第03章-光電導探測器

數碼相機為什么能實現自動曝光？數碼相機NIKON5第03章光電導探測器利用半導體光電導效應制成的器件稱為光電導探測器，簡稱PC（Photoconductive）探測器－－又稱為光敏電阻。特點：

①光譜響應：紫外－－遠紅外

②工作電流大，可達數毫安

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

hυ≥Eg

將產生光電子激發(fā),如圖硅:Eg=1.12ev鍺:Eg=0.67ev

λ0=1.1μmλ0=1.85μm雜質吸收EcEvEdEcEaEv施主受主EvEcEg本征吸收電子空穴

Si:P(施主)△Ed=0.045evλ0=29μm

Si:IN(受主)△Ea=0.14evλ0=8μm

主要應用于紅外探測

本征半導體摻雜半導體光照１一定溫度下：δ0＝q(n0μn+p0μp)(n0

和p0為一定溫度下的載流子濃度)２光照情況下：△δ＝（△nμn＋△pμp）(△n和△p為光生載流子濃度)δ＝δ0＋△δ

即：光照→△δ→δ↑→R↓光照半導體材料第03章光電導探測器3.1材料結構原理3.2主要特性參數3.3偏置電路和應用3.1材料結構原理3.1.1材料及分類Ⅲ－Ⅳ、Ⅲ－V族化合物，硅、鍺以及一些有機物等本征型光敏電阻：雜質型光敏電阻：注意雜質型：1.常用N型2.極低溫度下工作

雜質型光敏電阻：極低溫度下工作???以N型為例：EcEvEdΔEd＝Ec－Ed<<EgEgΔEd2.常溫--雜質原子束縛電子或空穴已被熱激發(fā)成自由態(tài)作為暗電導率的貢獻量。長波光照,已無束縛電子或束縛空穴供光激發(fā)用，即光電導Δσ為零或很微弱。1.雜質原子濃度遠比基質原子濃度低得多。3.1材料結構原理3.1.2光照下的光電導響應過程光電導響應的兩個基本結論：（1）弱光照——響應時間為常數（等于載流子壽命），穩(wěn)態(tài)光電導與光生載流子的產生率成線性關系。（2）強光照——響應時間是光照的函數，穩(wěn)態(tài)光電導與入射輻射通量平方根成正比關系。階躍光照時光電導響應：正弦光照時光電導響應：上限截止頻率：（頻域）響應時間：（時域）光電導響應速度3.1.2.光照下的光電導響應過程3.1.3結構和原理3.1材料結構原理設樣品為N型材料任務：1.導出電流表達式光電導探測器平均光電流由此可得到兩個結論：(1).光電導探測器為受控恒流源

(2).光電導探測器光敏面做成蛇形3.1.3結構和原理光電導探測器平均光電流(1).光電導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結構和原理結構在一塊均勻光電導體兩端加上電極，貼在硬質玻璃、云母、高頻瓷或其他絕緣材料基板上，兩端接有電極引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內。3.1.3結構和原理三種結構形式3.1.3結構和原理梳型結構在玻璃基底上面蝕刻成互相交叉的梳狀槽，在槽內填入黃金或石墨等導電物質，在表面再敷上一層光敏材料。如圖所示。三種結構形式3.1.3結構和原理蛇形結構如圖，光電導材料制成蛇形，光電導兩側為金屬導電材料，并在其上設置電極。三種結構形式3.1.3結構和原理刻線結構在玻璃基片上鍍制一層薄的金屬箔，將其刻劃成柵狀槽，然后在槽內填入光敏電阻材料層后制成。其結構如下圖所示。三種結構形式3.1.3結構和原理光電導探測器平均光電流(1).光電導探測器為受控恒流源

(2).光電導探測器光敏面做成蛇形－－光電流Ip與長度lz的平方成反比3.1.3結構和原理光敏電阻結構示意圖3.1.3結構和原理第03章光電導探測器3.1材料結構原理3.2主要特性參數3.3偏置電路和應用3.2主要特性參數3.光電特性和γ值2.光電導靈敏度1.光電導增益9.噪聲特性5.頻率特性7.溫度特性8.前歷效應6.光譜特性4.伏安特性1.光電導增益－－光電導探測器的內增益，也稱為光電導增益提高M值減少電極間的間距L適當提高工作電壓

3.2主要特性參數2.光電導靈敏度弱光，光電導靈敏度：

S/1m，S/1xS/μW，S/μW/cm23.2主要特性參數注意：靈敏度與光電增益的區(qū)別（1）靈敏度是光電導體在光照下產生光電導能力的大小。（2）增益指在工作狀態(tài)下，各參數對光電導效應的增強能力。材料特性結構參數3.2主要特性參數3.光電特性和γ值光敏電阻的光電流與入射光通量（光照度）之間的關系稱光電特性3.2主要特性參數暗電阻：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照射）后經過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時在給定電壓下流過的電流—暗電流。亮電阻：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻。此時流過的電流—亮電流。光電流：亮電流與暗電流之差。3.光電特性和γ值光敏電阻的光電流與入射光通量（光照度）之間的關系稱光電特性Sg比例系數，與材料有關α為電壓指數，～1γ＝

