第4章光電導器件

1、第第4章章 光電導器件光電導器件4.1 光敏電阻的工作原理光敏電阻的工作原理4.2 光敏電阻的主要特性參數(shù)光敏電阻的主要特性參數(shù)4.3 光敏電阻的偏置電路和噪聲光敏電阻的偏置電路和噪聲4.4 光敏電阻的特點和應用光敏電阻的特點和應用一、光敏電阻的結構和分類一、光敏電阻的結構和分類二、光敏電阻的工作原理二、光敏電阻的工作原理1、結構及符號（電路符號和文字符號）、結構及符號（電路符號和文字符號）2、分類、分類三、光敏電阻的主要參數(shù)三、光敏電阻的主要參數(shù)光敏電阻是在一塊均質(zhì)光電導體兩端加上電極，光敏電阻是在一塊均質(zhì)光電導體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母、高頻瓷或其它絕緣材料基貼在硬質(zhì)玻璃、云母、高

2、頻瓷或其它絕緣材料基板上，兩端接有電極引線，封裝在帶有窗口的金板上，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)而成的。屬或塑料外殼內(nèi)而成的。光電導材料（光敏層）、光電導材料（光敏層）、絕緣基板（玻璃或樹枝防潮絕緣基板（玻璃或樹枝防潮膜）、電極（無極性）膜）、電極（無極性）“RL”、“ RG”或或“R”結構：結構：文字符號：文字符號：電路符號：電路符號：R1）按制作材料分類：）按制作材料分類： 多晶和單晶光敏電阻器，還可分為硫化鎘（多晶和單晶光敏電阻器，還可分為硫化鎘（CdS）、硒化鎘）、硒化鎘(CdSe) 、硫化鉛硫化鉛(PbS)、硒化鉛、硒化鉛(PbSe)、銻化銦、銻化銦(InSb)

3、 光敏電阻器等。光敏電阻器等。摻雜型光敏電阻摻雜型光敏電阻2）按制作材料類型分類：）按制作材料類型分類： 價帶價帶導帶導帶低溫無光照時低溫無光照時Ed低溫有光照時低溫有光照時低溫有光照時低溫有光照時低溫無光照時低溫無光照時Ea價帶價帶導帶導帶價帶價帶導帶導帶常溫光照時常溫光照時價帶價帶導帶導帶常溫無光照時常溫無光照時EgggEhcEh0本征半導體要發(fā)本征半導體要發(fā)生光電導效應，生光電導效應，必須滿足：必須滿足：光敏電阻分為兩類-本征型光敏電阻和摻雜型光敏電阻。從原理上說，P型、N型半導體均可制成光敏電阻，但由于電子的遷移率比空穴大，而且用N型半導體材料制成的光敏電阻性能較穩(wěn)定，特性較好，故目前

4、大都使用N型半導體光敏電阻。兩種類型光敏兩種類型光敏電阻能帶圖電阻能帶圖為為了減少了減少雜質(zhì)雜質(zhì)能能級級上上電電子的子的熱熱激激發(fā)發(fā)，常需要在，常需要在低溫下工作低溫下工作工作原理：工作原理：光電導器件是利用半導體材料的光電導器件是利用半導體材料的光電導效應光電導效應制成制成的一種光電探測器，所謂光電導效應是當材料受的一種光電探測器，所謂光電導效應是當材料受到光輻射后，材料的電導率發(fā)生變化的現(xiàn)象。到光輻射后，材料的電導率發(fā)生變化的現(xiàn)象。入射光入射光特性特性 ：光敏電阻器是利用半導體光電導效應制光敏電阻器是利用半導體光電導效應制成的一種特殊電阻器，對光線十分敏感，成的一種特殊電阻器，對光線十分敏

