第2章光電導器件

第2章光電導器件

某些物質吸收了光子的能量產生本征吸收或雜質吸收，從而改變了物質電導率的現象稱為物質的光電導效應。利用具有光電導效應的材料（如硅、鍺等本征半導體與雜質半導體，硫化鎘、硒化鎘、氧化鉛等）可以制成電導隨入射光度量變化器件，稱為光電導器件或光敏電阻。光敏電阻具有體積小，堅固耐用，價格低廉，光譜響應范圍寬等優(yōu)點。廣泛應用于微弱輻射信號的探測領域。

2.1光敏電阻的原理與結構

2.1.1光敏電阻的基本原理

圖2-1所示為光敏電阻的原理圖與光敏電阻的符號，在均勻的具有光電導效應的半導體材料的兩端加上電極便構成光敏電阻。當光敏電阻的兩端加上適當的偏置電壓Ubb（如圖2-1所示的電路）后，便有電流Ip流過，用檢流計可以檢測到該電流。

2.1.2光敏電阻的基本結構

在第1章1.6.1節(jié)討論光電導效應時我們發(fā)現，光敏電阻在微弱輻射作用的情況下光電導靈敏度Sg與光敏電阻兩電極間距離l的平方成反比，參見(1-85)式；在強輻射作用的情況下光電導靈敏度Sg與光敏電阻兩電極間距離l的二分之三次方成反比，參見(1-88)式；都與兩電極間距離l有關。

根據光敏電阻的設計原則可以設計出如圖2-2所示的3種基本結構，2.1.3典型光敏電阻

1.CdS光敏電阻

CdS光敏電阻是最常見的光敏電阻，它的光譜響應特性最接近人眼光譜光視效率，它在可見光波段范圍內的靈敏度最高，因此，被廣泛地應用于燈光的自動控制，照相機的自動測光等。

CdS光敏電阻的峰值響應波長為0.52μm，CdSe光敏電阻為0.72μm，一般調整S和Se的比例，可使Cd（S，Se）光敏電阻的峰值響應波長大致控制在0.52~0.72μm范圍內。

CdS光敏電阻的光敏面常為如圖2-2（b）所示的蛇形光敏面結構。

2.PbS光敏電阻

PbS光敏電阻是近紅外波段最靈敏的光電導器件。

PbS光敏電阻在2μm附近的紅外輻射的探測靈敏度很高，因此，常用于火災的探測等領域。

PbS光敏電阻的光譜響應及峰值比探測率等特性與工作溫度有關，隨著工作溫度的降低其峰值響應波長和長波長將向長波方向延伸，且比探測率增加。例如，室溫下的PbS光敏電阻的光譜響應范圍為1~3.5μm，峰值波長為2.4μm，峰值比探測率高達1×1011cm·Hz·W-1。當溫度降低到195K時，光譜響應范圍為1~4μm，峰值響應波長移到2.8μm，峰值波長的比探測率也增高到2×1011cm·Hz·W-1。

3.InSb光敏電阻

InSb光敏電阻是3~5μm光譜范圍內的主要探測器件之一。

InSb材料不僅適用于制造單元探測器件，也適宜制造陣列紅外探測器件。

InSb光敏電阻在室溫下的長波長可達7.5μm，峰值波長在6μm附近，比探測率約為1×1011cm·Hz·W-1。當溫度降低到77K（液氮）時，其長波長由7.5μm縮短到5.5μm，峰值波長也將移至5μm，恰為大氣的窗口范圍，峰值比探測率升高到2×1011cm·Hz·W-1。

4.Hg1-xCdxTe系列光電導探測器件

Hg1-xCdxTe系列光電導探測器件是目前所有紅外探測器中性能最優(yōu)良最有前途的探測器件，尤其是對于4~8μm大氣窗口波段輻射的探測更為重要。Hg1-xCdxTe系列光電導體是由HgTe和CdTe兩種材料的晶體混合制造的，其中x標明Cd元素含量的組分。在制造混合晶體時選用不同Cd的組分x，可以得到不同的禁帶寬度Eg，便可以制造出不同波長響應范圍的Hg1-xCdxTe探測器件。一般組分x的變化范圍為0.18~0.4，長波長的變化范圍為1~30μm。

