第4章光電導(dǎo)器件ncu

1、第4章光電導(dǎo)器件 光電導(dǎo)器件是利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種光電探測(cè)器，所謂光 電導(dǎo)效應(yīng)是當(dāng)材料受到光輻射后，材料的電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象。最典型也是最 常用的光電導(dǎo)器件是光敏電阻。 4.1 光敏電阻的工作原理光敏電阻的工作原理 4.1.1光敏電阻的結(jié)構(gòu)和分類光敏電阻的結(jié)構(gòu)和分類 光敏電阻是利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的的光電器件，其工作結(jié)構(gòu)圖如圖4-1，結(jié) 構(gòu)原理圖如圖4-2。 圖4-1光敏電阻工作原理圖及其符號(hào) 圖4-2光敏電阻解構(gòu)原理圖 光敏電阻分為兩類-本征型光敏電阻和摻雜型光敏電阻。本征型光敏 電阻在光子能量大于禁帶寬度時(shí)才能激發(fā)出一個(gè)電子空穴對(duì)（如圖4-3 （a）。非本征光敏電阻只要光子

2、能量大于雜質(zhì)電離能就能產(chǎn)生載流子 （如圖4-3（b）。目前使用N型半導(dǎo)體光敏電阻使用最廣范。 4.1.2 光敏電阻的工作原理光敏電阻的工作原理 光敏電阻沒有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)兩電極可加直流電 壓，也可加交流電壓。圖4-4分別為光敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)光電導(dǎo)體上 加上電壓，無(wú)光照時(shí)，其相應(yīng)的暗電導(dǎo)率為： )( 000p p n nq 圖4-3兩種類型光敏電阻能帶圖 ) 0 () 0 ( p pp n nnq )()( 0 pnbqpnq ppn pn b/ gpn 00 V h g s V ) 1( 0 h EbqEJ s xpx L pnqAV L AV I pnS S d 00

3、0 pn pnq 光照穩(wěn)定情況下的電導(dǎo)率為 遷移比 LA n N n LA p N p p p n n L VNq L p p n nVqA L AV p I 2 光電導(dǎo)率 1光電導(dǎo)體 2電極 3絕緣基底 4導(dǎo)電層 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) 光敏電阻在室溫條件下，在全暗后經(jīng)過一定時(shí)間測(cè)量的電阻值，稱為 暗電阻，對(duì)應(yīng)電流為暗電流。 光敏電阻在室溫條件下，光敏電阻在一定照度下的阻值，稱為該光照 下的亮電阻，對(duì)應(yīng)電流為亮電流。 亮電流-暗電流=光電流。 光敏電阻有以下幾個(gè)特性參數(shù)： （a）梳狀態(tài)型（b）刻線型（c）夾層型 圖4-4光敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖 1.光電導(dǎo)靈敏度Sg

4、gp Sg gUU d gE g SU d gEU g SU d gU p g D I p II)( dp ggg E p g g S E g SU p I p g/ gp：光電導(dǎo)，單位為西門子S（-1）。 E：照度，單位為勒克斯（lx）。 Sg ：?jiǎn)挝粸槲鏖T子/勒克斯（S/lx）或Sm2/W。 gP稱為光敏電阻的光電導(dǎo) 2.光電導(dǎo)增益 p M n M pp L U nn L U ppnn L U qN p I M 22 )( 2 pp L U p M 2 nn L U n M 2 ) 11 ( p t n t p t n t p M n MM p t n t dr t 111 dr t M

5、對(duì)于本征型光敏電阻： 令則 3.量子效率 光電導(dǎo)器件的量子效率，表示輸出的光電流與入射光子流之比， 是無(wú)綱量。圖4-5為硅和鍺的量子效率。假設(shè)入射的單色輻射功率() 能產(chǎn)生N個(gè)光電子，則量子效率： )(/ )( )( Nhv hv N 4.光譜響應(yīng)率與光譜響應(yīng)曲線 dr p thv qM hv qqNMI )()( )( M hC q thC q hvt q thv q I S drdrdr p )( 1)( )( )( )( 圖4-5硅和鍺的量子效率 輸出光電流 則光譜響應(yīng)率 圖4-6為本征型半導(dǎo)體的光譜響應(yīng)曲線，(a)為理想情況，(b)為實(shí)際情況。 如果用類似于視覺函數(shù)的形式去表達(dá)，則得相

6、對(duì)靈敏度，見于圖4-7和4-8。 5.響應(yīng)時(shí)間和頻率特性 )exp(1 ( 0 t pp )exp( 0 t pp 22 0 22 11 pg p 圖4-6光電導(dǎo)材料的光譜響應(yīng) 圖4-7可見光區(qū)的幾種光敏電阻的光譜特性曲線 圖4-8紅外光區(qū)的幾種光敏電阻的光譜特性曲線 圖4-10光電導(dǎo)的頻率特性 圖4-9光電導(dǎo)的弛豫過程 圖4-11幾種光敏電阻的頻率特性變化曲線 光照時(shí)光生載流子變化規(guī)律： 光照停止時(shí)光生載流子變化規(guī)律： 輸入光為正弦規(guī)律時(shí)光生載流子變化規(guī)律： 6.光電特性和值 dr p thv qI )( )( VSI gp )( VESI gp )( 式中 ，Sg是光電導(dǎo)靈敏度，它與光敏電

