半导体光电检测器件及应用一

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1、宁波工程学院电信学院电子科学与技术教研室 丁志群 制,第三章 半导体光电检测器件及应用,主要内容：光敏电阻光生伏特器件 1.光电池 2.光电二极管和光电三极管 3.发光器件 4.光电耦合器件 5.光电位置敏感器 6.光热辐射检测器件各类光电检测器的性能比较,3-1光敏电阻,利用半导体光电导效应制成的器件。典型的光电导器件为光敏电阻。光敏电阻的原理是半导体的光电导效应，只有能量（h）大于材料禁带宽度（Eg）的光子，才能使材料产生光电导效应。每一种半导体或绝缘体都有一定的光电导效应，但只有其中一部分材料经过特殊处理，掺进适当杂质，才有明显的光电导效应。现在使用的光电导材料有-族、-族化合物，硅、锗

2、等，以及一些有机物。,3.1光敏电阻的结构与工作原理,基本原理与结构 光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性， 纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻一般在兆欧量级，亮电阻在几千欧量以下。,图 3-1 光敏电阻结构 (a) 光敏电阻结构； (b) 光敏电阻电极； (c) 光敏电阻接线图,图3-1（a）为金属封装

3、的硫化镉光敏电阻的结构图。 光敏电阻的结构很简单，在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，称为光导层。半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。为了提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案， 如图3-1（b）所示。 图3-1（c）为光敏电阻的接线图。 P23，图3-2。,3.2.光敏电阻的主要参数及特点3.2.1 光敏电阻的主要参数有： (1) 暗电阻 光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻， 此时流过的电流称为暗电流。 (2) 亮电流

4、光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。 (3) 光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流。,半导体无光照时为暗态，此时材料具有暗电导；有光照时为亮态，此时具有亮电导。如果给半导体材料外加电压，通过的电流有暗电流与亮电流之分。亮电导与暗电导之差称为光电导，亮电流与暗电流之差称为光电流。暗态下 Gd=dA/L, Id=GdU=dAU/L亮态下 Gl=lA/L, Il=GlU=lAU/L亮态与暗态之差,Gp=Gl - Gd=(l-d）A/L=A/L Ip=Il - Id=(Gl-Gd）U=AU/LA：半导体材料横截面面积L：半导体材料长度I：电流 U：外加电压G：电导 ：电导率

5、：光致电导率的变化量下标d代表暗，l代表亮，p代表光,3.2.2 光敏电阻的特点：,优点：灵敏度高，体积小、重量轻，光谱响应范围宽，机械强度高、耐冲击和振动，寿命长。缺点：使用时需要有外部电源，同时当有电流通过它时，会产生热的问题。,3.2.3 光敏电阻的基本特性 (1) 伏安特性 在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图3-2为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。由图可见，光敏电阻在一定的电压范围内，其I-U曲线为直线。说明其阻值与入射光量有关，而与电压电流无关。,图3-2 硫化镉光敏电阻的伏安特性,（2）光照特性 光敏电阻的光照特性是描述光电流I和光照

6、强度之间的关系，不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。图3-3为硫化镉光敏电阻的光照特性。,图3-3 光敏电阻的光照特性,光照特性,光电流与照度的关系称为光照特性。光敏电阻光照特性如下： Ip=SgEUIp：光电流 E：照度 ：电压指数Sg：光电导灵敏度U：光敏电阻两端所加的电压：光照指数,与材料和入射光强弱有关，对于硫化镉光电导体，在弱光照下1，在强光照下1/2，一般0.51。与光电导体和电极材料之间的接触有关，欧姆接触时1，非欧姆接触时=1.11.2。由图可见，硫化镉光敏电阻在弱光照下，Ip与E具有良好的线性关系，在强光照下则为非线性关系，其它光敏电阻也有类似的性

7、质。如果电压指数1，在弱光照下有 Ip=SgEU,(3) 光谱特性 光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。 光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。,图3-4 光敏电阻的光谱特性,图3-4 几种不同材料光敏电阻的光谱特性。,对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。 从图中可见硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域，常被用作光度量测量（照度计）的探头。 硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区， 常用做火焰探测器的探头。,（4） 频率特性 实验证明，光敏电阻的光电流不能随

8、着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数 表示。 大多数的光敏电阻时间常数都较大， 这是它的缺点之一。,图3-5 光图3-5 硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性,不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数（毫秒数量级）， 因而它们的频率特性也就各不相同。图3-5为硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性，相比较，硫化铅的使用频率范围较大。光电导弛豫过程 光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定时间的。同样光照停止后光电流也是逐渐消失的。这些现象称为弛豫过程或惰性。,对光电导体受矩形脉冲光照时，常有上升时间常数r和下降时间常数f来描述弛豫过程的长短。r表示光生载

9、流子浓度从零增长到稳态值63%时所需的时间，f表示从停光前稳态值衰减到37%时所需的时间。,(5) 温度特性 光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应，同时光敏电阻的灵敏度和暗电阻也随之改变，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图3-6为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此，硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。对于可见光的光敏电阻， 其温度影响要小一些。,图 3-6 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性,光敏电阻特点光谱特性好允许的光电流大灵敏度高使用寿命长体积小 此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于