2.2

光敏電阻的基本特性

2.2.1光電特性

光敏電阻為多數電子導電的光電敏感器件，它與其他光電器件的特性的差別表現在它的基本特性參數上。光敏電阻的基本特性參數包含光電特性、時間響應、溫度特性、伏安特性與噪聲特性等。

光敏電阻在黑暗的室溫條件下，由于熱激發(fā)產生的載流子使它具有一定的電導，該電導稱為暗電導。當有光照射在光敏電阻上時，它的電導將變大，這時的電導稱為光電導。電導隨光照量變化越大的光敏電阻就越靈敏。這個特性稱為光敏電阻的光電特性。

在1.6.1節(jié)討論光電導效應時我們看到，光敏電阻在弱輻射和強輻射作用下表現出不同的光電特性（線性與非線性），式（1-84）與（1-87）分別給出了它在弱輻射和強輻射作用下的光電導與輻射通量的關系：

實際上，光敏電阻在弱輻射到強輻射的作用下，它的光電特性可用在“恒定電壓”作用下流過光敏電阻的電流Ip與作用到光敏電阻上的光照度E的關系曲線來描述，

（1-84）（1-87）如圖2-3所示的特性曲線反應了流過光敏電阻的電流Ip與入射光照度E間的變化關系，由圖可見它是由直線性漸變到非線性的。

在恒定電壓的作用下，流過光敏電阻的光電流Ip為：

顯然，當照度很低時，曲線近似為線性，Sg由式（1-85）描述；隨照度的增高，線性關系變壞，當照度變得很高時，曲線近似為拋物線形，Sg由式（1-87）描述。式中：Sg為光電導靈敏度，E為光敏電阻的照度。光敏電阻的光電特性可用一個隨光度量變化的指數伽瑪（γ）來描述，并定義γ為光電轉換因子。并將式改為：

光電轉換因子在弱輻射作用的情況下為1，隨著入射輻射的增強，γ值減小，當入射輻射很強時γ值降低到0.5。在實際使用時，常常將光敏電阻的光電特性曲線改用如圖2-4所示的特性曲線。圖2-4所示為兩種坐標框架的特性曲線，其中(a)為線性直角坐標系中光敏電阻的阻值R與入射照度EV的關系曲線，而(b)為對數直角坐標系下的阻值R與入射照度EV的關系曲線。如圖2-4(b)所示的對數坐標系中光敏電阻的阻值R在某段照度EV范圍內的光電特性表現為線性，即（2-2）式中的γ保持不變。γ值為對數坐標下特性曲線的斜率。即（2-3）R1與R2分別是照度為E1和E2時光敏電阻的阻值。光敏電阻的γ值反映了在照度范圍變化不大或者照度的絕對值較大甚至光敏電阻接近飽和的情況下的阻值與照度的關系。定義光敏電阻的γ值必須說明照度范圍。2.2.2伏安特性

光敏電阻的本質是電阻，符合歐姆定律。因此，它具有與普通電阻相似的伏安特性，但是它的電阻值是隨入射光度量而變化的。利用圖2-1所示的電路可以測出在不同光照下加在光敏電阻兩端的電壓U與流過它的電流Ip的關系曲線，并稱其為光敏電阻的伏安特性。圖2-5所示為典型CdS光敏電阻的伏安特性曲線。2.2.3溫度特性

光敏電阻為多數載流子導電的光電器件，具有復雜的溫度特性。

圖2-6所示為典型CdS與CdSe光敏電阻在不同照度下的溫度特性曲線。以室溫（25℃）的相對光電導率為100%，觀測光敏電阻的相對光電導率隨溫度的變化關系，可以看出光敏電阻的相對光電導率隨溫度的升高而下降，光電響應特性隨著溫度的變化較大。

