光電導(dǎo)探測(cè)器

1、光電導(dǎo)探測(cè)器第1頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一21.1 什么是半導(dǎo)體光電器件 半導(dǎo)體光電器件是把光和電這兩種物理量聯(lián)系起來(lái)， 使光和電相互轉(zhuǎn)化的新型半導(dǎo)體器件。 利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的器件。是一種利用光子與電子的相互作用所具有的特性來(lái) 實(shí)現(xiàn)某種功能的半導(dǎo)體器件。第2頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一31.2半導(dǎo)體光電器件的分類 光電器件主要有利用半導(dǎo)體光敏特性工作的光電導(dǎo)器件，利用半導(dǎo)體光伏打效應(yīng)工作的半導(dǎo)體發(fā)光器件以及光電池，探測(cè)器件和成像器件。 半導(dǎo)體發(fā)光器件 利用半導(dǎo)體PN結(jié)正向通電時(shí)載流子注入符合發(fā)光的器件稱為半導(dǎo)體發(fā)光器件發(fā)光二

2、極管半導(dǎo)體激光器第3頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一4 太陽(yáng)能電池 第4頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一5 光電探測(cè)器 通過(guò)電子過(guò)程探測(cè)光信號(hào)的器件，即將射到它表面上的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光敏電阻： 制作光敏電阻的材料主要有硅、鍺、硫化鎘、銻化銀、硫化鉛等光電二三極管： 在反向電壓下工作，在光線照射下產(chǎn)生的電子空穴對(duì)參與導(dǎo)電，會(huì)增大反向飽和電流和電壓。第5頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一6 成像器件 太赫茲波成像器件第6頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一71.3 半導(dǎo)體光電器件的應(yīng)用第7頁(yè)，共

3、47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一8第二章 光電導(dǎo)探測(cè)器1.1 光電導(dǎo)探測(cè)器及光敏電阻的工作原理1.2 光敏電阻的結(jié)構(gòu)1.3 光敏電阻的應(yīng)用1.4 光敏電阻的特點(diǎn)1.5 光敏電阻的參數(shù)確定 1.5.1 光敏電阻的電流 1.5.2 光電導(dǎo)靈敏度 1.5.3 光電導(dǎo)增益 1.5.4 量子效率 1.5.5 光譜響應(yīng)率與光譜響應(yīng)曲線 1.5.6 光電導(dǎo)惰性和響應(yīng)時(shí)間 1.5.7 頻率特性 1.5.8 光電特性和值 1.5.9 前歷特性伏安特性光譜響應(yīng)特性第8頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一1. 本征半導(dǎo)體 Si Si Si Si晶體結(jié)構(gòu)載流子濃度跟費(fèi)米能級(jí)的

4、關(guān)系能帶圖知識(shí)準(zhǔn)備第9頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一2. N型半導(dǎo)體 Si Si Si Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€(gè)電子變?yōu)檎x子 在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)元素, 形成的半導(dǎo)體。載流子濃度跟費(fèi)米能級(jí)的關(guān)系能帶圖第10頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一3.P 型半導(dǎo)體 Si Si Si SiB硼原子接受一個(gè)電子變?yōu)樨?fù)離子空穴無(wú)論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對(duì)外不顯電性。載流子濃度跟費(fèi)米能級(jí)的關(guān)系能帶圖 在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)元素, 形成的半導(dǎo)體。第11頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一124. 半

5、導(dǎo)體中歐姆定律的微分形式：第12頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一135. 遷移率（mobility） 遷移率是用來(lái)描述半導(dǎo)體中載流子在單位電場(chǎng)下運(yùn)動(dòng)快慢的物理量，是描述載流子輸運(yùn)現(xiàn)象的一個(gè)重要參數(shù)，也是半導(dǎo)體理論中的一個(gè)非常重要的基本概念。 電子遷移率 遷移率定義為： 由于載流子有電子和空穴，所以遷移率也分為電子遷移率和空穴遷移率，即：空穴遷移率 單位： cm2/(Vs) 第13頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一6. 電導(dǎo)率和遷移率的關(guān)系漂移運(yùn)動(dòng)熱運(yùn)動(dòng)第14頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一7. 金屬（導(dǎo)體）、半導(dǎo)體、絕

6、緣體能帶示意圖 金屬(導(dǎo)體)： 能帶被電子部分占滿， 在電場(chǎng)作用下這些電子可以導(dǎo)電。第15頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一中文名稱：光電導(dǎo)探測(cè)器英文名稱：photoconductive detector 定義：一種利用半導(dǎo)體材料（光敏電阻）的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光探測(cè)器。第二章 光電導(dǎo)探測(cè)器工作原理及結(jié)構(gòu)：（以光敏電阻為例）光照前光照后變化量提高光電導(dǎo)效應(yīng)的措施：減小n0和p0即采用禁帶寬度大的材料或者在低溫下使用。第16頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一1.本征型光敏電阻價(jià)帶導(dǎo)帶常溫光照時(shí)價(jià)帶導(dǎo)帶常溫?zé)o光照時(shí)Eg 要發(fā)生光電導(dǎo)效應(yīng)，必須滿足：2.

