光電技術(shù)_02光電導(dǎo)器件

1、第2章 光電導(dǎo)器件 某些物質(zhì)吸收了光子的能量產(chǎn)生本征吸收或雜質(zhì)吸收，從而改變了物質(zhì)電導(dǎo)率的現(xiàn)象稱為物質(zhì)的光電導(dǎo)效應(yīng)。利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的材料（如硅、鍺等本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體，硫化鎘、硒化鎘、氧化鉛等）可以制成電導(dǎo)隨入射光度量變化器件，稱為光電導(dǎo)器件或光敏電阻。 光敏電阻具有體積小，堅(jiān)固耐用，價(jià)格低廉，光譜響應(yīng)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于微弱輻射信號(hào)的探測(cè)領(lǐng)域。 2.1 光敏電阻的原理與結(jié)構(gòu) o1. 光敏電阻的基本原理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(hào)，在均勻的具有光電導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料的兩端加上電極便構(gòu)成光敏電阻。 當(dāng)光敏電阻的兩端加上適當(dāng)?shù)钠秒妷篣bb（如圖2

2、-1所示的電路）后，便有電流Ip流過(guò)，用檢流計(jì)可以檢測(cè)到該電流。 o2 光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)光敏電阻的基本結(jié)構(gòu) 光敏電阻在微弱輻射作用的情況下光電導(dǎo)靈敏度Sg與光敏電阻兩電極間距離l的平方成反比；在強(qiáng)輻射作用的情況下光電導(dǎo)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；都與兩電極間距離l有關(guān)。 3種基本結(jié)構(gòu):o3 典型光敏電阻典型光敏電阻 (1) CdS光敏電阻 （蛇形光敏面結(jié)構(gòu)蛇形光敏面結(jié)構(gòu)） CdS光敏電阻是最常見(jiàn)最常見(jiàn)的光敏電阻，它的光譜響應(yīng)特性最接近人眼光譜光視效率，它在可見(jiàn)光波可見(jiàn)光波段范圍內(nèi)的靈敏度最高靈敏度最高，因此，被廣泛地應(yīng)用于燈光的自動(dòng)控制，照相機(jī)的自動(dòng)測(cè)光等。 Cd

3、S光敏電阻的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為0.52m，CdSe光敏電阻為0.72m，一般調(diào)整S和Se的比例，可使Cd（S，Se）光敏電阻的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)大致控制在0.520.72m范圍內(nèi)。 o(2)、PbS光敏電阻 近紅外波近紅外波段（ 2m附近）最靈敏的光電導(dǎo)器件。 常用于火災(zāi)的探測(cè)等領(lǐng)域。 例如，室溫下的PbS光敏電阻的光譜響應(yīng)范圍為13.5m，峰值波長(zhǎng)為2.4m，峰值比探測(cè)率D*高達(dá)11011cmHzW-1。當(dāng)溫度降低到（195K）時(shí)，光譜響應(yīng)范圍為14m，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)移到2.8m，峰值波長(zhǎng)的比探測(cè)率D*也增高到21011cmHzW-1。 光譜響應(yīng)和比探測(cè)率等特性與工作溫度有關(guān)，隨著工作溫度的降低其峰值響

4、應(yīng)波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)將向長(zhǎng)長(zhǎng)波波方向延伸，且比探測(cè)率D*增加。靈敏波段：應(yīng) 用：溫度特點(diǎn)：o（3）、InSb光敏電阻 35m光譜范圍內(nèi)的主要探測(cè)器件之一。 制造單元探測(cè)器件，制造陣列紅外探測(cè)器件。 在室溫下的長(zhǎng)波長(zhǎng)可達(dá)7.5m，峰值波長(zhǎng)在6m附近，比探測(cè)率D*約為11011cmHzW-1。當(dāng)溫度降低到77K（液氮）時(shí)，其長(zhǎng)波長(zhǎng)由7.5m縮短到5.5m，峰值波長(zhǎng)也將移至5m，恰為大氣的窗口范圍，峰值比探測(cè)率D*升高到21011cmHzW-1。 靈敏波段：應(yīng) 用：溫度特點(diǎn)： 光譜響應(yīng)和比探測(cè)率等特性與工作溫度有關(guān)，隨著工作溫度的降低其峰值響應(yīng)波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)將向短短波波方向延伸，且比探測(cè)率D*增加。o（4）

