第2章光電導器件ppt課件

1、第2章 光電導器件 某些物質(zhì)吸收光子的能量產(chǎn)生本征吸收或雜質(zhì)吸收，從而改變了物質(zhì)電導率的現(xiàn)象稱為物質(zhì)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(zhì)半導體，硫化鎘、硒化鎘、硫化鉛等可以制成電導隨入射光通量變化的器件，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。 主要內(nèi)容主要內(nèi)容2.1 2.1 光敏電阻的原理與結(jié)構(gòu)光敏電阻的原理與結(jié)構(gòu)2.2 2.2 光敏電阻的基本特性光敏電阻的基本特性2.3 2.3 光敏電阻的變換電路光敏電阻的變換電路2.4 2.4 光敏電阻的應用實例光敏電阻的應用實例2.1 光敏電

2、阻的原理與結(jié)構(gòu) 2.1.1 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，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(gòu)成光敏電阻。 當光敏電阻的兩端加上適當?shù)钠秒妷篣bb如圖2-1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。 2.1.2 光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)光敏電阻的基本結(jié)構(gòu) 在第1章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；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,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

3、圖2-2所示的3種基本結(jié)構(gòu)。圖2-2a所示光敏面為梳形的結(jié)構(gòu)。 2.1.3 典型光敏電阻典型光敏電阻 1、CdS光敏電阻光敏電阻 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(nèi)的靈敏度最高，因而，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CdS，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2-2b所示的蛇形光敏面結(jié)構(gòu)。 2、PbS光敏電阻光敏電阻 PbS光敏電阻是近紅外波段最靈敏的光電導器

4、件。 PbS光敏電阻在2m附近的紅外輻射的探測靈敏度很高，因而，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 3、InSbInSb光敏電阻光敏電阻 InSb銻化銦光敏電阻是35m光譜范圍內(nèi)的主要探測器件之一。 InSb材料不僅適用

5、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限可達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。 Hg1-xCdxTe系列光電導體是由HgTe和CdTe兩種材料混合而成的，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

6、光譜響應范圍的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130m。常用的有：13 m、35m、814m三種波長范圍的探測器，對應大氣窗口。 響應在814m波段，峰值波長為10.6m,與co2激光器的波長相匹配。2.2 2.2 光敏電阻的基本特性光敏電阻的基本特性 2.2.1 光電特性光電特性 光敏電阻為多數(shù)載流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

7、。 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。 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），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 如圖2-3所示為CdS光敏電阻的光電特性曲線。給出了在恒定電壓的作用下，流過光敏電阻的電流Ip與入射光照度E間的變化

8、關系，由圖可見它是由線性漸變到非線性的。 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；隨照度的增高，線性關系變壞，當照度變得很高時，曲線近似為拋物線形。（2-1） 光敏電阻的光電特性可用一個隨光度量變化的指數(shù)來描述，并定義為光電轉(zhuǎn)換因子。并將式2-1改為 EUSUgIgpp光電轉(zhuǎn)換因子在弱光電轉(zhuǎn)換因子在弱輻射作用的情況下輻射作用的情況下為為=1=1），隨著入），隨著入射輻射的增強，射輻射的增強，值減小，當入射輻值減小，當入射輻射很強時射很強時值降低值降低到到0.50.5。 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

9、曲線。圖2-4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2-4(b)所示的對數(shù)坐標系中光敏電阻的阻值R在某段照度EV范圍內(nèi)的光電特性表現(xiàn)為線性，即2-2式中的保持不變。 值為對數(shù)坐標下特性曲線的斜率。即 1221lglglglgEERR（2-3） R1與R2分別是照度為E1和E2時光敏電阻的阻值。 2.2.2 伏安特性 光敏電阻的本質(zhì)是電阻，符合歐姆定律。因而，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通量而變化的。 利用圖2-1所示的電路可以測出在不同光照