0.5~1－－照度指數強光－－γ為0.5弱光－－γ為1弱光－－線性（測量）強光－－非線性（控制）

3.2主要特性參數照度指數γ值實用的光電特性參數：暗電阻～MΩ亮電阻～KΩ3.2主要特性參數4.伏安特性

(1)光敏電阻為純電阻，符合歐姆定律。(2)光照使光敏電阻發(fā)熱，使得在額定功耗內工作，其最高使用電壓由其耗散功率所決定，而功耗功率又和其面積大小、散熱情況有關。(3)伏安特性曲線和負載線的交點即為光敏電阻的工作點。

在一定的光照下，光敏電阻的光電流與所加的電壓關系3.2主要特性參數5.頻率特性3.2主要特性參數光電導探測器總的響應時間由探測器本身響應時間決定，與外接負載電阻大小無關。響應時間：

1.光－電載流子平均壽命

2.外接電路的時間常數

5.頻率特性3.2主要特性參數LoadresistanceRL/

1001kl0k100kResponsetimetr/ms5.45.55.45.4CdSe光電導探測器：光電導探測器總的響應時間由探測器本身響應時間決定，與外接負載電阻大小無關。5.頻率特性

最高頻率

~104HZ≈10KHZ響應時間~ms量級3.2主要特性參數響應時間：

1.光－電載流子平均壽命

（較大）

2.外接電路的時間常數（可忽略）光電導探測器的頻率特性差，不適于接收高頻光信號。C6.光譜特性

峰值波長在515～600nm，接近555nm，可用于與人眼有關的儀器，例如照相機、照度計、光度計等，加濾光片進行修正3.2主要特性參數可見光區(qū)靈敏的幾種光敏電阻6.光譜特性紅外區(qū)靈敏的幾種光敏電阻3.2主要特性參數6.光譜特性3.2主要特性參數每一種器件都有特定的光譜響應波段。常用的光電導探測器組合起來后可以覆蓋從可見光、近紅外、中紅外延伸至極遠紅外波段的光譜響應范圍常用光電導探測器的光譜響應示意圖可見光近紅外中紅外遠紅外近中紫外波長增大依據圖3－10、3－11，表3－2、3－3

7.溫度特性

3.2主要特性參數光敏電阻是多數載流子導電，溫度特性復雜。隨著溫度的升高，光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要下降，溫度的變化也會影響光譜特性曲線。例如：硫化鉛光敏電阻，隨著溫度的升高光譜響應的峰值將向短波方向移動。尤其是紅外探測器要采取制冷措施8．前歷效應

指光敏電阻的時間特性與工作前“歷史”有關的一種現象。即測試前光敏電阻所處狀態(tài)對光敏電阻特性的影響。

暗態(tài)前歷效應：指光敏電阻測試或工作前處于暗態(tài)，當它突然受到光照后光電流上升的快慢程度。一般，工作電壓越低，光照度越低，則暗態(tài)前歷效應就越重。

1-黑暗放置3分鐘后

2-黑暗放置60分鐘后

3-黑暗放置24小時后3.2主要特性參數亮態(tài)前歷效應：

光敏電阻測試或工作前已處于亮態(tài)，當照度與工作時所要達到的照度不同時，所出現的一種滯后現象。其效應曲線如下圖所示。3.2主要特性參數9.噪聲特性光敏電阻噪聲：減小噪聲途徑：－－光調制技術－－致冷－－合理偏置電路3.2主要特性參數總結：常用光電導探測器

光電導探測器波長響應范圍按工作波長：按材料分，兩大類型：本征型光敏電阻

雜質型光敏電阻紫外光響應可見光響應紅外光響應紫外光可見光紅外－－極遠紅外光a.

硫化鎘（CdS）

光譜響應：0.3μm~0.8μm，峰值波長0.52um，響應時間為數百毫秒。常用于照相機測光。

b.硫化鉛（PbS）

光譜響應：1μm~3μm，λP=2.4μm，響應時間t=100~300μs。

致冷(195K干冰)條件下，光譜響應：1~4μm，λP=2.8μm。

c.銻化錮（InSb）

Eg=0.23，適用于3~5μm的大氣紅外窗口測量。

d.碲鎘汞（Hg1-xCdxTe）系列改變HgTe和CdTe化合物的組份，可以得到各種響應波段的紅外探測器。如：1~3μm,3~5μm,8~14μm三種三氣窗口。

Eg（ev）=1.59x-0.25+5.233×10-4T(1-2.08x)+0.327x3e.摻雜型（鍺摻雜）

Ge:Au(77K),3~9μm,t=3ms

Ge:Hg(77K),6~14μm,t=0.1ms

Ge:Zn(4.2K),20~40μm,t=2×10-8s常用的光敏電阻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。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，因此，常用于火災的探測等領域。

