光電檢測技術(shù)與光纖基礎(chǔ)課件：第四章 光電導(dǎo)器件

1、1第四章 光電導(dǎo)器件光電導(dǎo)效應(yīng)-光照引起材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng),存在于大多數(shù)半導(dǎo)體和絕緣體中，是光電導(dǎo)器件工作的物理基礎(chǔ)。光敏電阻的特點：光譜響應(yīng)范圍寬，尤其是對紅光和紅外輻射有較高的響應(yīng)度偏置電壓低，工作電流大動態(tài)范圍寬，既可測強光，也可測弱光光電導(dǎo)增益大，靈敏度高光敏電阻無極性，使用方便24.1 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（光導(dǎo)管）-用光電導(dǎo)體制成的光電器件。R1.本征型光敏電阻價帶導(dǎo)帶常溫光照時價帶導(dǎo)帶常溫?zé)o光照時Eg要發(fā)生光電導(dǎo)效應(yīng)，必須滿足：UgIP32.雜質(zhì)型光敏電阻N價帶導(dǎo)帶低溫?zé)o光照時Ed低溫有光照時低溫有光照時P工作時溫度要低-防止

2、熱激發(fā)低溫?zé)o光照時Ea價帶導(dǎo)帶44.1.2 光敏電阻的工作原理價帶導(dǎo)帶常溫光照時無光照時：有光照時：光電導(dǎo)率為：定義遷移比UgIP5光生載流子不斷的產(chǎn)生也不斷的復(fù)合設(shè)光生載流子的平均壽命為，當(dāng)光敏電阻接收到的輻射通量為s，光敏電阻的體積為V，量子效率為，設(shè)電場強度為Ex,則光電流密度為：則光生載流子的濃度為：g載流子產(chǎn)生率光照增加時，光敏電阻的電導(dǎo)率增大，相應(yīng)的光電流增大6設(shè)：光電導(dǎo)上的電壓為U, 光電導(dǎo)長度為L，橫截面積為A無光照時電流為-光照產(chǎn)生的電流為-暗電導(dǎo)暗電阻光照時電流為-亮電導(dǎo)亮電阻光電導(dǎo)暗電流亮電流光電流 測光依據(jù)7三種量之間的關(guān)系-光電導(dǎo)長度對光電流的影響-894.2 光敏電

3、阻的主要的特性參數(shù) 暗電阻：光敏電阻在室溫條件下，在全暗時的電阻值暗電流：此時電阻加上一定的電壓所通過的電流為暗電流亮電阻：光敏電阻在一定光照時的電阻值亮電流：此時電阻加上一定的電壓所通過的電流為亮電流光電導(dǎo)：光敏電阻由光照產(chǎn)生的電導(dǎo)光電流：由光照產(chǎn)生的電流暗電導(dǎo)：光敏電阻在室溫條件下，在全暗時的電導(dǎo)亮電導(dǎo)：光敏電阻在一定光照時的電導(dǎo)值10暗電導(dǎo)：亮電導(dǎo)：光電導(dǎo)：4.2.1 光電導(dǎo)靈敏度暗電流：亮電流：光電流：定義光電導(dǎo)靈敏度為Sg:或114.2.2 光電特性和值弱光照射時：一般情況下：一般情況下：或一般照射時：強光照射時：直線性光電導(dǎo)EIp光電流與照度關(guān)系曲線：非線性直線性光電導(dǎo)或124.2

4、.3 量子效率入射一個光子所產(chǎn)生的電子或電子空穴對的數(shù)目134.2.4光電導(dǎo)增益當(dāng)光生載流子壽命較長時，有可能多次通過電極，等效于放大了電流。因此引進電流增益M4.2.5 電流光譜響應(yīng)度與光譜響應(yīng)曲線弱光照時，光電流為14討論：1.與渡越時間成反比，2.與載流子壽命成正比3.與波長成正比4.實際光譜曲線的峰值波長小于截止波長，且超過截止波長還有輸出15響應(yīng)速度慢4.2.6時間響應(yīng)與頻率特性脈沖信號：指數(shù)響應(yīng)規(guī)律，用上升時間（63%）或下降時間（37%）表示。交流信號：用截止頻率表示輸出信號下降至最大值的0.707倍（或功率下降一半）對于的頻率164.2.7 前歷效應(yīng)輸出與歷史有關(guān)，分為暗前歷效

