光電導(dǎo)器件光電技術(shù)教學(xué)課件

1、第2章 光電導(dǎo)器件 教學(xué)內(nèi)容：2-1 光敏電阻的原理與結(jié)構(gòu)2-2 光敏電阻的基本特性2-3 光敏電阻的變換電路2-4 光敏電阻的應(yīng)用實(shí)例第1頁，共60頁。教學(xué)基本要求：一 掌握 光敏電阻器的主要參數(shù)。二 掌握 光敏電阻的基本特性參數(shù)。三 熟練掌握光敏電阻器的主要變換電路，能分析應(yīng)用實(shí)例，加以應(yīng)用。第2頁，共60頁。光電導(dǎo)效應(yīng)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。光電導(dǎo)器件或光敏電阻利用具有光電導(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。 光敏電阻具有體積小，堅(jiān)固耐用，價格低廉，光譜響應(yīng)范圍寬等

2、優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于微弱輻射信號的探測領(lǐng)域。 第3頁，共60頁。2.1 光敏電阻的原理與結(jié)構(gòu)1 光敏電阻的基本原理 光敏電阻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。第4頁，共60頁。本征型半導(dǎo)體光敏電阻常用于可見光波段的探測；雜質(zhì)型半導(dǎo)體光敏電阻用于紅外波段及遠(yuǎn)紅外波段的探測。第5頁，共60頁。2 光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)微弱輻射作用：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。第6頁，共60頁。光敏電阻的3種基本結(jié)構(gòu)：第7頁，共60頁。3 典型光敏電阻 光敏電阻器的種類：按光敏電阻器的制作材料分類

3、 多晶光敏電阻器； 單晶光敏電阻器； 硫化鎘（CdS）光敏電阻器； 硒化鎘(CdSe) 光敏電阻器； 硫化鉛(PbS) 光敏電阻器； 硒化鉛(PbSe) 光敏電阻器； 銻化銦(InSb) 光敏電阻器等。 第8頁，共60頁。按光譜特性分類： 可見光光敏電阻器：主要用于各種光電自動控制系統(tǒng)、電子照相機(jī)、光報警等地。紫外光光敏電阻器：主要用于紫外線探測儀器。紅外光光敏電阻器：主要用于天文、軍事等領(lǐng)域的有關(guān)自動控制系統(tǒng)。第9頁，共60頁。光敏電阻器的主要參數(shù) 亮電阻（RL）光敏電阻器受到光照射時的電阻值； 暗電阻（RD）光敏電阻器在無光照射（黑暗環(huán)境）時的電阻值；最高工作電壓（VM）光敏電阻器在額定功

4、率下所允許承受的最高電壓；亮電流（IL）光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下受到光照時所通過的電流；暗電流（ID）無光照射時，光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下通過的電流； 第10頁，共60頁。時間常數(shù) 光敏電阻器從光照躍變開始到穩(wěn)定亮電流的63%時所需的時間；電阻溫度系數(shù) 光敏電阻器在環(huán)境溫度改變1時，其電阻值的相對變化；靈敏度 光敏電阻器在有光照射和無光照射時電阻值的相對變化；等效噪聲功率（NEP）投射到光敏電阻器上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓（電流）正好等于光敏電阻器本身的噪聲電壓（電流），是信噪比為1時所能測到的最小輻射功率。第11頁，共60頁。探測率D 用等效噪聲功率NEP的倒數(shù)作為探測最小光信號能

5、力的指標(biāo)。比探測率D* 歸一化探測率，探測靈敏度。1W輻射功率入射到光敏面積1cm2的探測器上，并用帶寬為1Hz電路測量所得的信噪比。用 D*來比較兩個探測器的優(yōu)劣，可避免探測器面積或測量帶寬不同對測量結(jié)果的影響。 單位第12頁，共60頁。CdS光敏電阻 光譜響應(yīng)特性最接近人眼光譜光視效率； 在可見光波段范圍內(nèi)的靈敏度最高； 峰值響應(yīng)波長為0.52m；調(diào)整S和Se的比例，可使Cd（S，Se）光敏電阻的峰值響應(yīng)波長大致控制在0.520.72m范圍內(nèi)； 應(yīng)用：燈光的自動控制，照相機(jī)的自動測光等。 第13頁，共60頁。PbS光敏電阻 近紅外波段最靈敏的光電導(dǎo)器件； 2m附近的紅外輻射的探測靈敏度很高

