光电技术_02光电导器件

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1、第2章 光电导器件,某些物质吸收了光子的能量产生本征吸收或杂质吸收，从而改变了物质电导率的现象称为物质的光电导效应。利用具有光电导效应的材料（如硅、锗等本征半导体与杂质半导体，硫化镉、硒化镉、氧化铅等）可以制成电导随入射光度量变化器件，称为光电导器件或光敏电阻。 光敏电阻具有体积小，坚固耐用，价格低廉，光谱响应范围宽等优点。广泛应用于微弱辐射信号的探测领域。,2.1 光敏电阻的原理与结构,1. 光敏电阻的基本原理,图2-1所示为光敏电阻的原理图与光敏电阻的符号，在均匀的具有光电导效应的半导体材料的两端加上电极便构成光敏电阻。,当光敏电阻的两端加上适当的偏置电压Ubb（如图2-1所示的电路）后，

2、便有电流Ip流过，用检流计可以检测到该电流。,2 光敏电阻的基本结构,光敏电阻在微弱辐射作用的情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的平方成反比；在强辐射作用的情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的二分之三次方成反比；都与两电极间距离l有关。,3种基本结构:,3 典型光敏电阻,(1) CdS光敏电阻 （蛇形光敏面结构）,CdS光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率，它在可见光波段范围内的灵敏度最高，因此，被广泛地应用于灯光的自动控制，照相机的自动测光等。,CdS光敏电阻的峰值响应波长为0.52m，CdSe光敏电阻为0.72m，一般调整S和Se的比例

3、，可使Cd（S，Se）光敏电阻的峰值响应波长大致控制在0.520.72m范围内。,(2)、PbS光敏电阻,近红外波段（ 2m附近）最灵敏的光电导器件。,常用于火灾的探测等领域。,例如，室温下的PbS光敏电阻的光谱响应范围为13.5m，峰值波长为2.4m，峰值比探测率D*高达11011cmHzW-1。当温度降低到（195K）时，光谱响应范围为14m，峰值响应波长移到2.8m，峰值波长的比探测率D*也增高到21011cmHzW-1。,光谱响应和比探测率等特性与工作温度有关， 随着工作温度的降低其峰值响应波长和长波长将向长 波方向延伸，且比探测率D*增加。,灵敏波段：,应 用：,温度特点：,（3）、

4、InSb光敏电阻,35m光谱范围内的主要探测器件之一。,制造单元探测器件，制造阵列红外探测器件。,在室温下的长波长可达7.5m，峰值波长在6m附近，比探测率D*约为11011cmHzW-1。当温度降低到77K（液氮）时，其长波长由7.5m缩短到5.5m，峰值波长也将移至5m，恰为大气的窗口范围，峰值比探测率D*升高到21011cmHzW-1。,灵敏波段：,应 用：,温度特点：,光谱响应和比探测率等特性与工作温度有关， 随着工作温度的降低其峰值响应波长和长波长将向短 波方向延伸，且比探测率D*增加。,（4）Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件,Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件是目前所有红

5、外探测器中性能最优良最有前途的探测器件，尤其是对于48m大气窗口波段辐射的探测更为重要。 Hg1-xCdxTe系列光电导体是由HgTe和CdTe两种材料的晶体混合制造的，其中x标明Cd元素含量的组分。在制造混合晶体时选用不同Cd的组分x，可以得到不同的禁带宽度Eg，便可以制造出不同波长响应范围的Hg1-xCdxTe探测器件。一般组分x的变化范围为0.180.4，长波长的变化范围为130m。,2.2 光敏电阻的基本特性,1 光电导特性,基本特性参数：光电导特性、时间响应、光谱响应、 伏安特性与噪声特性等。 ,光敏电阻在黑暗的室温条件下，由于热激发产生的载流子使它所具有的电导。,当有光照射在光敏电