5、應(yīng)及亮前歷效應(yīng)174.2.8 溫度特性光敏電阻溫度特性很復(fù)雜，主要取決于材料，一般要實驗測定。有正負溫度系數(shù)，工作于低溫環(huán)境，有利于降低溫度影響。184.3 光敏電阻的偏置電路和噪聲 4.3.1 偏置電路UbRLRP或電阻值隨光照度的增大而減小或或當(dāng)光照變化不大時:19UIU=PmaxUbUb/RLE2E3禁區(qū)UIUbRLRPIQ3Q2Q1E1E=0或輸出電流變化：20輸出電壓變化：4.3.2 噪聲等效電路產(chǎn)生復(fù)合噪聲：半導(dǎo)體受光照時，載流子不斷地產(chǎn)生-復(fù)合，載流子產(chǎn)生-復(fù)合的平均數(shù)是一定的，但某一瞬間是起伏的，這種起伏引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的起伏，從而使輸出電流或電壓值起伏，由此引入的噪聲叫結(jié)論：

6、負載的電壓及電流的變化與光照度成正比。21-在任何電阻性材料中, 載流子都會有無規(guī)則的熱運動,從而引起輸出電流或電壓的起伏，此種噪聲稱為.是最常見的一種噪聲形式.-這類噪聲的大小與頻率成反比,因此而得名,它的產(chǎn)生與器件的雜質(zhì)和工藝缺陷有關(guān),但原因比較復(fù)雜. 熱噪聲：1/f 噪聲：224.4 光敏電阻的特點和應(yīng)用4.4.1 光敏電阻的特點與結(jié)型光電器件相比，光敏電阻具有以下特點：（1） 產(chǎn)生光電變換的部位不同。光敏電阻是任何部位均 可，而結(jié)型光電器件是結(jié)區(qū)附近（2）光敏電阻沒極性（3）光敏電阻時間常數(shù)大，頻率響應(yīng)較差,1000HZ以下（4）有前歷效應(yīng)（5）溫度效應(yīng)明顯，紅外探測常工作于低溫231

7、.弱光時，輸出電流才與光通量成線性2.要對光譜曲線進行修正，才適合于與人眼有關(guān)的光度測量3.光譜及靈敏度與溫度有關(guān)，低溫時，范圍及峰值向長波移動4.頻率帶寬小于1K5.考慮額定功率，負載電阻不要太小6.考慮前歷效應(yīng)4.4.2 使用時的注意事項244.4.3 常見光敏電阻1. 硫化鎘（CdS）光敏電阻2. 硫化鉛（PbS）光敏電阻峰值波長：0.52m,摻入微量銅或氯可以峰值波長變長亮暗電導(dǎo)比可達1011，一般為106在近紅外波段比較靈敏，響應(yīng)波長可達3m,峰值探測率D*=1.5*1011cm.Hz1/2/W, 但響應(yīng)時間長，200300 s25由 CdTe+HgTeHg1-xCdxTe 其中(x

8、1),則混合物Eg經(jīng)驗式為3. 碲鎘汞（HgCdTe）系列光敏電阻Hg1-xCdxTe系列光敏電阻是由CdTe和 HgTe兩種材料按不同的比例混合而成，不同的比例就有不同的光譜測量范圍.可見,Eg與T和x有關(guān),當(dāng)T一定時,Eg與x成線性關(guān)系,Eg=-0.3ev1.6ev,因此,可改變光響范圍:Hg0.8 Cd0.2 Te：814 m ，峰值波長10.6 m ;Hg0.72 Cd0.28 Te：35 m 264. 銻化銦（InSb）光敏電阻5. 碲錫鉛（PbSnTe）系列光敏電阻長波限可達7.5 m ，峰值探測率D*=1.2*109cm.Hz1/2/W,冷卻到零度時，還可提高23倍,時間常數(shù)2*10-2 sPb1-xSnxTe: 光譜范圍810 m 響應(yīng)率低，應(yīng)用不廣泛274.4.4 光敏電阻的應(yīng)用常用來制作光控開關(guān)，如照相機自動曝光電路、公共場所用燈的自動控制電路281.已知某本征光電導(dǎo)體的禁帶寬度