6、； 光譜響應(yīng)和比探測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)波長和長波長將向長波方向延伸，且比探測率D*增加； 常用于火災(zāi)的探測等領(lǐng)域。第14頁，共60頁。InSb光敏電阻 35m光譜范圍內(nèi)的主要探測器件之一；InSb光敏電阻在室溫下的長波長可達(dá)7.5m，峰值波長在6m附近，比探測率D*約為11011cmHz1/2W-1。當(dāng)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21011cmHz1/2W-1。第15頁，共60頁。2.2 光敏電阻的基本特性光敏電阻的基本特性參數(shù) 光電導(dǎo)特性 伏安特性 溫度特性 時

7、間響應(yīng) 噪聲特性 光譜響應(yīng) 第16頁，共60頁。1 光電特性（光電導(dǎo)特性）光電特性電導(dǎo)隨光照量變化的特性。電導(dǎo)隨光照量變化越大的光敏電阻就越靈敏。暗電導(dǎo)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(dǎo)。光電導(dǎo)當(dāng)有光照射在光敏電阻上時，它的電導(dǎo)將變大，這時的電導(dǎo)稱為光電導(dǎo)。第17頁，共60頁。弱輻射的光電特性線性 強(qiáng)輻射的光電特性非線性 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(guān)系曲線來描述。第18頁，共60頁。在恒定電壓的作用下，流過光敏電阻的光電流Ip為 Sg：光電導(dǎo)靈敏度 E：光敏電阻的照度第19頁，共60頁。 光電轉(zhuǎn)換因子光

8、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。 弱輻射作用的情況：=1； 隨著入射輻射的增強(qiáng)，值減?。?當(dāng)入射輻射很強(qiáng)時=0.5第20頁，共60頁。（a）為線性直角坐標(biāo)系中光敏電阻的阻值R與入射照度EV的關(guān)系曲線；(b)為對數(shù)直角坐標(biāo)系下的阻值R與入射照度EV的關(guān)系曲線。第21頁，共60頁。對數(shù)坐標(biāo)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，即保持不變。 值為對數(shù)坐標(biāo)下特性曲線的斜率第22頁，共60頁。2 伏安特性光敏電阻符合歐姆定律。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。光敏電阻的伏安特性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

9、的關(guān)系曲線。第23頁，共60頁。3 溫度特性光敏電阻為多數(shù)載流子導(dǎo)電的光電器件，具有復(fù)雜的溫度特性。 以室溫（25）的相對光電導(dǎo)率為100%。 光敏電阻的相對光電導(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。第24頁，共60頁。4 時間響應(yīng)時間響應(yīng)（又稱為慣性）比其他光電器件要差（慣性要大）；頻率響應(yīng)要低。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(dǎo)率要經(jīng)過一定的時間才能達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)停止輻射時，復(fù)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。第25頁，共60頁。弱輻射作用情況下的時間響應(yīng) t0t=0 光電導(dǎo)率和光電流隨時間變化的規(guī)律為當(dāng)t=r時，=0

10、.630，I=0.63Ie0； 第26頁，共60頁。上升時間常數(shù)r與下降時間常數(shù)f近似相等。 停止輻射時，入射輻射通量e與時間的關(guān)系:t=0t0當(dāng)t=f時，=0.370，I=0.37Ie0； 第27頁，共60頁。強(qiáng)輻射作用情況下的時間響應(yīng)t=0t0 光敏電阻電導(dǎo)率的變化規(guī)律為 光電流的變化規(guī)律為 上升沿：當(dāng)t=r時，=0.760，I=0.76Ie0； 第28頁，共60頁。停止輻射時 下降沿t0t=0光電流變化規(guī)律 光電導(dǎo)率變化規(guī)律當(dāng)t=f時，=0.50，I=0.5Ie0； 前例效應(yīng)光敏電阻的暗電阻RD常與其檢測前是否被曝光有關(guān)。第29頁，共60頁。5 噪聲特性主要噪聲： 熱噪聲 產(chǎn)生復(fù)合 低頻

11、噪聲(或稱1/f噪聲)。熱噪聲f:等效測量噪聲帶寬第30頁，共60頁。產(chǎn)生復(fù)合噪聲 低頻噪聲（電流噪聲） 總噪聲第31頁，共60頁。三種噪聲的影響： 電流噪聲幾百赫茲以內(nèi)； 復(fù)合噪聲隨著頻率升高，逐漸變得顯著； 熱噪聲 高頻影響。01001000f / HzIn21/ f 噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲熱噪聲第32頁，共60頁。6 光譜響應(yīng)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)。第33頁，共60頁。2.3 光敏電阻的變換電路1 基本偏置電路 設(shè)在某照度Ev下，光敏電阻的阻值為R，電導(dǎo)為g，流過偏置電阻RL的電流為IL 用微變量表示 L第34頁，共60頁。設(shè)iL=dIL，e