10、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2-5所示為典型CdS光敏電阻的伏安特性曲線 。 2.2.3 溫度特性 光敏電阻為多數(shù)載流子導電的光電器件，具有復雜的溫度特性。 圖2-6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。 2.2.4 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

11、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. 弱輻射作用情況下的時間響應弱輻射作用情況下的時間響應 00t0t=0 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 (/0teeII(2-4)(2-5)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： /0te/0teeII（2-6） （2-7

12、） 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。 當t =f時， =0.370，I=0.37Ie0； f定義為光敏電阻的下降時間常數(shù)。 對應脈沖前沿，光敏電阻電導率的變化規(guī)律為： ttanh0tIIetanh0其光電流的變化規(guī)律為： （2-10） （2-11） 停止輻射時,光電導率和光電流的變化規(guī)律可表示為 ：/110t/110tII（2-8） （2-9） 2. 2. 強輻射作用情況下的時間響應強輻射作用情況下的時間響應 當t =r時， = 0.760，I=0.76Ie0.； 當t =f時， = 0.500，I=0.50Ie0. 2.2.5 噪聲特性 光敏電阻的主要噪

13、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: 由光敏電阻內(nèi)載流子的熱運動產(chǎn)生的噪聲。 )(1K4)(202d2NJRfTfId2NJK4)(RfTfI2、產(chǎn)生復合噪聲： 20202ngr1f)/(4lIqI02ngr4lfIqI3、低頻噪聲電流噪聲）：與調(diào)制頻率成反比。 bffbdlIcI212nf212nf2ngr2NJ)(IIIIN總噪聲總噪聲 在幾百赫茲以內(nèi)以電流噪聲為主；隨著頻率的升高產(chǎn)生復合變在幾百赫茲以內(nèi)以電流噪聲為主；隨著頻率的升高產(chǎn)生復合變得明顯；頻率很高時以熱噪聲為主。得明顯；頻率很高時以熱噪聲為主。2.2.6 光譜響應 光敏電阻的光譜響應主要由光敏材料禁

14、帶寬度、雜質(zhì)電離能、材料摻雜比與摻雜濃度等因素有關。 2.3 光敏電阻的變換電路 2.3.1 2.3.1 基本偏置電路基本偏置電路 設在某照度Ev下，光敏電阻的阻值為R，電導為g，流過偏置電阻RL的電流為IL LbbLRRUI用微變量表示 Rd)RR(d2LLbbUI而， VgdESRdR2V2L2LEd)RR(dgbbSRUI設iL=dIL，ev=dEv，那么 v2L2)RR(eSRUigbbL（2-21）（2-20）偏置電阻RL兩端的輸出電壓為 v2LgL2LLL)RR(UeSRRiRubb從式2-24可以看出，當電路參數(shù)確定后，輸出電壓信號與弱輻射入射輻射量照度ev成線性關系。 （2-2

15、4） 2.3.2 2.3.2 恒流電路恒流電路 在簡單偏置電路中，當RLR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 ebeWeUIRU（2-25） 處于放大狀態(tài)的三極管發(fā)射極電流與集電極電流近似相等。在晶體管恒流偏置電路中輸出電壓Uo為 RIUUcbbo求微分得 RIUddco將 代入2-27得 v2gEdRdRS（2-27）（2-26）vg2ebeWod

16、dESRRUUU或 vg2eWoeSRRUu （2-28）（2-29）顯然，恒流偏置電路的電壓響應率SV為 g2eWvSRRUS 光敏電阻在恒流偏置電路的輸出電壓響應率與光敏電阻阻值的平方成正比，與光電導靈敏度成正比。 采用高阻值的光敏電阻可獲得高探測響應率。（2-30） 2.3.3 2.3.3 恒壓電路恒壓電路 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。 穩(wěn)壓管DW將晶體三極管的基極電壓穩(wěn)定，即UB=UW。三極管處于放大工作狀態(tài)時，Ube=0.7V。因而，UE=UW-Ube。 加在光敏電阻上的電壓為恒定值。 稱為恒壓偏置電路。 光敏電阻在恒

