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1、思考题 2 某光敏电阻与负载电阻RL 2k 串接于12伏的直流电源上 无光照时负载电阻上的输出电压为u1 20mV 有光照时负载上的输出电流u2 2V 试求 光敏电阻的暗电阻和亮电阻值 若光敏电阻的光导灵敏度S 6 10 6s lx 求光敏电阻所受的照度 第三章半导体光电检测器件及应用 3 1光敏电阻3 2光生伏特器件 光电池3 3光电二极管与光电三极管3 4发光器件3 5光电耦合器件3 6光电位置敏感器件3 7光热辐射检测器件3 8各种光电检测器件的性能比较 3 1光敏电阻 利用具有光电导效应的材料 如Si Ge等本征半导体与杂质半导体 如CdS CdSe PbO 可以制成电导率随入射光辐射
2、量变化而变化的器件 这类器件被称为光电导器件或光敏电阻 结构特点 体积小 坚固耐用 价格低廉 光谱响应范围宽 广泛应用于微弱辐射信号的检测技术领域 3 1 1 光敏电阻的结构及工作原理 工作原理 当入射光子使半导体物质中的电子由价带跃升到导带时 导带中的电子和价带中的空穴均参与导电 因此电阻显著减小 电导增加 或连接电源和负载电阻 可输出电信号 此时可得出光电导g与光电流I光的表达式为 工作原理 g gL gdI光 IL Id 工作原理 光敏电阻按半导体材料的不同可分为本征型和杂质型两种 本征型半导体光敏电阻常用于可见光长波段检测 杂质型常用于红外波段至远红外波段光辐射的检测 光敏电阻设计的基
3、本原则 光敏电阻在弱光辐射下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的平方成反比 在强辐射作用下Sg与l的二分之三次方成反比 因此在设计光敏电阻时 尽可能地缩短光敏电阻两极间距离 光敏电阻的基本结构 1 光电导材料 2 电极 3 衬底材料 绝缘基底 光电导体膜 工作性能特点 光谱响应范围相当宽 可见光 红外 远红外 紫外区域工作电流大 可达数毫安 所测光电强度范围宽 既可测弱光 也可测强光灵敏度高 光电增益可以大于1无选择极性之分 使用方便 缺点 强光下光电线性度较差 弛豫时间过长 频率特性差 光敏电阻的种类及应用 主要材料 Si Ge II VI族和III V族化合物 以及一些有机物 分紫外
4、光 可见光 红外及远红外敏感的光敏电阻 应用 照相机 光度计 光电自动控制 辐射测量 能量辐射 物体搜索和跟踪 红外成像和红外通信等技术方面制成的光辐射接收器件 3 1 2 光敏电阻特性参数 1 光电特性 光敏电阻的光电流I光与输入辐射照度有下列关系式 其中 I光为光电流 I光 IL Id E为照度 为光照指数 与材料的入射强弱有关 对CdS光电导体 弱光照射下 1 强光下 0 5 U为光敏电阻两端所加电压 为电压指数 与光电导体和电极材料间接触有关 欧姆接触时 1 非欧姆接触时 1 1 1 2Sg为光电导灵敏度 单位S lx 对CdS光电导体 弱光照射下 1 强光下 0 5 为什么 光照增强
5、的同时 载流子浓度不断的增加 同时光敏电阻的温度也在升高 从而导致载流子运动加剧 因此复合几率也增大 光电流呈饱和趋势 冷却可以改善 2 伏安特性 输出特性 一定光照下 光敏电阻的光电流与所加电压关系即为伏安特性 3 1 2 光敏电阻特性参数 光敏电阻为一纯电阻 符合欧姆定律 曲线为直线 但对大多数半导体 电场强度超过时 不再遵守欧姆定律 而CdS在100V时就不成线性了 3 1 2 光敏电阻特性参数 3 温度特性 光敏电阻为多数载流子导电的光电器件 具有复杂的温度特性 不同材料的光敏电阻温度特性不同 书25页中图3 5中为CdS和CdSe光敏电阻不同照度下的温度特性曲线 可以看出温度升高可以