7、阻材料有關(guān)； U為外加電源電壓； 為入射光通量； E為入射光照度； 為照度指數(shù)。 在弱光照時(shí)，值為1，稱線性光電導(dǎo)；在強(qiáng)光照時(shí)，值為0.5，則為非 線性光電導(dǎo)；一般情況下值在0.5l之間。 圖4-12光電導(dǎo)的光照特性 7.前歷效應(yīng) 前歷效應(yīng)是指光敏電阻的響應(yīng)特性與工作前的“歷史”有關(guān)的一種現(xiàn)象。前 歷效應(yīng)有暗態(tài)前歷效應(yīng)與亮態(tài)前歷效應(yīng)之分。暗態(tài)前歷是在處于暗態(tài)突然受到光 照后，亮態(tài)前歷已經(jīng)處于亮態(tài)光照改變時(shí)的響應(yīng)曲線。 圖4-13硫化鎘光敏電阻的暗態(tài)前歷效應(yīng)曲線 圖4-14硫化鎘光敏電阻的亮態(tài)前歷效應(yīng)曲線 8.溫度特性 光敏電阻的溫度特性很復(fù)雜，在一定的照度下，亮電阻的溫度系數(shù) 有正有負(fù)。R1、

8、R2分別為與溫度T1、T2相對(duì)應(yīng)的亮電阻。 121 12 TTR RR 4.3 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 4.3.1.4.3.1.偏置電路偏置電路 圖4-15硫化鎘光敏電阻的溫度特性曲線 圖4-16硫化鎘光敏電阻冷卻情況下的光譜特性曲線 圖4-17電路原理圖4-18伏安特性曲線 2 2 )( Lp bgp RR VSR I L pL bgp L pL bp LL R RR VSR R RR VR RIV 2 2 2 )()( ESRR g 2 由公式可以推導(dǎo)出：在光照情況下光敏電阻隨溫度變化的變化率 為?？芍?，電阻隨光照度增加而減小。 由圖4-17求解可得，其輸

9、出電流變化率和輸出電壓變化率。可 知輸出電流和輸出電壓可近似于光通量變化率成正比，見下式。 輸出電流變化率為 輸出電流變化率為 4.3.2.4.3.2.噪聲等效電路噪聲等效電路 光敏電阻接入電路時(shí)產(chǎn)生噪聲和相應(yīng)的噪聲電流。 噪聲主要有三種：產(chǎn)生-復(fù)合噪聲，熱噪聲和1/f 噪聲； 噪聲電流也有三種：產(chǎn)生-復(fù)合噪聲電流ingr，熱噪聲電流int，1/f 噪聲電 流inf。頻率低于100Hz時(shí)以l/f 噪聲為主，頻率在100Hz和接近1000Hz之間 以產(chǎn)生-復(fù)合噪聲為主，頻率在1000Hz以上以熱噪聲為主。由于三種噪聲 互相獨(dú)立，所以光敏電阻的總的噪聲電流的均方值為： ntnfngrniiii 2

10、222 圖4-20光敏電阻合成噪聲頻譜圖 圖4-19噪聲等效電路圖 4.4 4.4 光敏電阻的特點(diǎn)和應(yīng)用光敏電阻的特點(diǎn)和應(yīng)用 4.4.1 4.4.1 光敏電阻的特點(diǎn)光敏電阻的特點(diǎn) (1)產(chǎn)生光電變換的部位不同。光敏電阻不管那一部份受光，受光部份 的電導(dǎo)率就增大； (2)光敏電阻沒有極性，工作時(shí)可任意外加電壓。 (3)光敏電阻的光電導(dǎo)效應(yīng)主要依賴于非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動(dòng) ，時(shí)間常數(shù)較大，頻率響應(yīng)較差； (4)有些結(jié)型光電器件，如光電三極管、雪崩光電二極管等有較大的內(nèi) 增益作用，因此靈敏度較高，也可以通過較大的電流。 4.4.2.4.4.2.光敏電阻在使用時(shí)的注意事項(xiàng)： (1)當(dāng)用于模擬量測(cè)

11、量時(shí)，因光照指數(shù)與光照強(qiáng)弱有關(guān)，只有在弱 光照下光電流與入射光通量成線性關(guān)系； （2）用于光度量測(cè)試儀器時(shí)，必須對(duì)光譜特性曲線進(jìn)行修正，保證 其與人眼的光譜光視效率曲線符合； （3）光敏電阻的光譜特性與溫度有關(guān)，溫度低時(shí)，靈敏范圍和峰值 波長(zhǎng)都向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，可采取冷卻靈敏面的辦法來提高光敏電阻在長(zhǎng) 波區(qū)的靈敏度； （4）光敏電阻的溫度特性很復(fù)雜，電阻溫度系數(shù)有正有負(fù)。 （5）光敏電阻頻帶寬度都比較窄，在室溫下只有少數(shù)品種能超過 1000Hz； （6）設(shè)計(jì)負(fù)載電阻時(shí)，應(yīng)考慮到光敏電阻的額定功耗，負(fù)載電阻值 不能很??； （7）進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)意識(shí)到光敏電阻的前歷效應(yīng)。 4.4.3 4.4.3 常見光敏電阻常見光敏電阻 1.硫化鎘