第5章光電導(dǎo)器件

第5章半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)制成的器件稱為光電導(dǎo)探測(cè)器，簡(jiǎn)稱PC（Photoconductive）探測(cè)器－－最典型的光電導(dǎo)器件是光敏電阻。優(yōu)點(diǎn)：①光譜響應(yīng)寬：紫外－－遠(yuǎn)紅外②工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安③可測(cè)強(qiáng)光，可測(cè)弱光④靈敏度高，光電導(dǎo)增益大于1⑤無極性之分不足之處：①?gòu)?qiáng)光照射下光電轉(zhuǎn)換線性較差②光電弛豫過程長(zhǎng)③頻率響應(yīng)很低

第五章半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件5.1光敏電阻的工作原理5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)5.3實(shí)用光電導(dǎo)探測(cè)器5.4光敏電阻的基本偏置電路5.5應(yīng)用舉例光敏電阻原理圖光照電極（a）電原理圖(b)電路符號(hào)根據(jù)半導(dǎo)體材料的分類，光敏電阻有兩種類型電導(dǎo)率

N型半導(dǎo)體

s=nqmn,mn=1350cm2/(V?s)P型半導(dǎo)體

s=pqmp,mp=480cm2/(V?s)第五章半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件5.1光敏電阻的工作原理5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)5.3實(shí)用光電導(dǎo)探測(cè)器5.4光敏電阻的基本偏置電路5.5應(yīng)用舉例產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比的調(diào)制頻率，即截止頻率f3dB強(qiáng)光時(shí)（照度在10-1?104lx）例題1某光敏電阻的暗電阻為600k，在200lx光照下亮暗電阻比為1：100，求該電阻的光電導(dǎo)靈敏度。解：

該光敏電阻的亮電阻為光電導(dǎo)，所以光電導(dǎo)靈敏度

例題2某光電導(dǎo)器件的特性曲線如右圖，用該器件控制一繼電器。使用30V直流電源，電路在400lx的照度下有10mA電流即可使繼電器吸合。試畫出控制電路，計(jì)算所需串聯(lián)的電阻和暗電流。Rt30VRJR1光敏電阻控制繼電器電路光敏電阻的特性曲線0.010.1110100110102103104R1R2解：光敏電阻的光電導(dǎo)靈敏度為S/Lx在400Lx的光照下，光敏電阻的阻值為R。所以，Rt=2500歐姆。使用30V直流電源，使繼電器吸合需10mA電流。這時(shí)回路電阻應(yīng)為

RL=30/0.010=3000歐姆S比光敏電阻的阻值要大，故需串聯(lián)一個(gè)電阻R1，R1=RL-Rt=500歐姆nt八、溫度特性光敏電阻的特性參數(shù)受溫度影響較大，只要溫度略有變化，其光譜響應(yīng)率、峰值響應(yīng)波長(zhǎng)、長(zhǎng)波限等參數(shù)都會(huì)發(fā)生變化，而且這種變化沒有確定的規(guī)律。為了提高光敏電阻性能的穩(wěn)定性，降低噪聲和提高探測(cè)率，就十分必要采用冷卻裝置。硫化鉛光敏電阻在冷卻情況下相對(duì)光譜靈敏度的變化第五章半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件5.1光敏電阻的工作原理5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)5.3實(shí)用光電導(dǎo)探測(cè)器5.4光敏電阻的基本偏置電路5.5應(yīng)用舉例常用光敏電阻

光電導(dǎo)探測(cè)器波長(zhǎng)響應(yīng)范圍按工作波長(zhǎng)：按材料分，兩大類型：本征型光敏電阻

雜質(zhì)型光敏電阻紫外光響應(yīng)可見光響應(yīng)紅外光響應(yīng)紫外光可見光紅外－－極遠(yuǎn)紅外光a.硫化鎘（CdS）光譜響應(yīng):0.3mm~0.8mm,峰值波長(zhǎng)0.52mm,響應(yīng)時(shí)間為數(shù)百毫秒。常用于照相機(jī)測(cè)光。b.硫化鉛（PbS）光譜響應(yīng):1mm~3mm,峰值波長(zhǎng)2.4mm,響應(yīng)時(shí)間t=100~300ms。致冷條件下（195K干冰），光譜響應(yīng)：1~4mm,lp=2.8mm。c.銻化銦（InSb）Eg較小,適用于3~5mm的大氣紅外窗口測(cè)量。d.碲鎘汞（HgCdTe）改變HgTe和CdTe化合物的組份，可以得到各種相應(yīng)的的紅外探測(cè)器。如：1-3mm,3-5mm,8-14mm三種波長(zhǎng)范圍的探測(cè)器。e.摻雜型（鍺摻雜）響應(yīng)時(shí)間較短（10-6~10-8），要求共作溫度低。結(jié)構(gòu)示意圖光譜響應(yīng)特性第五章半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件5.1光敏電阻的工作原理5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)5.3實(shí)用光電導(dǎo)探測(cè)器5.4光敏電阻的基本偏置電路5.5應(yīng)用舉例恒流電路

在簡(jiǎn)單偏置電路中，當(dāng)RL?R時(shí)，流過光敏電阻的電流基本不變，此時(shí)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

（1）

在晶體管恒流偏置電路中輸出電壓Uo為

求微分得

將代入（2-27）得

（3）（2）或

（4）（5）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。

光敏電阻在恒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。因此，恒壓偏置電路的輸出電壓為

取微分，則得到輸出電壓的變化量為

dUo=－RcdIc=－RcdIe=RcSgUwdφ

例題

例在如圖2-13所示的恒流偏置電路中，已知電源電壓為12V，Rb為820Ω，Re為3.3kΩ，三極管的放大倍率不小于80，穩(wěn)壓二極管的輸出電壓為4V，光照度為40lx時(shí)輸出電壓為6V，80lx時(shí)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）。

解

根據(jù)已知條件，流過穩(wěn)壓管DW的電流滿足穩(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

將Re1與Re2值代入γ值計(jì)算公式，得到光照度在40~80lx之間的γ值

輸出為7V時(shí)光敏電阻的阻值應(yīng)為

此時(shí)的光照度可由γ值計(jì)算公式獲得

E3=54.45（lx）

（2）電路的電壓靈敏度SV

例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=1kΩ，RC=510Ω,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(shí)恒壓偏置電路的輸出電壓為10V,照度為450lx時(shí)輸出電壓為8V,試計(jì)算輸出電壓為9V時(shí)的照度（設(shè)光敏電阻在100~500lx間的γ值不變）為多少lx？照度到500lx時(shí)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(shè)光照度為150lx時(shí)的輸出電流為I1，與光敏電阻的阻值R1，則

同樣,照度為300lx時(shí)流過光敏電阻的電流I2與電阻R2為R2=680Ω

由于光敏電阻在500到100lx間的γ值不變，因此該光敏電阻的γ值應(yīng)為

當(dāng)輸出電壓為9V時(shí)，設(shè)流過光敏電阻的電流為I3，阻值為R3，則

R3=900Ω

代入γ值的計(jì)算公式便可以計(jì)算出輸出電壓為9V時(shí)的入射照度E3E3=196(lx)

由γ值的計(jì)算公式可以找到500lx時(shí)的阻值R4及三極管的輸出電流I4為

R4=214Ω

I4=24.7(mA)而此時(shí)的輸出電壓UO為

UO=Ubb－I4R4=6.7(V)即，在5