5、感，它的電阻值能隨著外界光照強弱（明暗）它的電阻值能隨著外界光照強弱（明暗）變化而變化。它在無光照射時，呈高阻變化而變化。它在無光照射時，呈高阻狀態(tài)；當有光照射時，其電阻值迅速減狀態(tài)；當有光照射時，其電阻值迅速減小。小。它與光電池的比較？它與光電池的比較？無光照時，由于熱激發(fā)產(chǎn)生載無光照時，由于熱激發(fā)產(chǎn)生載流子，在外電場的作用下形成流子，在外電場的作用下形成暗電流暗電流LAUpILAUId0有光照時，由于光激發(fā)產(chǎn)生載有光照時，由于光激發(fā)產(chǎn)生載流子，再外電場的作用下形成流子，再外電場的作用下形成光電流光電流則流過光敏電阻的電流為亮則流過光敏電阻的電流為亮電流電流pdIII光敏電阻器的主要參數(shù)光敏

6、電阻器的主要參數(shù) 指光敏電阻器受到光照射時的電阻值指光敏電阻器受到光照射時的電阻值指光敏電阻器在無光照射（黑暗環(huán)境）時的電阻值指光敏電阻器在無光照射（黑暗環(huán)境）時的電阻值1）亮電阻（）亮電阻（k）：）：2）暗電阻）暗電阻(M)：3）最高工作電壓）最高工作電壓(V)：指光敏電阻器在額定功率下所允許承受的最高電壓指光敏電阻器在額定功率下所允許承受的最高電壓4）亮電流：）亮電流：指光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下受到光照射時所通過的電流指光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下受到光照射時所通過的電流5）暗電流）暗電流(mA)：指在無光照射時，光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下通過指在無光照射時，光敏電阻器在規(guī)定的外加電

7、壓下通過的電流的電流6）時間常數(shù)（）時間常數(shù)（s）：）：指光敏電阻器從光照躍變開始到穩(wěn)定亮電流的指光敏電阻器從光照躍變開始到穩(wěn)定亮電流的63時時所需的時間所需的時間7）電阻溫度系數(shù)：）電阻溫度系數(shù)：指光敏電阻器在環(huán)境溫度改變指光敏電阻器在環(huán)境溫度改變1時，其電阻值的時，其電阻值的相對變化相對變化8）靈敏度：）靈敏度：指光敏電阻器在有光照射和無光照射時電阻值的相對變化指光敏電阻器在有光照射和無光照射時電阻值的相對變化暗電阻：暗電阻：光敏電阻在室溫條件下，在全暗時的電阻值光敏電阻在室溫條件下，在全暗時的電阻值暗電流：暗電流：此時電阻加上一定的電壓所通過的電流為暗電流此時電阻加上一定的電壓所通過的電

8、流為暗電流亮電阻：亮電阻： 光敏電阻在一定光照時的電阻值光敏電阻在一定光照時的電阻值亮電流：亮電流：此時電阻加上一定的電壓所通過的電流為亮電流此時電阻加上一定的電壓所通過的電流為亮電流光電導：光電導： 光敏電阻由光照產(chǎn)生的電導光敏電阻由光照產(chǎn)生的電導光電流：光電流：由光照產(chǎn)生的電流由光照產(chǎn)生的電流暗電導：暗電導：光敏電阻在室溫條件下，在全暗時的電導光敏電阻在室溫條件下，在全暗時的電導dgdIgIdPgggdPIII亮電導：亮電導：光敏電阻在一定光照時的電導值光敏電阻在一定光照時的電導值光敏電阻的相關概念光敏電阻的相關概念光敏電阻的主要的特性參數(shù)光敏電阻的主要的特性參數(shù)暗電導：暗電導：LAg0d

9、亮電導：亮電導：LAg光電導：光電導：LAgggdpESggp暗電流：暗電流：亮電流：亮電流：光電流：光電流：UgIddgUI 定義光電導靈定義光電導靈敏度為敏度為Sg:EgSpggpSg pggS UgEUSUgUgdgdPUgIPPgUdPIII注意注意Sg這兩種表達式的單位有什么不同？這兩種表達式的單位有什么不同？或或Sg0為暗電導率為暗電導率2 2、光電導增益（、光電導增益（M M）ppnnppnnpLULULUqNIM222)(ppLUpM2nnLUnM2)11(ptntptntpMnMMptntdrt111drtM光電導增益光電導增益M是光敏電阻的一個重要參數(shù)，它表示長度為是光敏電

