第5章光電導器件

第5章半導體光電導器件利用半導體光電導效應(yīng)制成的器件稱為光電導探測器，簡稱PC（Photoconductive）探測器－－最典型的光電導器件是光敏電阻。優(yōu)點：①光譜響應(yīng)寬：紫外－－遠紅外②工作電流大，可達數(shù)毫安③可測強光，可測弱光④靈敏度高，光電導增益大于1⑤無極性之分不足之處：①強光照射下光電轉(zhuǎn)換線性較差②光電弛豫過程長③頻率響應(yīng)很低

第五章半導體光電導器件5.1光敏電阻的工作原理5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)5.3實用光電導探測器5.4光敏電阻的基本偏置電路5.5應(yīng)用舉例光敏電阻原理圖光照電極（a）電原理圖(b)電路符號根據(jù)半導體材料的分類，光敏電阻有兩種類型電導率

N型半導體

s=nqmn,mn=1350cm2/(V?s)P型半導體

s=pqmp,mp=480cm2/(V?s)第五章半導體光電導器件5.1光敏電阻的工作原理5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)5.3實用光電導探測器5.4光敏電阻的基本偏置電路5.5應(yīng)用舉例產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比的調(diào)制頻率，即截止頻率f3dB強光時（照度在10-1?104lx）例題1某光敏電阻的暗電阻為600k，在200lx光照下亮暗電阻比為1：100，求該電阻的光電導靈敏度。解：

該光敏電阻的亮電阻為光電導，所以光電導靈敏度

例題2某光電導器件的特性曲線如右圖，用該器件控制一繼電器。使用30V直流電源，電路在400lx的照度下有10mA電流即可使繼電器吸合。試畫出控制電路，計算所需串聯(lián)的電阻和暗電流。Rt30VRJR1光敏電阻控制繼電器電路光敏電阻的特性曲線0.010.1110100110102103104R1R2解：光敏電阻的光電導靈敏度為S/Lx在400Lx的光照下，光敏電阻的阻值為R。所以，Rt=2500歐姆。使用30V直流電源，使繼電器吸合需10mA電流。這時回路電阻應(yīng)為

RL=30/0.010=3000歐姆S比光敏電阻的阻值要大，故需串聯(lián)一個電阻R1，R1=RL-Rt=500歐姆nt八、溫度特性光敏電阻的特性參數(shù)受溫度影響較大，只要溫度略有變化，其光譜響應(yīng)率、峰值響應(yīng)波長、長波限等參數(shù)都會發(fā)生變化，而且這種變化沒有確定的規(guī)律。為了提高光敏電阻性能的穩(wěn)定性，降低噪聲和提高探測率，就十分必要采用冷卻裝置。硫化鉛光敏電阻在冷卻情況下相對光譜靈敏度的變化第五章半導體光電導器件5.1光敏電阻的工作原理5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)5.3實用光電導探測器5.4光敏電阻的基本偏置電路5.5應(yīng)用舉例常用光敏電阻

光電導探測器波長響應(yīng)范圍按工作波長：按材料分，兩大類型：本征型光敏電阻

雜質(zhì)型光敏電阻紫外光響應(yīng)可見光響應(yīng)紅外光響應(yīng)紫外光可見光紅外－－極遠紅外光a.硫化鎘（CdS）光譜響應(yīng):0.3mm~0.8mm,峰值波長0.52mm,響應(yīng)時間為數(shù)百毫秒。常用于照相機測光。b.硫化鉛（PbS）光譜響應(yīng):1mm~3mm,峰值波長2.4mm,響應(yīng)時間t=100~300ms。致冷條件下（195K干冰），光譜響應(yīng)：1~4mm,lp=2.8mm。c.銻化銦（InSb）Eg較小,適用于3~5mm的大氣紅外窗口測量。d.碲鎘汞（HgCdTe）改變HgTe和CdTe化合物的組份，可以得到各種相應(yīng)的的紅外探測器。如：1-3mm,3-5mm,8-14mm三種波長范圍的探測器。e.摻雜型（鍺摻雜）響應(yīng)時間較短（10-6~10-8），要求共作溫度低。結(jié)構(gòu)示意圖光譜響應(yīng)特性第五章半導體光電導器件5.1光敏電阻的工作原理5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)5.3實用光電導探測器5.4光敏電阻的基本偏置電路5.5應(yīng)用舉例恒流電路

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(jīng)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

（1）

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

（3）（2）或

（4）（5）恒壓電路

利用晶體三極管很容易構(gòu)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，則得到輸出電壓的變化量為

dUo=－RcdIc=－RcdIe=RcSgUwdφ

例題

例在如圖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(shè)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(jù)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(jù)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(yīng)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

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(shè)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10V,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(shè)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(shè)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(yīng)為

當輸出電壓為9V時，設(shè)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E3E3=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=214Ω

I4=24.7(mA)而此時的輸出電壓UO為

UO=Ubb－I4R4=6.7(V)即，在5