2.2.4時間響應

光敏電阻的時間響應（又稱為慣性）比其他光電器件要差（慣性要大）些，頻率響應要低些，而且具有特殊性。當用一個理想方波脈沖輻射照射光敏電阻時，光生電子要有產生的過程，光生電導率Δσ要經過一定的時間才能達到穩(wěn)定。當停止輻射時，復合光生載流子也需要時間，表現出光敏電阻具有較大的慣性。光敏電阻的慣性與入射輻射信號的強弱有關，下面分別討論。

1.弱輻射作用情況下的時間響應

t≥0t=0對于本征光電導器件在非平衡狀態(tài)下光電導率Δσ和光電流IΦ隨時間變化的規(guī)律為：

(2-4)(2-5)τ定義為光敏電阻的上升時間常數

當t=τ時，Δσ=0.63Δσ0，IΦ=0.63IΦ0；

τr定義為光敏電阻的上升時間常數,即光敏電阻的光電流上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所需要的時間。停止輻射時，入射輻射通量Φe與時間的關系為：t=0t≥0當t?τ時，Δσ=Δσ0，IΦ=IΦ0；

光電導率和光電流隨時間變化的規(guī)律為：

（2-6）

（2-7）

顯然，光敏電阻在弱輻射作用下的上升時間常數τr與下降時間常數τf近似相等。

當t=τ時，Δσ=0.37Δσ0，IΦ=0.37IΦ0；

停止輻射以后，光敏電阻的光電流下降到穩(wěn)態(tài)值的37%所需要的時間稱為光敏電阻的下降時間τf。當t?τ時，Δσ與IΦ均下降為零；

2.強輻射作用情況下的時間響應

t=0t≥0t=0t≥0（2-8）

（2-9）

光敏電阻電導率的變化規(guī)律為：

其光電流的變化規(guī)律為：

（2-10）

（2-11）

當t=τ時，Δσ=0.76Δσ0，IΦ=76IΦ0；

當t?τ時，Δσ=Δσ0，IΦ=IΦ0

；τr定義為光敏電阻的上升時間常數,即光敏電阻的光電流上升到穩(wěn)態(tài)值的76%所需要的時間。停止輻射時光電導率和光電流的變化規(guī)律可表示為：

當t=τ時，Δσ=0.5Δσ0，IΦ=0.5IΦ0；

停止輻射以后，光敏電阻的光電流下降到穩(wěn)態(tài)值的50%所需要的時間稱為光敏電阻的下降時間τf。當t?τ時，Δσ與IΦ均下降為零；

光電檢測系統的噪聲光電檢測系統的噪聲與抑制1、系統外部噪聲無線電臺、電火花、脈沖放電、機械震動、雷電、太陽星球等2、系統內部噪聲熱噪聲、散粒噪聲、產生-復合噪聲、1/f噪聲2.2.5噪聲特性