10、阻的一個重要參數(shù)，它表示長度為L的光的光導體兩端加上電壓后，由光照產(chǎn)生的光生載流子在電場的作用下導體兩端加上電壓后，由光照產(chǎn)生的光生載流子在電場的作用下形成的外部光電流與光電子形成的內(nèi)部電流形成的外部光電流與光電子形成的內(nèi)部電流qN之比值，則之比值，則tdr稱為載流子通過極間距稱為載流子通過極間距離離L所需要的有效渡越時間所需要的有效渡越時間如何提高光電導增益系數(shù)？如何提高光電導增益系數(shù)？光電導器件的量子效率光電導器件的量子效率，表示輸出的光電流與入射光子流之比，表示輸出的光電流與入射光子流之比假設入射的單色輻射功率假設入射的單色輻射功率()()能產(chǎn)生能產(chǎn)生N N個光電子，則量子效率個光電子，

11、則量子效率 )(/ )()(NhvhvN無量綱無量綱它表示單位時間內(nèi)它表示單位時間內(nèi)每入射一個光子所能引起每入射一個光子所能引起的載流子數(shù)的載流子數(shù) 4 4、光譜響應率（、光譜響應率（ ）與）與光光譜譜響響應曲線應曲線 drpthvqMhvqqNMI)()()(MhCqthCqhvtqthvqISdrdrdrp)(1)()()()(輸出光電流輸出光電流 光譜響應率光譜響應率 3、量子效率（、量子效率（ ）)()(s從上式可知道提高增益系數(shù)從上式可知道提高增益系數(shù)M可使光譜響應率很可使光譜響應率很高，但實際上小于高，但實際上小于1，為什么？，為什么？光電導材料的光譜響應光電導材料的光譜響應理想情

12、況下光電導材理想情況下光電導材料對各波長輻射的吸料對各波長輻射的吸收系數(shù)相同收系數(shù)相同實際情況下光電導材料實際情況下光電導材料對各波長輻射的吸收系對各波長輻射的吸收系數(shù)不同，隨著波長的減數(shù)不同，隨著波長的減小吸收系數(shù)加大，小吸收系數(shù)加大，那如那如何解釋何解釋(b)圖的情況？圖的情況？在可見光區(qū)和紅外區(qū)靈敏的幾種光敏電阻的在可見光區(qū)和紅外區(qū)靈敏的幾種光敏電阻的光譜特性曲線光譜特性曲線5 5、響應時間和頻率特性、響應時間和頻率特性 )exp(1 (0tpp)exp(0tpp2202211pgp指光導材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流所需的時間指光導材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流所需的時間它反映了光

13、敏電阻的惰性，響應時間越長說明光敏電阻的它反映了光敏電阻的惰性，響應時間越長說明光敏電阻的惰性也大惰性也大？從光照開始到停止光照后光電流的變化的整個過程從光照開始到停止光照后光電流的變化的整個過程響應時間：響應時間：光電導弛豫過程：光電導弛豫過程：受光照時受光照時光生載流光生載流子的濃度子的濃度停止光照停止光照受正弦調(diào)受正弦調(diào)制光作用制光作用上升時間和下降時間的含義？上升時間和下降時間的含義？光電導的頻率特性光電導的頻率特性請問光電導的頻率特請問光電導的頻率特性具有什么特點？性具有什么特點？幾種光敏電阻的頻率特性曲線幾種光敏電阻的頻率特性曲線具有低通的特性具有低通的特性1硒硒 2硫化鎘硫化鎘