7、雜質(zhì)型光敏電阻N價(jià)帶導(dǎo)帶低溫?zé)o光照時(shí)Ed低溫有光照時(shí)低溫有光照時(shí)P工作時(shí)溫度要低-防止熱激發(fā)低溫?zé)o光照時(shí)Ea價(jià)帶導(dǎo)帶1.1 光敏電阻的工作原理第17頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一1.2 光敏電阻的結(jié)構(gòu)1. 陶瓷基底 （絕緣）2. 光敏材料 （蛇形）產(chǎn)生光電流）3. 金屬電極 （引導(dǎo)光電流）4. 金屬管帽+塑封 （隔絕外部氣體）第18頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一220 V1.3 光敏電阻的應(yīng)用舉例路燈自動(dòng)點(diǎn)亮裝置第19頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一光電導(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,存在于大多數(shù)

8、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(diǎn)：光譜響應(yīng)范圍寬，尤其是對(duì)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(dòng)態(tài)范圍寬，既可測(cè)強(qiáng)光，也可測(cè)弱光光電導(dǎo)增益大，靈敏度高光敏電阻無(wú)極性，使用方便1.4 光敏電阻的特點(diǎn)第20頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一 工作電流大；？，可達(dá)數(shù)毫安。 靈敏度高；？ 光電導(dǎo)增益大；？大于1； 光譜響應(yīng)范圍寬；？根據(jù)光電導(dǎo)材料的不同，光譜響應(yīng) 可從紫外光、可見光、近紅外擴(kuò)展到遠(yuǎn)紅外，尤其紅光和 紅外輻射有較高的響應(yīng)度。 所測(cè)光強(qiáng)范圍寬;?，既可測(cè)強(qiáng)光也可測(cè)弱光。 偏置電壓低，無(wú)極性之分。?1.4 光敏電阻的特點(diǎn) 其缺

9、點(diǎn)是在強(qiáng)光照射下光電轉(zhuǎn)換線性較差。光電馳豫過(guò)程較長(zhǎng)，頻 率響應(yīng)很低。第21頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一1.5 光敏電阻的參數(shù)確定1.5.1 光敏電阻的電流（photocurrent） （ Id ？ IP ？ I ？）暗電阻：光敏電阻在室溫條件下，在全暗時(shí)的電阻值暗電流：此時(shí)電阻加上一定的電壓所通過(guò)的電流為暗電流亮電阻：光敏電阻在一定光照時(shí)的電阻值亮電流：此時(shí)電阻加上一定的電壓所通過(guò)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(shí)的電導(dǎo)亮電導(dǎo)：光敏電阻在一定光照時(shí)的電導(dǎo)值第22頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月

10、20日，17點(diǎn)37分，星期一1.4 光敏電阻的參數(shù)確定1.5.1 光敏電阻的電流 （ Id ？ IP ？ I ？） 1. 無(wú)光照時(shí),光敏電阻的阻值很大,電路中電流很小。當(dāng)光電導(dǎo)體上加上電壓,無(wú)光照時(shí)光電導(dǎo)體具有一定的熱激發(fā)載流子濃度,其相應(yīng)的暗電導(dǎo)率為 式中：q為電子或空穴的電荷量；n0和p0分別為電子和空穴的濃度；n和p分別為電子和空穴在外電場(chǎng)E作用下的遷移率，表示為式中，U是端電壓，L是電壓方向半導(dǎo)體的長(zhǎng)度，vn和vp是載流子漂移的速度。1.1第23頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一 2.受光照時(shí),由光照產(chǎn)生的光生載流子迅速增加,它的阻值急劇減少。在外電場(chǎng)作用下光生