6、导致材料光电导率的下降 实际中往往采用控制光敏电阻工作的温度的办法提高工作稳定性 3 1 2 光敏电阻特性参数 换句话说 温度的变化 引起温度噪声 导致光敏电阻灵敏度 光照特性 响应率等都发生变化 为了提高灵敏度 必须采用冷却装置 尤其是杂质型半导体对长波长红外辐射检测领域更为重要 温度特性 3 1 2 光敏电阻特性参数 4 前历效应 指光敏电阻的时间特性与工作前 历史 有关的一种现象 即测试前光敏电阻所处状态对光敏电阻特性的影响 暗态前历效应 指光敏电阻测试或工作前处于暗态 当它突然受到光照后光电流上升的快慢程度 一般地 工作电压越低 光照度越低 则暗态前历效应就越重 光电流上升越慢 1 黑
7、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 光敏电阻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 3 1 2 光敏电阻特性参数 前历效应 3 1 2 光敏电阻特性参数 5 频率特性 光敏电阻的时间常数较大 所以其上限频率f上低 只有PbS光敏电阻的工作频率特性达到几千赫兹 当E 0 11lx时 光敏电阻tr 1 4s E 10lx时 光敏电阻tr 66mS E 100lx时 光敏电阻tr 6mS 同时 时间特性与输入光的照度 工作温度有明显的依赖关系 3 1 2 光敏电阻特性参数 6 时间响应 光敏电阻的时间常数较大 惯性大 时
8、间响应比其它光电器件差 频率响应低 时间特性与光照度 工作温度有明显的依赖关系 r 3 1 2 光敏电阻特性参数 7 光谱特性 相对灵敏度与波长的关系 可见光区光敏电阻的光谱特性 光谱特性曲线覆盖了整个可见光区 峰值波长在515 600nm之间 尤其硫化镉 2 的峰值波长与人眼的很敏感的峰值波长 555nm 是很接近的 因此可用于与人眼有关的仪器 3 1 2 光敏电阻特性参数 光谱特性 红外区光敏电阻的光谱特性 注明 此特性与所用材料的光谱响应 制造工艺 掺杂浓度和使用的环境温度有关 1 常用光敏电阻 CdS光敏电阻 峰值响应波长0 52um 掺铜或氯时峰值波长变长 光谱响应向红外区延伸 其亮
9、暗电导比在10lx照度上可达1011 一般约为106 其时间常数与入射光强度有关 100lx下可达几十毫秒 是可见光波段最灵敏的光敏电阻 PbS光敏电阻 响应波长在近红外波段 室温下响应波长可达3um 峰值探测率D 1 5 1011cm Hz1 2 w 缺点主要是响应时间太长 室温条件下100 300uS 内阻约为1M 锑化铟 InSb 光敏电阻 长波限7 5um 内阻低 约50 峰值探测率D 1 2 1011cm Hz1 2 w 时间常数0 02uS 零度时探测率可提高2 3倍 碲镉汞HgCdTe系列光敏电阻 其性能优良 最有前途的光敏电阻 不同的Cd组分比例 可实现1 3um 3 5um
10、8 14um的光谱范围的探测 例如Hg0 8Cd0 2Te响应在大气窗口8 14um 峰值波长10 6um Hg0 72Cd0 28Te响应波长在3 5um 碲锡铅 PbSnTe 系列光敏电阻 不同的锡组分比例 响应波长不同 主要用在8 10um波段探测 但探测率低 应用不广泛 3 1 3 光敏电阻的应用电路 2 基本偏置电路 3 1 3 光敏电阻的应用电路 RP 忽略暗电导Gd 暗电阻很大 G Gp SgE或G Sg 即对R求导得到负号表示电阻是随温度的增加而减小 当光通量变化时 电阻变化 Rp 电流变化 I 即有 即 2 基本偏置电路 3 1 3 光敏电阻的应用电路 输出电压 3 1 3
11、光敏电阻的应用电路 1 火焰检测报警器 PbS光敏电阻 Rd 1M Rl 0 2M 峰值波长2 2um Vo Uth UR Uth UR 3 1 3 光敏电阻的应用电路 2 照相机电子快门 3 照明灯的光电控制电路 3 1 3 光敏电阻的应用电路 3 1 4 光敏电阻使用的注意事项 测光的光源光谱特性与光敏电阻的光敏特性相匹配 要防止光敏电阻受杂散光的影响 要防止使光敏电阻的电参数 电压 功耗 超过允许值 根据不同用途 选用不同特性的光敏电阻 一般 数字信息传输 亮电阻与暗电阻差别大 光照指数 大的光敏电阻 模拟信息传输 则以选用 值小 线性特性好的光敏电阻 3 2光电池 光电池是一种利用光生