14、3硫化砣硫化砣 4硫化鉛硫化鉛 請問哪種光敏電阻請問哪種光敏電阻的頻率特性要好些？的頻率特性要好些？6 6、光電特性和、光電特性和值值 drpthvqI)()(USIgp)(UESIgp)(式中式中 S Sg g是光電導靈敏度，它與光敏電阻材料有關是光電導靈敏度，它與光敏電阻材料有關;U;U為外加電源為外加電源電壓；電壓；為入射光通量；為入射光通量；E E為入射光照度；為入射光照度；為照度指數(shù)為照度指數(shù)。光電特性：光電特性：指光敏電阻的光電流與入射光通量之間的指光敏電阻的光電流與入射光通量之間的關系即關系即光電特性公式：光電特性公式：或或?qū)嶒炞C明，當所實驗證明，當所加電壓一定時，加電壓一定時，

15、光電流和照度關光電流和照度關系曲線如右系曲線如右請問該圖中的請問該圖中的光電流光電流IpIp為什為什么有趨于飽和么有趨于飽和的趨勢？的趨勢？在弱光照時，在弱光照時，值為值為1，稱線性光電導；稱線性光電導；在強光照時，在強光照時，值為值為0.5，則為非線性光電導；則為非線性光電導；（？（？) )一般情況下一般情況下值在值在0.5l之間。之間。 7 7、前歷效應、前歷效應 前前歷歷效效應應是指光敏是指光敏電電阻的響阻的響應應特性與工作前的特性與工作前的“歷歷史史”有關的有關的一種一種現(xiàn)現(xiàn)象。前象。前歷歷效效應應有暗有暗態(tài)態(tài)前前歷歷效效應應與亮與亮態(tài)態(tài)前前歷歷效效應應之分。之分。 硫化鎘光敏電阻的硫

16、化鎘光敏電阻的暗態(tài)前歷效應暗態(tài)前歷效應曲線曲線1黑暗放置黑暗放置3分鐘后分鐘后2黑暗放置黑暗放置60分鐘后分鐘后3黑暗放置黑暗放置24小時后小時后硫化鎘光敏電阻的硫化鎘光敏電阻的亮態(tài)前歷效應亮態(tài)前歷效應曲線曲線光敏電阻的溫度特性很復雜，在一定的照度下，亮電阻的溫度系光敏電阻的溫度特性很復雜，在一定的照度下，亮電阻的溫度系數(shù)數(shù)有正有負有正有負12112TTRRR其中其中R1、R2分分別為別為與溫度與溫度T1、T2 相相對應對應的的亮亮電電阻阻8、溫度特性、溫度特性硫化鎘光敏電阻在冷卻情況下對光譜靈敏度得變化硫化鎘光敏電阻在冷卻情況下對光譜靈敏度得變化請問隨著溫度的下降請問隨著溫度的下降光譜靈敏度

17、的峰值將光譜靈敏度的峰值將向哪個方向移動？向哪個方向移動？將向長波方向移動將向長波方向移動UbRLRPESgGRP1或或gPSR1PR電阻值隨光照度的增大而減小電阻值隨光照度的增大而減小或或gPSR2dPGGGESg1PGPG1或或gPSGESRgP2ESRgP1dESRdRgPP2當光照變化不大時當光照變化不大時:4.3 光敏電阻的偏置電路和噪聲光敏電阻的偏置電路和噪聲UIU=PmaxUbUb/RLE E2 2E E3 3禁區(qū)禁區(qū)UIUbRLRPI IQ3Q2Q1E E1 1E=0E=0IIPPLbRRRUESRRgPP2gPSR2或或ERRUSRPLbgP22)(PPLbRRRUIPLbR

18、RU2)(PLPbRRRU)()(22ESRRRUgPPLbLULRILPLbgPRERRUSR22)(ERRRUSRLPLbgP22)(4.3.2 4.3.2 噪聲等效電路噪聲等效電路 光敏電阻產(chǎn)生噪聲和相應的噪聲電流光敏電阻產(chǎn)生噪聲和相應的噪聲電流。噪聲主要有三種噪聲主要有三種：產(chǎn)生：產(chǎn)生- -復合噪聲，熱噪聲和復合噪聲，熱噪聲和1/f 1/f 噪聲；噪聲；噪聲電流也有三種噪聲電流也有三種：產(chǎn)生：產(chǎn)生- -復合噪聲電流復合噪聲電流i ingrngr，熱噪聲電流，熱噪聲電流i intnt，1/f 1/f 噪聲電流噪聲電流i infnf。ntnfngrniiii2222由于三種噪聲互相由于三種

