光電傳感器應用技術 課件第3章 第1節(jié)

1、第3章 光電導器件 某些物質吸收了光子的能量產(chǎn)生本征吸收或雜質吸收，從而改變了物質電導率的現(xiàn)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。 3.1 光敏電阻的原理與結構 3.1.1 光敏電阻的基本原理光敏電阻的基本原理 圖3-1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?shù)钠秒妷簎bb（如

2、圖3-1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。 3.1.2 光敏電阻的基本結構光敏電阻的基本結構 在第1章1.5.1節(jié)討論光電導效應時我們發(fā)現(xiàn)，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(jù)光敏電阻的設計原則可以設計出如圖3-2所示的3種基本結構，圖3-2（a）所示光敏面為梳形的結構。 3.1.3 典型光敏電阻典型光敏電阻 1、cds光敏電阻 cds光敏電阻是最常見的光敏電阻，它的光譜

3、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(nèi)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0.52m，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波長大致控制在0.520.72m范圍內(nèi)。 cds光敏電阻的光敏面常為如圖3-2（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2m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

4、應波長和長波長將向長波方向延伸，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13.5m，峰值波長為2.4m，峰值比探測率d*高達11011cmhzw-1。當溫度降低到（195k）時，光譜響應范圍為14m，峰值響應波長移到2.8m，峰值波長的比探測率d*也增高到21011cmhzw-1。 3、insb光敏電阻 insb光敏電阻是35m光譜范圍內(nèi)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7.5m，峰值波長在6m附近，比探測率d*約為11011cmhzw-1。當溫度降低到77k（液氮）時，其長波

5、長由7.5m縮短到5.5m，峰值波長也將移至5m，恰為大氣的窗口范圍，峰值比探測率d*升高到21011cmhzw-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48m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0.180.4，長波長的變化范圍為13

6、0m。 3.2 光敏電阻的基本特性 3.2.1 光電特性光電特性 光敏電阻為多數(shù)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(xiàn)在它的基本特性參數(shù)上。光敏電阻的基本特性參數(shù)包含光電導特性、時間響應、光譜響應、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(chǎn)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1.5.1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(xiàn)出不同的光電特性（線性與非線性），式（1-84）與（1

7、-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， , e2lhqg 21,213eflkhbdqg（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 eusugigpp式中sg為光電導靈敏度，e為光敏電阻的照度。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

8、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。(3-1) 光敏電阻的光電特性可用一個隨光度量變化的指數(shù)伽瑪（）來描述，并定義為光電轉換因子。并將式（3-1）改為 eusugigpp光電轉換因子在弱輻射作用的情況下為1=1），隨著入射輻射的增強，值減小，當入射輻射很強時值降低到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3-4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(shù)直角坐標系下的阻值r與入射照度ev的關系曲線。 如圖3-4(b)所示的對數(shù)坐標系中光敏電阻的

9、阻值r在某段照度ev范圍內(nèi)的光電特性表現(xiàn)為線性，即（3-2）式中的保持不變。 值為對數(shù)坐標下特性曲線的斜率。即 1221loglogloglogeerr（3-3） r1與r2分別是照度為e1和e2時光敏電阻的阻值。 3.2.2 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3-1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3-5所示為典型cds光敏電阻的伏安特性曲線 。 3.2.3 溫度特性 光敏電阻為多數(shù)載流子導電的光電器件，具有復雜的溫度

10、特性。 圖3-6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。 3.2.4 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(chǎn)生的過程，光生電導率要經(jīng)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(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的強弱有關，下面分別討論。 1

11、.弱輻射作用情況下的時間響應 00t0t=0 對于本征光電導器件在非平衡狀態(tài)下光電導率和光電流i隨時間變化的規(guī)律為 )1 (/0te)1 (/0teii(3-4)(3-5)當t=r時， =0.630，i=0.63ie0； r定義為光敏電阻的上升時間常數(shù) 停止輻射時，入射輻射通量e與時間的關系為00t=0t0光電導率和光電流隨時間變化的規(guī)律為 光電導率和光電流隨時間變化的規(guī)律為 /0te/0teii（3-6） （3-7） 顯然，光敏電阻在弱輻射作用下的上升時間常數(shù)r與下降時間常數(shù)f近似相等。 2.強輻射作用情況下的時間響應 0000t=0t0t=0t0（3-8） （3-9） 光敏電阻電導率的變化

12、規(guī)律為 ttanh0tiitanh0其光電流的變化規(guī)律為 （3-10） （3-11） 停止輻射時光電導率和光電流的變化規(guī)律可表示為 /110t/110tii3.2.5 噪聲特性 光敏電阻的主要噪聲有熱噪聲、產(chǎn)生復合和低頻噪聲(或稱1/f噪聲)。 1、熱噪聲 )(1k4)(202d2njrftfid2njk4)(rftfi2、產(chǎn)生復合噪聲 20202ngr1f)/(4liqi02ngr4lfiqi3、低頻噪聲（電流噪聲） bffbdlici212nf212nf2ngr2nj)(iiiin總噪聲3.2.6 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。 系列型號響應范圍（m）峰值響應（m）比探測率d*（cmhz1/2/w）響應時間（nm）冷卻方式表面電阻r（）mpcmpc0.51210.631061室溫150250r005r005-221210.621061室溫3080r005-321210.631061r005-521210.651061r005-621210.661061pci-lpci-l-121210.6210