12、伏特效应制成的不需加偏压就能将光能转化成电能的光电器件 3 2 1光电池的基本结构和工作原理 1 金属 半导体接触型 硒光电池 基本结构 2 PN结型 几个特征 1 栅状电极2 受光表面的保护膜3 上 下电极的区分 符号 3 2 2硅光电池的特性参数 1 光照特性 伏安特性 硅光电池工作在第四象限 若工作在反偏置状态 则伏安特性将近伸到第三象限 由光电池的电流方程 Rs很小 可忽略 上式变为 Ip Sg E 1 光照特性 3 2 2硅光电池的特性参数 Isc1 Isc2 Isc3 Isc4 当IL 0时一般Ip Is 当RL 0时 Isc Ip Sg E 下面看两个关系 当E 0时 1 Voc
13、 Isc与E的关系 当IL 0 RL 时一般Ip Is 且Ip Sg E 3 2 2硅光电池的特性参数 当V 0 RL 0时 2 Isc与E和RL的关系 3 2 2硅光电池的特性参数 当RL 0时 Isc Ip Sg E 当RL不为0时 为什么RL的增加会使光电流减小 光电池光照特性特征1 Voc与光照E成对数关系 典型值在0 45 0 6V 作电源时 转化效率10 左右 最大15 5 20 2 Isc与E成线性关系 常用于光电池检测 Isc典型值35 45mA cm2 2 RL越小 线性度越好 线性范围越宽 3 光照增强到一定程度 光电流开始饱和 与负载电阻有关 负载电阻越大越容易饱和 3
14、2 2硅光电池的特性参数 2 输出特性 3 2 2硅光电池的特性参数 UL随RL的增大而增大 直到接近饱和 RL小时IL趋近于短路电流Isc 在RL RM时 有最大输出功率 RM称为最佳负载 光电池作为换能器件时要考虑最大输出问题 跟入射光照度也有关 作为测量使用 光电池以电流使用 短路电流Isc与光照度成线性关系 RL的存在使IL随光照度非线性的增加 RL增大 线性范围越来越小 3 光谱特性 3 2 2硅光电池的特性参数 4 温度特性 3 2 2硅光电池的特性参数 Voc具有负温度系数 其值约为2 3mV 度 Isc具有正温度系数 但随温度升高增长的比例很小 约为10 5 10 3mA 度
15、总结 当光电池接收强光照时要考虑温度升高的影响 如硅光电池不能超过200度 3 2 3硅光电池的应用 1 光电池用作太阳能电池把光能直接转化成电能 需要最大的输出功率和转化效率 即把受光面做得较大 或把多个光电池作串 并联组成电池组 与镍镉蓄电池配合 可作为卫星 微波站等无输电线路地区的电源供给 2 光电池用作检测元件利用其光敏面大 频率响应高 光电流与照度线性变化 适用于开关和线性测量等 光电池与外电路的连接方式 3 2 3硅光电池的应用 光电池作缓变信号检测时的的变换电路举例 3 2 3硅光电池的应用 光电池的变换电路举例 1 太阳电池电源太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵 蓄电池组 调节
16、控制和阻塞二极管组成 如果还需要向交流负载供电 则加一个直流 交流变换器 太阳电池电源系统框图如图 逆变器 交流负载 直流负载 太阳能电池电源系统 阻塞二极管 调节控制器 太阳电池方阵 a 光电追踪电路 12V R4 R3 R6 R5 R2 R1 W BG1 BG2 图 a 为光电地构成的光电跟踪电路 用两只性能相似的同类光电池作为光电接收器件 当入射光通量相同时 执行机构按预定的方式工作或进行跟踪 当系统略有偏差时 电路输出差动信号带动执行机构进行纠正 以此达到跟踪的目的 光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路 BG2 BG1 12V C J R1 R2 b 光电开关 图 b 所示电路为光电开关 多用于自动控制系统中 无光照时 系统处于某一工作状态 如通态或断态 当光电池受光照射时 产生较高的电动势 只要光强大于某一设定的阈值 系统就改变工作状态 达到开关目的 c 光电池触发电路 R1 R2 R3 R4 R5 R6 BG1 BG2 BG3 BG4 C1 C2 C3 12V W 图 c 为光电池触发电路 当光电池受光照射时 使单稳态或双稳态电路的状态翻转 改变其工作状态或触发器件