5、Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)探測(cè)器件 Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)探測(cè)器件是目前所有紅外探測(cè)器中性能性能最優(yōu)良最優(yōu)良最有前途的探測(cè)器件，尤其是對(duì)于48m大氣窗口波段輻射的探測(cè)更為重要。 Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)體是由HgTe和CdTe兩種材料的晶體混合制造的，其中x標(biāo)明Cd元素含量的組分。在制造混合晶體時(shí)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(zhǎng)響應(yīng)范圍的Hg1-xCdxTe探測(cè)器件。一般組分x的變化范圍為0.180.4，長(zhǎng)波長(zhǎng)的變化范圍為130m。 2.2 光敏電阻的基本特性 o1 光電導(dǎo)特性光電導(dǎo)特性 基本特性參數(shù)：光電導(dǎo)特性、時(shí)間響應(yīng)、光譜響應(yīng)、伏安

6、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(chǎn)生的載流子使它所具有的電導(dǎo)。 當(dāng)有光照射在光敏電阻上時(shí)，它的電導(dǎo)將變大，受光照時(shí)所具有的電導(dǎo)。 暗電導(dǎo)：光電導(dǎo)： 電導(dǎo)隨光照量變化越大的光敏電阻就越靈敏。電導(dǎo)隨光照量變化越大的光敏電阻就越靈敏。電導(dǎo)隨光照量的變化關(guān)系稱為光敏電阻的光電導(dǎo)特性。電導(dǎo)隨光照量的變化關(guān)系稱為光敏電阻的光電導(dǎo)特性。 實(shí)際上，光敏電阻在弱輻射到強(qiáng)輻射的作用下，它的光電導(dǎo)特性可用在“恒定電壓”作用下流過(guò)光敏電阻的電流Ip與作用到光敏電阻上的光照度E的關(guān)系曲線來(lái)描述， , e2lhqg 21,213eflKhbdqg弱輻射：強(qiáng)輻射：EEpIgUrgUS E 恒定電壓

7、的作用下，流過(guò)光敏電阻的光電流Ip為 rppgIg UUS E Sg為光電導(dǎo)靈敏度，E為光敏電阻的照度。顯然，當(dāng)照度很照度很低時(shí)，曲線近似為線性低時(shí)，曲線近似為線性，隨照度的增高，線性關(guān)系變壞，當(dāng)照度照度變得很高時(shí)，曲線近似為拋物線變得很高時(shí)，曲線近似為拋物線形形。 光敏電阻的光電導(dǎo)特性可用一個(gè)隨光度量變化的指數(shù)伽瑪來(lái)描述，并定義為光電轉(zhuǎn)換因子。并將上式改為 EUSUgIgpp弱輻射1隨著入射輻射的增強(qiáng)，值減小，強(qiáng)輻射0.51gS ERlgRlglggSE 1221loglogloglogRREEo2 伏安特性 光敏電阻的本質(zhì)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

8、電阻值是隨入射光度量而變化的。圖2-5所示為典型CdS光敏電阻的伏安特性曲線 。rppgIg UUS Eo3 溫度特性 以室溫（25）的相對(duì)光電導(dǎo)率為100%，觀測(cè)光敏電阻的相對(duì)光電導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系，可以看出光敏電阻的相對(duì)光電導(dǎo)率隨溫度的升高而下降，光電響應(yīng)特性隨著溫度的變化較大。 o4 時(shí)間響應(yīng) 用一個(gè)理想方波脈沖輻射照射光敏電阻時(shí)，光生電子要有產(chǎn)生的過(guò)程，光生電導(dǎo)率要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)停止輻射時(shí)，復(fù)合光生載流子也需要時(shí)間，表現(xiàn)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(hào)的強(qiáng)弱有關(guān)，下面分別討論。 1.弱輻射作用情況下的時(shí)間響應(yīng) 00t0t=000t=0t0o本征光