光敏電阻的主要噪聲有熱噪聲、產生復合和低頻噪聲。

噪聲的類型光電檢測系統的噪聲與抑制1、熱噪聲由耗散元件中的電荷載流子的五規(guī)則熱運動引起的；任何材料都有熱噪聲。熱噪聲電流常用均方值表示。在純電阻情況下：InT=(4kTΔf/R)1/2該電阻兩端產生的電壓均方值由下式給出：EnT=(4kTRΔf)1/2光電檢測系統的噪聲與抑制2、散粒噪聲光電探測器的散粒噪聲是由于載流子的微粒性引起的。這是一種在光電子發(fā)射器件和光伏器件中出現的噪聲。散粒噪聲電流均方值：Insh=(2qIDCΔf)1/2光電探測器的暗電流也同樣引起散粒噪聲，無光照時暗電流的噪聲為：Inp=(2qIpΔf)1/2和熱噪聲相比，散粒噪聲不取決于溫度，而由流過器件的平均電流決定。光電檢測系統的噪聲與抑制3、產生-復合噪聲光電導探測器因光或熱激發(fā)產生載流子和載流子復合這兩個隨即過程，引起電流隨機起伏形成產生-復合噪聲。這是半導體輻射探測器件中的一種主要噪聲。該噪聲電流均方值：In=((4qI（τ/τe）Δf)/(1+4τ2f2π2))1/2In=(4qIGΔf)1/2在相對低頻的條件下，電流均方值：In=(4qI（τ/τe）Δf）1/2令τ/τe=G,稱為光電導器件的內增益光電檢測系統的噪聲與抑制4、1/f噪聲1/f噪聲又稱為閃爍噪聲，它也是半導體輻射器件中的一種基本噪聲，通常是由元器件中存在局部缺陷或有微量雜質所引起的。噪聲電流通常表示為：ɑ為與流過器件電流有關的常數，通常ɑ=2；β為與材料的性質有關的系數，通常在0.8-1.3之間，大多數材料可以近似取為β=1。In=(k1IɑΔf)/fβ)1/2In=(k1I2Δf)/f)1/2該噪聲與頻率成反比，不是白噪聲，因此稱為1/f噪聲，主要出現在1KHz的低頻區(qū)，有時也稱為低頻噪聲。在工作頻率大于1KHz時，與其它噪聲相比，可以忽略不記。光電檢測系統的噪聲與抑制5、溫度噪聲在無輻射存在時，探測器在某一平均溫度附近呈現一個小的起伏，這種溫度起伏引起的探測器輸出起伏稱為溫度噪聲。這是熱敏電阻探測器件的主要噪聲。該溫度噪聲用溫度起伏的均方值表示：InT=(4kT2Δf/GQ(1+ω2τ2))1/2光敏電阻的主要噪聲有熱噪聲、產生復合和低頻噪聲。

1.熱噪聲

2.產生復合噪聲

3.低頻噪聲（電流噪聲）

2.2.6光譜響應

光敏電阻的光譜響應主要由光敏材料禁帶寬度、雜質電離能、材料摻雜比與摻雜濃度等因素有關。

2.3光敏電阻的變換電路2.3.1基本偏置電路

設在某照度Ev下，光敏電阻的阻值為R，電導為g，流過偏置電阻RL的電流為IL

用微變量表示：

而dR=-R2SgdEv，因此：

（2-20）設iL=dIL，ev=dEv，則：

加在光敏電阻上的電壓為R與RL對電壓Ubb的分壓，即UR=R/(R+RL)Ubb，因此，光電流的微變量為：

將式（2-22）代入式（2-21）得：

（2-21）（2-22）（2-23）偏置電阻RL兩端的輸出電壓為：

從式（2-24）可以看出，當電路參數確定后，輸出電壓信號與弱輻射入射輻射量（照度ev）成線性關系。

（2-24）2.3.2恒流電路

在簡單偏置電路中，當RL?R時，流過光敏電阻的電流基本不變，此時的偏置電路稱為恒流電路。然而，光敏電阻自身的阻值已經很高，再滿足恒流偏置的條件就難以滿足電路輸出阻抗的要求，為此，可引入如圖2-13所示的晶體管恒流偏置電路。