17、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。因而，恒壓偏置電路的輸出電壓為: ccbboRIUU取微分，則得到輸出電壓的變化量為: dUo=RcdIc=RcdIe= RcSgUwdE vgoeUSRuWc 光敏電阻在恒壓偏置電路的輸出信號電壓與光敏電阻的阻值無關。 2.3.4 2.3.4 例題例題 例例2-1 在如圖在如圖2-13所示的恒流偏置電路中，已知電源電所示的恒流偏置電路中，已知電源電壓為壓為12V，Rb為為820，Re為為3.3k，三極管的放大倍率，三極管的放大倍率不小于不小于80，穩(wěn)壓二極管的輸出電壓為，穩(wěn)壓二極管的輸出電壓為4 V，光照度為，光照

18、度為40lx時輸出電壓為時輸出電壓為6V，80 lx時為時為8V。（設光敏電阻在。（設光敏電阻在30到到100lx之間的之間的值不變）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值代入值計算公式，得到光照度在4080lx之間的值 59. 0lg40lg80lg4lg6輸出為7V時光敏電阻的阻值應為 K5IV7ebb3URP此時的光照度可

19、由值計算公式獲得 59. 0lg40lgElg5lg63736. 1lg400.59lg5lg6lg3VEE3=54.45lx） （2電路的電壓靈敏度SV (V/lx)069. 04045.5467SVEU 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11V,照度為450lx時輸出電壓為8V,試計算輸出電壓為9V時的照度設光敏電阻在100500lx間的值不變?yōu)槎嗌賚x？ 照度到500lx

20、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。 設光照度為150lx時的輸出電流為I1，與光敏電阻的阻值R1，那么 )mA(92. 9510101210cbb1RUIk4 . 192. 37 . 067 . 01W1IUR同樣,照度為300lx時流過光敏電阻的電流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為 66. 0lglglglg1221EERR當輸出電壓為9V時，設流過光敏電阻的電流為I3，阻值為R3，那么 (mA)88. 59cbb3R

21、UIR3=900 代入值的計算公式便可以計算出輸出電壓為9V時的入射照度E366. 0lglglglg2332EERR292. 20.66lglglglg3223RREEE3=196(lx) 由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=214 I4=24.7(mA)而此時的輸出電壓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 光敏電阻的應用實例光敏電阻的應用實例 2.4.1 照明燈的光電控制電路照明燈的光電控制電路 如圖2-15所示為一種最簡單的由光敏電阻作光電敏感器件的照明燈光電自動控制電路。 它

22、由3部分構(gòu)成: 半波整流濾波電路 測光與控制的電路 執(zhí)行電路 設使照明燈點亮的光照度為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，光敏電阻的光電導靈敏度為Sg，暗電導go=0，那么 gJminvSRRIUE 顯然，這種最簡單的光電控制電路還有很多缺點，還需要改進。在實際應用中常常要附加其他電路，如樓道照明燈常配加聲控開關或微波等接近開關使燈在有人活動時照明燈才被點亮；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控制電路的干擾措施。 2.4.2 2.4.2 火焰探測報警器火焰探測報警器 圖2-16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。Pb

23、S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下測試)，峰值響應波長為2.2m，恰為火焰的峰值輻射光譜。 2.4.3 照相機電子快門 圖2-17所示為利用光敏電阻構(gòu)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C構(gòu)成的充電電路，時間檢出電路(電壓比較器)，三極管T構(gòu)成的驅(qū)動放大電路，電磁鐵M帶動的開門葉片執(zhí)行單元等組成。 在初始狀態(tài)，開關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），而電壓比較器的負輸入端的電位VR近似為電源電位Ubb，顯然電壓比較器負輸入端的電位高于正輸入端的電位，比較器