9、電導(dǎo)器件在非平衡狀態(tài)非平衡狀態(tài)下/,n(1)teNe /0(1)teIIe當(dāng)t=r時(shí)， =0.630，I=0.63Ie0； r-光敏電阻的上升時(shí)間常數(shù) /0n(1)tqe 輻射過(guò)程：/0te/0teIIr與f近似相等。 2.強(qiáng)輻射作用情況下的時(shí)間響應(yīng) 0000t=0t0t=0t0（2-8） （2-9） 停止輻射后：o光敏電阻電導(dǎo)率的變化規(guī)律為 ttanh0tIItanh0其光電流的變化規(guī)律為 （2-10） （2-11） 停止輻射：/110t/110tII5 噪聲特性 o光敏電阻的主要噪聲有熱噪聲、產(chǎn)生復(fù)合和低頻噪聲(或稱1/f噪聲)。 1、熱噪聲 )(1K4)(202d2NJRfTfId2NJ

10、K4)(RfTfI2、產(chǎn)生復(fù)合噪聲 20202ngr1f)/(4lIqI02ngr4lfIqI3、低頻噪聲（電流噪聲） bffbdlIcI212nf212nf2ngr2NJ)(IIIIN總噪聲6 光譜響應(yīng) 光敏電阻的光譜響應(yīng)主要由光敏材料禁帶寬度、雜質(zhì)電離能、材料摻雜比與摻雜濃度等因素有關(guān)。 2.3 光敏電阻的變換電路o1 1 基本偏置電路基本偏置電路 （ RLR：恒流， RLR：恒壓）恒壓）1/gvRgS E 設(shè)在某照度Ev下，光敏電阻的阻值為R，電導(dǎo)為g，流過(guò)偏置電阻RL的電流為IL LbbLRRUIRd)RR(d2LLbbUI2gvdRR S dE V2L2LEd)RR(dgbbSRUI

11、設(shè)iL=dIL，ev=dEv，則 v2L2)RR(eSRUigbbLUR=R/(R+RL) UbbvgLbbvgRUeSRRRUeSiiRRRiLL光電流的微變量為光電流的微變量為Rd)RR(d2LLbbUI2gvdRR S dE 加在光敏電阻上的電壓：加在光敏電阻上的電壓：偏置電阻RL兩端的輸出電壓為 ：v2LgL2LLLLL)RR(UeSRRiRRRRiRubb輻射入射輻射量（照度ev）成線性線性關(guān)系。 iRRRiLL當(dāng)電路參數(shù)確定后，輸出電壓信號(hào)與弱o2 2 恒流電路恒流電路 穩(wěn)壓管DW將晶體三極管的基極電壓穩(wěn)定，即UB=UW，流過(guò)晶體三極管發(fā)射極的電流Ie 為 ebeWeUIRU輸出電

12、壓Uo: RIUUcbboRIUddcov2gEdRdRSvg2ebeWoddESRRUUUvg2eWoeSRRUu 恒流偏置電路的電壓靈敏度SV為 g2eWvSRRUS ebeWeUIRUo3 3 恒壓電路恒壓電路 恒壓偏置電路的輸出電壓為 ：cccoRIEUdUo=RcdIc=RcdIe= RcSgUwd o4 4 例題例題 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820，Re為3.3k，三極管的放大倍率不小于80，穩(wěn)壓二極管的輸出電壓為4 V，光照度為40lx時(shí)輸出電壓為6V，80 lx時(shí)為8V。（設(shè)光敏電阻在30到100lx之間的值不變） 試求：（1

13、）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）。 解解 根據(jù)已知條件，流過(guò)穩(wěn)壓管DW的電流mA6 . 91wbbRUUIW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 K6IV6ebb1URPK4IV8ebb2URP將Re1與Re2值代入值計(jì)算公式，得到光照度在4080lx之間的值 59. 0lg40lg80lg4lg6輸出為7V時(shí)光敏電阻的阻值應(yīng)為 K5IV7ebb3URP此時(shí)的光照度可由值計(jì)算公式獲得 59. 0lg40lgElg5lg63736. 1lg400.59lg5lg6lg3VEE3=54.45（lx） （2）電路的