19、噪聲互相獨立獨立，所以光敏電，所以光敏電阻的總的噪聲電流阻的總的噪聲電流的均方值為的均方值為頻率低于頻率低于100Hz100Hz時以時以l/l/f f 噪聲噪聲為主，頻率在為主，頻率在100Hz100Hz和接近和接近1000Hz1000Hz之間以產(chǎn)生之間以產(chǎn)生- -復合噪聲復合噪聲為主，頻率在為主，頻率在1000Hz1000Hz以上以以上以熱噪聲為主熱噪聲為主 與結型光電器件相比，光敏電阻具有以下特點：（與結型光電器件相比，光敏電阻具有以下特點：（4點）點）4.4 光敏電阻的特點和應用光敏電阻的特點和應用（1） 產(chǎn)生光電變換的部位不同。光敏電阻是產(chǎn)生光電變換的部位不同。光敏電阻是任何部位任何部

20、位均均 可，位結可，位結型光電器件是結區(qū)附近型光電器件是結區(qū)附近（2）光敏電阻沒極性）光敏電阻沒極性（3）光敏電阻時間常數(shù)大，頻率相應較差）光敏電阻時間常數(shù)大，頻率相應較差（4）有些結型光電器件可以）有些結型光電器件可以有放大功能有放大功能，所以輸出較大，而，所以輸出較大，而 光敏電阻沒有放大功能光敏電阻沒有放大功能（哪種器件）（哪種器件）光譜響應范圍寬，尤其是對紅光和紅外輻射有較高的光譜響應范圍寬，尤其是對紅光和紅外輻射有較高的響就度響就度偏置電壓低，工作電流大偏置電壓低，工作電流大動態(tài)范圍寬，既可測強光，也可測弱光動態(tài)范圍寬，既可測強光，也可測弱光光電導增益大，靈敏度高光電導增益大，靈敏度

21、高光敏電阻無極性，使用方便光敏電阻無極性，使用方便光敏電阻的特點：（光敏電阻的特點：（5點）點）PP8383 峰值波長：峰值波長：0.520.52m,m,摻入微量銅或氯可以峰值波長變長摻入微量銅或氯可以峰值波長變長亮暗電導比可達亮暗電導比可達10101111，一般為，一般為10106 6在近紅外波段比較靈敏，響應波長可達在近紅外波段比較靈敏，響應波長可達33m,m,峰值探測率峰值探測率D D* *=1.5=1.5* *10101111cm.Hzcm.Hz1/21/2/W, /W, 但響應時間長，但響應時間長，100300 s s長波限可達長波限可達7.5 m m ，峰值探測率，峰值探測率D*=

22、1.2*109cm.Hz1/2/W,冷冷卻到零度時，還可提高卻到零度時，還可提高23倍倍,時間常數(shù)時間常數(shù)2*10-2 s sHg1-xCdxTe系列光敏電阻是由系列光敏電阻是由CdTe和和 HgTe兩種材料按不同兩種材料按不同的比例混合而成，不同的比例就有不同的光譜測量范圍的比例混合而成，不同的比例就有不同的光譜測量范圍Hg0.8 Cd0.2 Te：814 m ，峰值波長，峰值波長10.6 m Hg0.72 Cd0.28 Te：35 m 810 m 響應率低，應用不廣泛響應率低，應用不廣泛廣泛應用于各種自動控制電路（如自動照明燈控制電路、廣泛應用于各種自動控制電路（如自動照明燈控制電路、自動報警電路等）、家用電器（如電視機中的亮度自動自動報警電路等）、家用電器（如電視機中的亮度自動調(diào)節(jié)調(diào)節(jié),照相機的自動曝光控制等）及各種測量儀器中。照相機的自動曝光控制等）及各種測量儀器中。常常用來制作光控開關，如照相機自動曝光電路、公共場所用來制作光控開關，如照相