應(yīng)時間決定決定 ，與外接負(fù)載電阻大小無關(guān)。，與外接負(fù)載電阻大小無關(guān)。3. 3. 頻率特性頻率特性3.2 3.2 主要特性參數(shù)主要特性參數(shù)Load resistance RL/ 100 1k l0k 100kResponse time tr/ms 5.4 5.5 5.4 5.4CdSe光電導(dǎo)探測器： 光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)探測器總的響應(yīng)時間總的響應(yīng)時間由探測器本身響應(yīng)時間由探測器本身響應(yīng)時間決定決定 ，與外接負(fù)載電阻大小無關(guān)。，與外接負(fù)載電阻大小無關(guān)。3. 3. 頻率特性頻率特性3.2 3.2 主要特性參數(shù)主要特性參數(shù)引入等效電容 未引入等效電容 弛豫特性弛豫特性 總響應(yīng)時間 ep0iL

15、0i(/) ()RR RCCcep0iLip0ic(/)R/ RRCRC探測器弛豫特性反映在電路兩個時間3. 3. 頻率特性頻率特性 最高頻率最高頻率 104HZ10KHZ響應(yīng)時間響應(yīng)時間 ms量級量級3.2 3.2 主要特性參數(shù)主要特性參數(shù)響應(yīng)時間： 1. 光電 載流子平均壽命 （較大） 2. 外接電路的時間常數(shù) （可忽略）光電導(dǎo)探測器的頻率特性差，不適于接收高頻光信號。C4. 4. 光譜特性光譜特性 峰值波長在峰值波長在515600nm，接近，接近555nm，可用于與，可用于與人眼人眼有關(guān)的儀器，例如照相機(jī)、照度計、光度計有關(guān)的儀器，例如照相機(jī)、照度計、光度計等，加濾光片進(jìn)行修正等，加濾光

16、片進(jìn)行修正 3.2 3.2 主要特性參數(shù)主要特性參數(shù)可見光區(qū)可見光區(qū)靈敏的幾種光敏電阻靈敏的幾種光敏電阻 4. 4. 光譜特性光譜特性紅外區(qū)紅外區(qū)靈敏的幾種光敏電阻靈敏的幾種光敏電阻3.2 3.2 主要特性參數(shù)主要特性參數(shù)4. 4. 光譜特性光譜特性3.2 3.2 主要特性參數(shù)主要特性參數(shù)每一種器件都有特定的光譜響應(yīng)波段。常用的光電導(dǎo)探測器組合起來后可以覆蓋從可見光、近紅外、中紅外延伸至極遠(yuǎn)紅外波段的光譜響應(yīng)范圍 常用光電導(dǎo)探測器的光譜響應(yīng)示意圖可見光近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外近中紫外波長增大5. 5. 噪聲特性噪聲特性光敏電阻噪聲：光敏電阻噪聲：ffcIfeMIRfkTiiii442nf2ngr2n

17、r2n減小噪聲途徑：減小噪聲途徑：光調(diào)制技術(shù)光調(diào)制技術(shù)致冷致冷合理偏置電路合理偏置電路3.2 3.2 主要特性參數(shù)主要特性參數(shù)總結(jié)：總結(jié)： 常用光電導(dǎo)探測器常用光電導(dǎo)探測器 光電導(dǎo)探測器波長響應(yīng)范圍光電導(dǎo)探測器波長響應(yīng)范圍按工作波長：按工作波長： 按材料分，兩大類型：按材料分，兩大類型：本征型光敏電阻本征型光敏電阻 雜質(zhì)型光敏電阻雜質(zhì)型光敏電阻紫外光響應(yīng)紫外光響應(yīng)可見光響應(yīng)可見光響應(yīng)紅外光響應(yīng)紅外光響應(yīng)紫外光紫外光可見光可見光紅外極遠(yuǎn)紅外光紅外極遠(yuǎn)紅外光碲鎘汞碲鎘汞(HgCdTe)系列光敏電阻系列光敏電阻Hg1-xCdxTe 合金法：合金法：CdTe HgTe x是是Cd含量組分含量組分x=0