PbS光敏電阻的光譜響應和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限將向長波方向延伸，且比探測率D*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D*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D*也增高到2×1011cm·Hz·W-1。

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D*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D*升高到2×1011cm·Hz·W-1。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。碲鎘汞(HgCdTe)系列光敏電阻Hg1-xCdxTex是Cd含量組分，變化范圍0.18～0.4，長波限為3～30μmx=0.2，光譜響應8～14μmx=0.28，光譜響應3～5μmx=0.39，光譜響應1～3μm碲鎘汞(HgCdTe)系列光敏電阻Hg1-xCdxTe合金法：CdTe

HgTe

x是Cd含量組分，變化范圍1.8～0.4，長波限為3～30μmx=0.2，光譜響應8～14μmx=0.28，光譜響應3～5μmx=0.39，光譜響應1～3μm工作溫度3.3偏置電路1．基本偏置電路及直流參數的計算2．幾種典型的偏置電路3．光敏電阻應用舉例3.1.1基本偏置電路及直流參數的計算為使器件正常工作，提供合適的電流或者電壓。TRb+VCCcR偏置電路:例如：意義：1.提高探測靈敏度2.降低噪聲3.提高頻率響應－－偏置電壓－－偏置電阻3.3偏置電路基本偏置電路:直流參數計算:1）.計算Ub,RL2）.計算ΔΦ對應的輸出電壓3.3偏置電路3.1.1基本偏置電路及直流參數的計算1）.計算Ub,RL3.3偏置電路2）.計算ΔΦ對應的輸出電壓3.3偏置電路1．恒流偏置電路RL>>RP

特點:信噪比高－－弱信號檢測3.3偏置電路3.3.2幾種典型偏置電路2．恒壓偏置電路RL<<RP

特點:輸出信號與光敏電阻無關－－更換3.3偏置電路3.3.2幾種典型偏置電路光電導效應蛇形光敏面特性參數典型電路

靈敏度高，光電導增益大于1

工作電流大，可達數毫安，無極性之分光譜響應范圍寬，尤其對紅外有較高的靈敏度所測光強范圍寬，可測強光、弱光強光下光電轉換線性差光電導弛豫時間長溫度影響大特點應用恒流偏置恒壓偏置光敏電阻的原理及結構數碼相機為什么能實現自動曝光？數碼相機NIKON5數碼相機NIKON51照明燈的光電控制電路

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應用電路舉例CKVDRCdS常閉燈~220V半波整流測光與控制執(zhí)行控制2火焰探測報警器圖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(幅照度1mw/cm2下測試)，峰值響應波長為2.2μm，恰為火焰的峰值輻射光譜。

前置放大器VT1集電極電壓變化量？3照相機電子快門

圖所示為利用光敏電阻構成的照相機自動曝光控制電路，也稱為照相機電子快門。

電子快門常用于電子程序快門的照相機中，其中測光器件常采用與人眼光譜響應接近的硫化鎘(CdS)光敏電阻。照相機曝光控制電路是由光敏電阻R、開關K和電容C1構成的充電電路，時間檢出電路(電壓比較器)，三極管T構成的驅動放大電路，電磁鐵M帶動的開門葉片（執(zhí)行單元）等組成。

3照相機電子快門

VR=Ubb[1－exp(－t/τ)]

式中τ為電路的時間常數

τ=（RW2+R）C

光敏電阻的阻值R與入射的光照度EV有關

當電容C兩端的電壓UC充電到一定的電位（VR≥Vth）時，電壓比較器的輸出電壓將由高變低，三極管T截止而使電磁鐵斷電，快門葉片又重新關閉。

快門的開啟時間t可由下式推出

t=（RW2+R）C·ln

Ubb/Vth

設Ubb=12V，Rw1=5.1kΩ，Rw2=8.2kΩ

C1=1uF,CdS的光電導靈敏度為Sg=0.5x10-6S/lx,暗電導g0=5x10-8S，求景物照度為2lx時快門的開啟時間？（Uth=1.5V）t=（RW2+R）C·ln

Ubb/Vth

4.臺燈自動開關5.用光線控制電扇開關3．光電導探測器噪聲主要包括：熱噪聲、g-r噪聲和1／f噪聲本章小結：1．利用半導體光電導效應制成的器件稱為光電導探測器：

本征光電導探測器和雜質光電導探測器光譜響應范圍可從紫外－－遠紅外波段2．光電流Ip=(eη/hv)MΦ，M－內增益，與器件材料、性質和外加電場大小有關4．上限截止頻率fc或響應時間τ，與光電導探測器的光生載流子的平均壽命有關。響應頻率僅在幾兆赫的數量級。5．偏置電路：恒流電路、恒壓電路、交流等效電路例1、在如圖所示的電路中，已知Re=3.3kΩ，UW=4V，Ubb=12V；光敏電阻為RP，當光照度為30lx時輸出電壓為6V，80lx時為9V。（設該光敏電阻在30到100lx之間的值不變）

試求：

輸出電壓為8V時的照度為多少lx？