12、v=dEv，則 加在光敏電阻上的電壓：UR=R/(R+RL) Ubb光電流的微變量為：L第35頁，共60頁。偏置電阻RL兩端的輸出電壓變化量： 當(dāng)電路參數(shù)確定后，輸出電壓信號變化量與弱輻射入射輻射量（照度ev）成線性關(guān)系。 第36頁，共60頁。2 恒流電路(RLR) 恒流電路當(dāng)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。 穩(wěn)壓管DW的作用： UB=UW第37頁，共60頁。流過晶體三極管發(fā)射極的電流Ie 第38頁，共60頁。在晶體管恒流偏置電路中輸出電壓Uo或 恒流偏置電路的電壓靈敏度SV第39頁，共60頁。3 恒壓電路(RLR) 利用晶體三極管很容易構(gòu)成光敏電阻的恒壓偏置

13、電路。恒壓偏置電路：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。恒壓偏置電路的輸出電壓：第40頁，共60頁。4 例題 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時輸出電壓為6V，80 lx時為8V。（設(shè)光敏電阻在30到100lx之間的值不變） 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）。 第41頁，共60頁。解 根據(jù)已知條件，流過穩(wěn)壓管DW的電流（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 第42

14、頁，共60頁。 將Re1與Re2值代入值計(jì)算公式，得到光照度在4080lx之間的值：輸出為7V時光敏電阻的阻值應(yīng)為 此時的光照度可由值計(jì)算公式獲得 第43頁，共60頁。E3=54.45（lx） （2）電路的電壓靈敏度SV 第44頁，共60頁。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時恒壓偏置電路的輸出電壓為10V,照度為450lx時輸出電壓為8V,試計(jì)算輸出電壓為9V時的照度（設(shè)光敏電阻在100500lx間的

15、值不變）為多少lx？ 照度到500lx時的輸出電壓為多少？第45頁，共60頁。解： （1）設(shè)光照度為150lx時的輸出電流為I1，光敏電阻的阻值R1，則 照度為450lx時流過光敏電阻的電流I2與電阻R2為R2=680 第46頁，共60頁。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 當(dāng)輸出電壓為9V時，設(shè)流過光敏電阻的電流為I3，阻值為R3，則 R3=900 第47頁，共60頁。E3=294(lx) （2）由值的計(jì)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=634 I4=8.3(mA)第48頁，共60頁。輸出電壓UO為 UO=UbbI4Rc=7.8

16、(V)即，在500lx的照度下恒壓偏置電路的輸出電壓為7.8V。 第49頁，共60頁。2.4 光敏電阻的應(yīng)用實(shí)例主要用于直流電路中光電探測與控制1 照明燈的光電控制電路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。半波整流濾波電路 測光與控制的電路 執(zhí)行電路 第50頁，共60頁。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RK，使繼電器吸合的最小電流為Imin，光敏電阻的光電導(dǎo)靈敏度為Sg，暗電導(dǎo)go=0，則：實(shí)際應(yīng)用要附加其他電路：聲控開關(guān)或微波防止閃電光輻射等干擾第51頁，共60頁。2 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。P

17、bS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(yīng)波長為2.2m，恰為火焰的峰值輻射光譜。 第52頁，共60頁。照相機(jī)電子快門圖2-17所示為利用光敏電阻構(gòu)成的照相機(jī)自動曝光控制電路，也稱為照相機(jī)電子快門。 測光器件常采用與人眼光譜響應(yīng)接近的硫化鎘(CdS)光敏電阻。第53頁，共60頁。照相機(jī)曝光控制電路是由光敏電阻R、開關(guān)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(guān)K處于如圖所示的位置，電磁鐵不吸合，開門葉片閉合。 第54頁，共60頁。當(dāng)電容C兩端的

18、電壓UC充電到一定的電位（VRVth）時，快門葉片又重新關(guān)閉。 t =（RW2+R）C ln Ubb/ Vth 當(dāng)按動快門的按鈕時， VR=Ubb1exp(t/) 為電路的時間常數(shù) =（RW2+R）C R與入射的光照度EV有關(guān) 第55頁，共60頁?？偨Y(jié)：光敏電阻的實(shí)際使用要點(diǎn)1.因與光照強(qiáng)弱有關(guān)，光敏電阻測量時不宜用強(qiáng)光照射。2.在可見光區(qū)靈敏的光敏電阻，其光譜特性曲線一般與人眼的光譜光視效率V（）曲線不符，用于光度量測量儀器時，必須對光譜特性曲線進(jìn)行修正。3.光敏電阻的光譜特性主要決定于材料，但同時也與溫度有關(guān)。溫度低時，靈敏范圍和峰值波長都有向長波方向移動的特性。為了提高光敏電阻在長波區(qū)的靈敏度，采取冷卻靈敏面的辦法是有效的。第56頁，共60頁。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)，一般來說，光敏電阻不適于在高