穩(wěn)壓管DW將晶體三極管的基極電壓穩(wěn)定，即UB=UW，流過晶體三極管發(fā)射極的電流Ie

為：

（2-25）

在晶體管恒流偏置電路中輸出電壓Uo為：求微分得：

將代入（2-27）得：

（2-27）（2-26）或

顯然，恒流偏置電路的電壓靈敏度SV為：

（2-28）（2-29）（2-30）2.3.3恒壓電路

利用晶體三極管很容易構成光敏電阻的恒壓偏置電路。如圖2-14所示為典型的光敏電阻恒壓偏置電路。

光敏電阻在恒壓偏置電路的情況下輸出的電流IP與處于放大狀態(tài)的三極管發(fā)射極電流Ie近似相等。因此，恒壓偏置電路的輸出電壓為：

取微分，得到輸出電壓的變化量為：

dUo=－RcdIc=－RcdIe=RcSgUwdφ

2.3.4舉例

例2-1

在如圖2-13所示的恒流偏置電路中，已知電源電壓為12V，Rb為820Ω，Re為3.3kΩ，三極管的放大倍率不小于80，穩(wěn)壓二極管的輸出電壓為4V，光照度為40lx時輸出電壓為6V，80lx時為8V。（設光敏電阻在30到100lx之間的值不變）

試求（1）輸出電壓為7伏的照度為多少勒克司？（2）該電路的電壓靈敏度（V/lx）。

解

根據已知條件，流過穩(wěn)壓管DW的電流：滿足穩(wěn)壓二極管的工作條件

（1）根據題目給的條件，可得到不同光照下光敏電阻的阻值

將Re1與Re2值代入γ值計算公式，得到光照度在40~80lx之間的γ值

輸出為7V時光敏電阻的阻值應為：

此時的光照度可由γ值計算公式獲得：

E3=54.45（lx）

（2）電路的電壓靈敏度SV：

例2-2在如圖2-14所示的恒壓偏置電路中，已知DW為2CW12型穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)定電壓值為6V，設Rb=1kΩ，RC=510Ω,三極管的電流放大倍率不小于80，電源電壓Ubb=12V，當CdS光敏電阻光敏面上的照度為150lx時恒壓偏置電路的輸出電壓為11V,照度為450lx時輸出電壓為8V,試計算輸出電壓為9V時的照度（設光敏電阻在100~500lx間的γ值不變）為多少lx？照度到500lx時的輸出電壓為多少？

解

分析電路可知，流過穩(wěn)壓二極管的電流滿足2CW12的穩(wěn)定工作條件，三極管的基極被穩(wěn)定在6V。

設光照度為150lx時的輸出電流為I1，與光敏電阻的阻值R1，則：

同樣,照度為300lx時流過光敏電阻的電流I2與電阻R2為：R2=680Ω

由于光敏電阻在500到100lx間的γ值不變，因此該光敏電阻的γ值應為：

當輸出電壓為9V時，設流過光敏電阻的電流為I3，阻值為R3，則：

R3=900Ω

代入γ值的計算公式便可以計算出輸出電壓為9V時的入射照度E3：E3=196(lx)

由γ值的計算公式可以找到500lx時的阻值R4及三極管的輸出電流I4為：R4=214ΩI4=24.7(mA)而此時的輸出電壓UO為：

UO=Ubb－I4R4=6.7(V)即，在500lx的照度下恒壓偏置電路的輸出電壓為6.7V。

2.4光敏電阻的應用實例

2.4.1照明燈的光電控制電路

如圖2-15所示為一種最簡單的由光敏電阻作光電敏感器件的照明燈光電自動控制電路。

它由3部分構成：

半波整流濾波電路

測光與控制的電路

執(zhí)行電路

設使照明燈點亮的光照度為EV

繼電器繞組的直流電阻為RJ，使繼電器吸合的最小電流為Imin，光敏電阻的光電導靈敏度為Sg，暗電導go=0，則：

顯然，這種最簡單的光電控制電路還有很多缺點，還需要改進。在實際應用中常常要附加其他電路，如樓道照明燈常配加聲控開關或微波等接近開關使燈在有人活動時照明燈才被點亮；而路燈光電控制器則要增加防止閃電光輻射或人為的光源（如手電燈光等）對控制電路的干擾措施。

2.4.2火焰探測報警器

圖2-16所示為采用光敏電阻為探測元件的火焰探測報警器電路圖。PbS光敏電阻的暗電阻的阻值為1MΩ，亮電阻的阻值為0.2MΩ(