6、阻上时，它的电导将变大，受光照时所具有的电导。,暗电导：,光电导：,电导随光照量变化越大的光敏电阻就越灵敏。 电导随光照量的变化关系称为光敏电阻的光电导特性。,实际上，光敏电阻在弱辐射到强辐射的作用下，它的光电导特性可用在“恒定电压”作用下流过光敏电阻的电流Ip与作用到光敏电阻上的光照度E的关系曲线来描述，,弱辐射：,强辐射：,恒定电压的作用下，流过光敏电阻的光电流Ip为,Sg为光电导灵敏度，E为光敏电阻的照度。显然，当照度很低时，曲线近似为线性，随照度的增高，线性关系变坏，当照度变得很高时，曲线近似为抛物线形。,光敏电阻的光电导特性可用一个随光度量变化的指数伽玛来描述，并定义为光电转换因子。

7、并将上式改为,弱辐射1 随着入射辐射的增强，值减小， 强辐射0.5,2 伏安特性,光敏电阻的本质是电阻，符合欧姆定律。因此，它具有与普通电阻相似的伏安特性，但是它的电阻值是随入射光度量而变化的。,图2-5所示为典型CdS光敏电阻的伏安特性曲线 。,3 温度特性,以室温（25）的相对光电导率为100%，观测光敏电阻的相对光电导率随温度的变化关系，可以看出光敏电阻的相对光电导率随温度的升高而下降，光电响应特性随着温度的变化较大。,4 时间响应,用一个理想方波脉冲辐射照射光敏电阻时，光生电子要有产生的过程，光生电导率要经过一定的时间才能达到稳定。当停止辐射时，复合光生载流子也需要时间，表现出光敏电阻

8、具有较大的惯性。光敏电阻的惯性与入射辐射信号的强弱有关，下面分别讨论。,1.弱辐射作用情况下的时间响应,t0,t=0,t=0,t0,本征光电导器件在非平衡状态下,当t=r时， =0.630，I=0.63Ie0；,r-光敏电阻的上升时间常数,辐射过程：,r与f近似相等。,2.强辐射作用情况下的时间响应,t=0,t0,t=0,t0,（2-8）,（2-9）,停止辐射后：,光敏电阻电导率的变化规律为,其光电流的变化规律为,（2-10）,（2-11）,停止辐射：,5 噪声特性,光敏电阻的主要噪声有热噪声、产生复合和低频噪声(或称1/f噪声)。,1、热噪声,2、产生复合噪声,3、低频噪声（电流噪声）,总噪

9、声,6 光谱响应,光敏电阻的光谱响应主要由光敏材料禁带宽度、杂质电离能、 材料掺杂比与掺杂浓度等因素有关。,2.3 光敏电阻的变换电路,1 基本偏置电路 （ RLR：恒流， RLR：恒压）,设在某照度Ev下，光敏电阻的阻值为R，电导为g，流过偏置电阻RL的电流为IL,设iL=dIL，ev=dEv，则,UR=R/(R+RL) Ubb,光电流的微变量为,加在光敏电阻上的电压：,偏置电阻RL两端的输出电压为 ：,辐射入射辐射量（照度ev）成线性关系。,当电路参数确定后，输出电压信号与弱,2 恒流电路,稳压管DW将晶体三极管的基极电压稳定，即UB=UW，流过晶体三极管发射极的电流Ie 为,输出电压Uo

10、:,恒流偏置电路的电压灵敏度SV为,3 恒压电路,恒压偏置电路的输出电压为 ：,dUo=RcdIc=RcdIe= RcSgUwd,4 例题,例2-1 在如图2-13所示的恒流偏置电路中，已知电源电压为12V，Rb为820，Re为3.3k，三极管的放大倍率不小于80，稳压二极管的输出电压为4 V，光照度为40lx时输出电压为6V，80 lx时为8V。（设光敏电阻在30到100lx之间的值不变）,试求：（1）输出电压为7伏的照度为多少勒克司？ （2）该电路的电压灵敏度（V/ lx）。,解 根据已知条件，流过稳压管DW的电流,满足稳压二极管的工作条件,（1）根据题目给的条件，可得到不同光照下光敏电阻