11、載流子沿一定方向運(yùn)動(dòng),在電路中形成電流,光生載流子越多電流越大。 如果產(chǎn)生的光生載流子濃度用n和p表示。則光照穩(wěn)定情況下的電導(dǎo)率為1.21.2 - 1.1 得： 由于在恒定的光照下,光生載流子不斷產(chǎn)生,也不斷復(fù)合。當(dāng)光照穩(wěn)定時(shí),光生載流 子的濃度為分兩種情況討論光電流：（1）已知入射光的功率 ()；（2） 已知產(chǎn)生的電子空穴對(duì)Nout（1）已知入射光的功率 ()；式中,b=n/p為遷移比。 則電導(dǎo)率的變化為：第24頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一由于光照的增加, 電導(dǎo)率增加了,光電流也增加了。根據(jù)歐姆定律的微分形式： ，則在電場(chǎng)強(qiáng)度為E的電場(chǎng)的作用下,短路光電流密度為

12、1.3在光照下，電導(dǎo)率的增量為: 其中,g為載流子產(chǎn)生率（單位體積內(nèi)的產(chǎn)生數(shù)）,為載流子壽命。若入射的光功率為()，載流子產(chǎn)生率與光功率的關(guān)系為 單位時(shí)間內(nèi)每入射一個(gè)光子所能引起的載流子數(shù)。量子效率第25頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一26根據(jù)根據(jù)歐姆定律的微分形式，還可以求出其暗電流,亮電流和光電流：如果已知在光輻射作用下, 單位時(shí)間產(chǎn)生Nout個(gè)電子-空穴對(duì)1.41.5由于光輻射激發(fā)增加的電子和空穴濃度分別為1.6（2）如果已知產(chǎn)生的電子 空穴對(duì)為Nout：第26頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一1.6光敏電阻的光電流 Ip與L的平方成反比

13、。1.7則亮電流為：第27頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一28知識(shí)回顧1. 電導(dǎo)率的表達(dá)式：5. 歐姆定律的微分形式：2. 光電導(dǎo)效應(yīng)：3. 提高光電導(dǎo)效應(yīng)的方法？4. 發(fā)生光電導(dǎo)效應(yīng)的條件？6. 亮電流、暗電流、光電流第28頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一設(shè)：光電阻上的電壓為U, 光電導(dǎo)長(zhǎng)度為L(zhǎng)，橫截面積為A無(wú)光照時(shí)電流為-光照產(chǎn)生的電流為-暗電導(dǎo)暗電阻光照時(shí)電流為-亮電導(dǎo)亮電阻光電導(dǎo)暗電流亮電流光電流第29頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一三種量之間的關(guān)系-光電導(dǎo)長(zhǎng)度對(duì)光電流的影響-第30頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，

14、5月20日，17點(diǎn)37分，星期一 因此在設(shè)計(jì)光敏電阻時(shí)為了既減小電極間的距離L,又保證光敏電阻有足夠的受光面積,一般采用如圖所示的幾種電極結(jié)構(gòu)。第31頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一暗電導(dǎo)：亮電導(dǎo)：光電導(dǎo)：1.5.2 光電導(dǎo)靈敏度 （photoconduction sensitivity） 暗電流：亮電流：光電流：定義光電導(dǎo)靈敏度為Sg: 單位入射的光功率所產(chǎn)生的光電導(dǎo)或提高載流子的壽命可以提高靈敏度第32頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一光電導(dǎo)增益：表示長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光電導(dǎo)體兩端加上電壓后，單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)外電路的載流子數(shù)與內(nèi)部產(chǎn)生的載流子數(shù)比值。

15、半導(dǎo)體中，電子和空穴壽命相同，都可用平均壽命表示利用：稱為載流子通過(guò)極間距離L所需的有效度越時(shí)間光電導(dǎo)增益 （ photoconductivity ） 提高增益的措施： 增加載流子的壽命 及第33頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一入射一個(gè)光子所產(chǎn)生的電子或電子空穴對(duì)的數(shù)目 量子效率（ quantum efficiency ） 鍺的禁帶寬度為0.66ev;硅的禁帶寬度為1.12ev第34頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一1.5.5 光譜響應(yīng)率與光譜響應(yīng)曲線光譜響應(yīng)率：在某一特定波長(zhǎng)下，輸出光電流（或電壓）與入射輻射能量之比。光譜響應(yīng)率為：可以看出,