14、電壓靈敏度SV (V/lx)069. 04045.5467SVEU 例例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(shè)Rb=1k，RC=510, 三極管的電流放大倍率不小于80，電源電壓Ubb=12V，當(dāng)CdS光敏電阻光敏面上的照度為150lx時(shí)恒壓偏置電路的輸出電壓為11V,照度為450lx時(shí)輸出電壓為8V,試計(jì)算輸出電壓為9V時(shí)的照度（設(shè)光敏電阻在100500lx間的值不變）為多少lx？ 照度到500lx時(shí)的輸出電壓為多少？ 解：解：分析電路可知，流過(guò)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1

15、50lx時(shí)的輸出電流為I1，與光敏電阻的阻值R1，則 )mA(92. 9510101210cbb1RUIk4 . 192. 37 . 067 . 01W1IUR 照度為300lx時(shí)流過(guò)光敏電阻的電流I2與電阻R2為7.8(mA)8Icbb2RUR2=680 由于光敏電阻在500到100lx間的值不變，因此該光敏電阻的值應(yīng)為 66. 0lglglglg1221EERR 輸出電壓為9V時(shí)，設(shè)流過(guò)光敏電阻的電流為I3，阻值為R3 (mA)88. 59cbb3RUIR3=900 代入值的計(jì)算公式，可計(jì)算出輸出電壓為9V時(shí)的入射照度E366. 0lglglglg2332EERR292. 20.66lgl

16、glglg3223RREEE3=196(lx) 由值的計(jì)算公式可以找到500lx時(shí)的阻值R4及三極管的輸出電流I4為 R4=214 I4=24.7(mA)而此時(shí)的輸出電壓UO為 UO=UbbI4R4=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(yīng)用實(shí)例 1 照明燈的光電控制電路照明燈的光電控制電路 如圖2-15所示為一種最簡(jiǎn)單的由光敏電阻作光電敏感器件的照明燈光電自動(dòng)控制電路。 它由3部分構(gòu)成 半波整流濾波電路 測(cè)光與控制的電路 執(zhí)行電路 設(shè)使照明燈點(diǎn)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(dǎo)靈

17、敏度為Sg，暗電導(dǎo)go=0，則 gJminvSRRIUE顯然，這種最簡(jiǎn)單的光電控制電路還有很多缺點(diǎn)，還需要改進(jìn)。在實(shí)際應(yīng)用中常常要附加其他電路，如樓道照明燈常配加聲控開(kāi)關(guān)或微波等接近開(kāi)關(guān)使燈在有人活動(dòng)時(shí)照明燈才被點(diǎn)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(duì)控制電路的干擾措施。 o2.4.2 2.4.2 火焰探測(cè)報(bào)警器火焰探測(cè)報(bào)警器 圖2-16所示為采用光敏電阻為探測(cè)元件的火焰探測(cè)報(bào)警器電路圖。PbS光敏電阻的暗電阻的阻值為1M，亮電阻的阻值為0.2M(幅照度1mw/cm2下測(cè)試)，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為2.2m，恰為火焰的峰值輻射光譜。 組成：恒壓偏置電路高輸入阻抗放大器

18、中心站放大器o2.4.3 照相機(jī)電子快門(mén) 圖2-17所示為利用光敏電阻構(gòu)成的照相機(jī)自動(dòng)曝光控制電路，也稱為照相機(jī)電子快門(mén)。 組成：控制電路時(shí)間檢出電路驅(qū)動(dòng)放大電路執(zhí)行單元等組成。 t =（RW2+R）C ln Ubb/ Vth 在初始狀態(tài)，開(kāi)關(guān)K處于如圖所示的位置，電壓比較器的正輸入端的電位為R1與RW1分電源電壓Ubb所得的閾值電壓Vth（一般為11.5V），而電壓比較器的負(fù)輸入端的電位VR近似為電源電位Ubb，顯然電壓比較器負(fù)輸入端的電位高于正輸入端的電位，比較器輸出為低電平，三極管截止，電磁鐵不吸合，開(kāi)門(mén)葉片閉合。 當(dāng)按動(dòng)快門(mén)的按鈕時(shí)，開(kāi)關(guān)K與光敏電阻R及RW2構(gòu)成的測(cè)光與充電電路接通，這時(shí)，電容C兩端的電壓UC為0，由于電壓比較器的負(fù)輸入端的電位低于正輸入端而使其輸出為高電平，使三極管T導(dǎo)通