11、的阻值,将Re1与Re2值代入值计算公式，得到光照度在4080lx之间的值,输出为7V时光敏电阻的阻值应为,此时的光照度可由值计算公式获得,E3=54.45（lx）,（2）电路的电压灵敏度SV,例2-2 在如图2-14所示的恒压偏置电路中，已知DW为2CW12型稳压二极管，其稳定电压值为6V，设Rb=1k，RC=510, 三极管的电流放大倍率不小于80，电源电压Ubb=12V，当CdS光敏电阻光敏面上的照度为150lx时恒压偏置电路的输出电压为11V,照度为450lx时输出电压为8V,试计算输出电压为9V时的照度（设光敏电阻在100500lx间的值不变）为多少lx？ 照度到500lx时的输出电

12、压为多少？ 解：分析电路可知，流过稳压二极管的电流满足2CW12的稳定工作条件，三极管的基极被稳定在6V。 设光照度为150lx时的输出电流为I1，与光敏电阻的阻值R1，则,照度为300lx时流过光敏电阻的电流I2与电阻R2为,R2=680,由于光敏电阻在500到100lx间的值不变，因此该光敏电阻的值应为,输出电压为9V时，设流过光敏电阻的电流为I3，阻值为R3,R3=900,代入值的计算公式，可计算出输出电压为9V时的入射照度E3,E3=196(lx),由值的计算公式可以找到500lx时的阻值R4及三极管的输出电流I4为 R4=214,I4=24.7(mA) 而此时的输出电压UO为 UO=

13、UbbI4R4=6.7(V) 即，在500lx的照度下恒压偏置电路的输出电压为6.7V。,2.4 光敏电阻的应用实例,1 照明灯的光电控制电路,如图2-15所示为一种最简单的由光敏电阻作光电敏感器件的照明灯光电自动控制电路。,它由3部分构成,半波整流滤波电路,测光与控制的电路,执行电路,设使照明灯点亮的光照度为EV,继电器绕组的直流电阻为RJ，使继电器吸合的最小电流为Imin，光敏电阻的光电导灵敏度为Sg，暗电导go=0，则,显然，这种最简单的光电控制电路还有很多缺点，还需要改进。在实际应用中常常要附加其他电路，如楼道照明灯常配加声控开关或微波等接近开关使灯在有人活动时照明灯才被点亮；而路灯光

14、电控制器则要增加防止闪电光辐射或人为的光源（如手电灯光等）对控制电路的干扰措施。,2.4.2 火焰探测报警器,图2-16所示为采用光敏电阻为探测元件的火焰探测报警器电路图。PbS光敏电阻的暗电阻的阻值为1M，亮电阻的阻值为0.2M(幅照度1mw/cm2下测试)，峰值响应波长为2.2m，恰为火焰的峰值辐射光谱。,组成：,恒压偏置电路,高输入阻抗放大器,中心站放大器,2.4.3 照相机电子快门,图2-17所示为利用光敏电阻构成的照相机自动曝光控制电路，也称为照相机电子快门。,组成： 控制电路 时间检出电路 驱动放大电路 执行单元等组成。,t =（RW2+R）C ln Ubb/ Vth,在初始状态，

15、开关K处于如图所示的位置，电压比较器的正输入端的电位为R1与RW1分电源电压Ubb所得的阈值电压Vth（一般为11.5V），而电压比较器的负输入端的电位VR近似为电源电位Ubb，显然电压比较器负输入端的电位高于正输入端的电位，比较器输出为低电平，三极管截止，电磁铁不吸合，开门叶片闭合。,当按动快门的按钮时，开关K与光敏电阻R及RW2构成的测光与充电电路接通，这时，电容C两端的电压UC为0，由于电压比较器的负输入端的电位低于正输入端而使其输出为高电平，使三极管T导通，电磁铁将带动快门的叶片打开快门，照相机开始曝光。快门打开的同时，电源Ubb通过电位器RW2与光敏电阻R向电容C充电，且充电的速度取决于景物的照度，景物照度愈高光敏电阻R的阻值愈低，充电速度愈快。VR的变化规律可由电容C的充电规律得到,VR=Ubb1exp(t/),式中为电路的时间常数,=（RW2+R）C,光敏电阻的阻值R与入射的光照度EV有关,当电容C两端的电压UC充电到一定的电位（VRVth）时，电压比较器的输出电压将由高变低，三极管T截止而使电磁铁断电，快门叶片又重新关闭。,快门的开启时间t可由下式推出,t =（RW2+R）C ln Ubb/ Vth,