16、增大增益系數(shù)可得到很高的光譜響應(yīng)率。提高光敏電阻的光譜響應(yīng)率可以： 減小電極間距 延長(zhǎng)載流子壽命第35頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一較長(zhǎng)波長(zhǎng)，吸收系數(shù)小，量子效率低波長(zhǎng)減小，吸收系數(shù)增大，幾乎全被吸收，電光導(dǎo)達(dá)到峰值。波長(zhǎng)繼續(xù)減小，吸收系數(shù)繼續(xù)增加，復(fù)合增加，壽命減低，量子效率下降。長(zhǎng)波限：峰值一半處所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。1.5.5 光譜響應(yīng)曲線第36頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一1.5.6 光電導(dǎo)惰性和響應(yīng)時(shí)間 對(duì)于非定態(tài)情況，例如當(dāng)光照開始及撤去的瞬間有1. 弱光情況: n n0，pn0，pp0: 載流子的濃度滿足： 式中，r為電子和空穴的復(fù)

17、合率 a. 光照開始時(shí)，t=0, n=0 ：b. 撤除光照時(shí)，t=0, n=n0 ：其中：tanh x=sinh x / cosh x sinh x=(e(x)-e(-x)/2 ，cosh x=(ex+e(-x)/2 所以tanhx = (e(x)-e(-x) /(ex+e(-x) 強(qiáng)光下，光電導(dǎo)同時(shí)受到產(chǎn)生率和復(fù)合率的影響。 第39頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一1.5.7 頻率特性輸入光正弦規(guī)律變化具有低通特性。截止頻率:輸出相對(duì)幅值下降至0.707倍，入射光的頻率。23第40頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一1.5.8 光電特性和值弱光照

18、射時(shí)：強(qiáng)光照射時(shí)：直線性光電導(dǎo)光電流與照度關(guān)系曲線：一般情況下,光敏電阻的特性可以表示為：Ip光電流；Sg光電導(dǎo)靈敏度;E光照度；光照指數(shù)，它與材料和入射光強(qiáng)弱有關(guān)，對(duì)于 CdS、PbS等，在弱光照射下 =1，在強(qiáng)光照射下=1/2，一般=0.51；U 光敏電阻兩端所加的電壓；a電壓指數(shù)，歐姆接觸時(shí)a=1，非歐 姆接觸a=1.11.2；非線性E（lx）Ip第41頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一前歷效應(yīng) 暗態(tài)前歷效應(yīng)是指光敏電阻測(cè)試或工作前處于暗態(tài),當(dāng)它突然受到光照后表現(xiàn)為暗態(tài)前歷越長(zhǎng)，光電流上升越慢。一般情況下，工作電壓越低，光照度越低，則暗態(tài)前歷效應(yīng)就越嚴(yán)重。1.5.

19、9 前歷效應(yīng) 是指光敏電阻的響應(yīng)特性與工作前的“歷史”有關(guān)的一種現(xiàn)象。前歷效應(yīng)有暗態(tài)前歷效應(yīng)與亮態(tài)前歷效應(yīng)之分。 亮態(tài)前歷效應(yīng)是指光敏電阻測(cè)試或工作前已處于亮態(tài)，當(dāng)照度于工作時(shí)所要達(dá)到的照度不同時(shí)，所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象，其效應(yīng)曲線如圖所示。一般情況第42頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一兩個(gè)明顯的特點(diǎn) 光敏電阻的本質(zhì)是電阻，復(fù)合歐姆定律。因此，它具有與普通電阻相似的伏安特性，但是 它的阻值是隨著入射光通量而變化的。1.5.10 伏安特性 一是在額定功率范圍內(nèi)（如50mW）光電流與所加電壓成線性，即電流 正比 于所施加外電壓。 二是當(dāng)光敏電阻器上承受的功率超過(guò)它本身的額定功率后，曲線開始變彎，趨向飽和，電流并未繼續(xù)增大，即大部分光生載流子已參與為光電流。第43頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期一1.5.11 光譜響應(yīng)特性 光譜特性多用相對(duì)靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線表示。從這種曲線中可以直接看出靈敏范圍、峰值波長(zhǎng)位置和各波長(zhǎng)下靈敏度的相對(duì)（歸一化）關(guān)系。 歸一化：每條曲線上的縱坐標(biāo)除以峰值所對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)。 光譜響應(yīng)主要由材料禁帶寬度決定，禁帶寬度越窄則對(duì)長(zhǎng)波越敏感，但禁帶很窄時(shí)，半導(dǎo)體中熱激發(fā)也會(huì)使自由載流子濃度增加，使復(fù)合運(yùn)動(dòng)加快，靈敏度降低，因此采用冷卻靈敏面的辦法來(lái)降低熱發(fā)射，來(lái)提高靈敏