18、.2，光譜響應(yīng)，光譜響應(yīng)814m x=0.28，光譜響應(yīng)，光譜響應(yīng)35m x=0.39，光譜響應(yīng)，光譜響應(yīng)13m 工工作作溫溫度度 光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering3.3 3.3 偏置電路偏置電路1 1基本偏置電路及直流參數(shù)的計算基本偏置電路及直流參數(shù)的計算2 2幾種典型的偏置電路幾種典型的偏置電路3 3光敏電阻應(yīng)用舉例光敏電阻應(yīng)用舉例3.3.1 3.3.1 基本偏置電路及直流參數(shù)的計算基本偏置電路及直流參數(shù)的計算為使器件正常工作，提供合適的電流或者電壓。為使器件正常工作，提供合適的電流或者電壓。

19、TRb+VCCcR偏置電路偏置電路: :例如：例如：意義：意義：1.1.提高探測靈敏度提高探測靈敏度2.2.降低噪聲降低噪聲3.3.提高頻率響應(yīng)提高頻率響應(yīng)偏置電壓偏置電壓偏置電阻偏置電阻3.3 3.3 偏置電路偏置電路基本偏置電路基本偏置電路: :直流參數(shù)計算直流參數(shù)計算:1）. 計算計算Ub, RL2）. 計算計算 對應(yīng)的輸出電壓對應(yīng)的輸出電壓3.3 3.3 偏置電路偏置電路3.3.1 3.3.1 基本偏置電路及直流參數(shù)的計算基本偏置電路及直流參數(shù)的計算1）. 計算計算Ub, RLLbIRUUmaxPIUPmax2bL4PUR3.3 3.3 偏置電路偏置電路2）. 計算計算 對應(yīng)的輸出電壓

20、對應(yīng)的輸出電壓pLbRRUIp2pLbRRRUI USRRRIg b2pL2pUSRRRRRIUg bL2pL2pLLSRGg p13.3 3.3 偏置電路偏置電路1 1恒流偏置電路恒流偏置電路 RLRP pLbRRUILbRUI USRRRIg b2pL2pRRUSIg 2Lpb特點(diǎn)特點(diǎn): 信噪比高弱信號檢測信噪比高弱信號檢測3.3 3.3 偏置電路偏置電路3.3.2 3.3.2 幾種典型偏置電路幾種典型偏置電路2 2恒壓偏置電路恒壓偏置電路RLRP 特點(diǎn)特點(diǎn): 輸出信號與光敏電阻無關(guān)更換輸出信號與光敏電阻無關(guān)更換3.3 3.3 偏置電路偏置電路3.3.2 3.3.2 幾種典型偏置電路幾種典

21、型偏置電路LbIRUUbUU USRUgbLLUSRRRRUgbL2pL2pL恒壓偏置電路恒壓偏置電路RLRP RRUSIg 2Lpb如何增大輸出信號？如何增大輸出信號？光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering恒流偏置電路恒流偏置電路恒壓偏置電路恒壓偏置電路3.3 3.3 偏置電路偏置電路光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering數(shù)碼相機(jī)為什么能實現(xiàn)自動曝光？數(shù)碼相機(jī)為什么能實現(xiàn)自動曝光？數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼相機(jī)NIKON53光電導(dǎo)探測器噪聲主要包括：光電導(dǎo)探測器噪聲主要包括： 熱噪聲、熱噪聲、g-r噪聲和噪聲和1f噪聲噪聲本章小結(jié)：本章小結(jié)：1利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)制成的器件稱為光電導(dǎo)探測器：利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)制成的器件稱為光電導(dǎo)探測器： 本征光電導(dǎo)探測器本征光電導(dǎo)探測器和和雜質(zhì)光電導(dǎo)探測