10、红外线光谱区工作。光敏电阻的缺点是型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并且由于光照特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电信号的传感元件。,表 3-1 几种光敏电阻的特性参数,(6)噪声特性1）热噪声由于光敏电阻内载流子热运动产生的噪声称为热噪声，又称为约翰逊（Johson）噪声。,2）产生复合噪声复合噪声与平均电流有关，当 1时，简化为后面一项。,3）低频噪声光敏电阻在偏置电压作用下产生信号光电流，由于光敏层内部结构不均匀产生微火花电爆放现象。这种微火花放电引起的电爆脉冲就是低频噪声的来源，又被称为电流噪声。C1为与材料有关的常数，I为流过光敏电阻的电流，f为调制频率，指数b为

11、接近于1 的系数 ， 为调制频带的带宽 。,光敏电阻的噪声均方根,在不同频率下，以某种噪声为主。如在几百赫兹以第三项电流噪声为主；随着频率升高，以复合噪声为主；频率很高时，以热噪声为主。,7)前历效应 前历效应是指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种现象。前历效应有暗态前历与亮态前历之分。 暗态前历效应是指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后表现为暗态前历越长，光电流上升越慢，其效应曲线如下图所示。一般，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重。,硫化镉光敏电阻的暗态前历效应曲线黑暗放置3分钟后 2 黑暗放置60分钟后 3 黑暗放置24小时后,亮态前历效应是指光敏电阻

12、测试或工作前已处于亮态，当照度与工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象，其效应曲线如下图所示。一般，亮电阻由高照度状态变为低照度状态达到稳定值时所需的时间要比由低照度状态变为高照度状态时短。,硫化镉光敏电阻亮态前历效应曲线,微变等效电路,光敏电阻的微变等效电路,设入射于光敏电阻的辐射为正弦形式，有 0mejt：辐射通量：调制辐射的圆频率 则流过光敏电阻的光电流I为 II0+ejtIm/(1+j),I0：光电流I的直流分量，I0Sg0U。U：加到光敏电阻两端的电压Im/(1+j)：微变光电流的幅值， Im=SgmU。：时间常数 如果令i = Im/(1+j) 则可以看出，流过光敏电阻R

13、的微变光电流i，相当于电流源Im在RC并联电路中被电容C分流后流过电阻R的电流。图中的C是按光敏电阻的属性而引入的等效电容，C/R，R为与直流辐射分量相对应的光电阻。,光敏电阻的使用 光敏电阻的重要特点是，光谱响应范围宽，测光范围宽，灵敏度高，无极性之分。但由于材料不同，在性能上差别较大。使用中应注意： 1）当用于模拟量测量时，因光照指数与光照强弱有关，只有在弱光照下光电流与入射辐射通量成线性关系。 2）用于光度量测试仪器时，必须对光谱特性曲线进行修正，保证其与人眼的光谱光视效率曲线符合。3）光敏电阻的光谱特性与温度有关，温度低时，灵敏范围和峰值波长都向长波方向移动，可采取冷却灵敏面的办法来提

14、高光敏电阻在长波区的灵敏度。,4）光敏电阻的温度特性很复杂，电阻温度系数有正有负，一般说，光敏电阻不适于在高温下使用，温度高时输出将明显减小，甚至无输出。 5）光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下只有少数品种能超过1000Hz，而且光电增益与带宽之积为一常量，如要求带宽较宽，必须以牺牲灵敏度为代价。 6）设计负载电阻时，应考虑到光敏电阻的额定功耗，负载电阻值不能很小。 7）进行动态设计时，应意识到光敏电阻的前历效应。,3.3 光敏电阻的偏置电路,3.3.1 基本偏置电路,简单偏置电路a）偏置电路 b）微变等效电路,光敏电阻的应用电路一 火焰检测报警器电路,恒压偏置电路 硫化铅光敏电阻暗电阻1M，

15、暗电阻0.2M阻值变化引起V1输出电压变化，由电容C2耦合到后级放大器放大，控制检测中心发出报警或执行灭火的动作。,光敏电阻的应用二 照相机电子快门电路,硫化镉光敏电阻闪光开关没有按下时为电路图上的状态反相端输入几乎电源电压，运放输出负电平按下后，电容的电压为0V，快门打开。通过Rp1，R，向C1充电，充电的快慢由时间常数决定。光敏电阻的阻值越低，充电越快。,光敏电阻的应用三 照明灯自动控制电路,一种简单的照明灯控制电路Vd，C组成半波整流滤波，继电器线圈上串光敏电阻。环境光很暗时，光敏电阻的阻值很大，使得线圈流过的电流很小，不足以驱动继电器，继电器处于常闭位置，灯亮。外界环境光很亮时，光敏电阻阻值变小，继电器吸合，灯灭。 我校的走廊灯不是这种节能控制，建议学校改造。没改造之前，注意及时关灯。,