第三章-光敏电阻教学教案

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1、第3章 光电导探测器,Photoconductive,-光敏电阻(PC),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，以及CdS、CdSe、PbS等）可以制成电导率随入射光辐射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，简称PC。,问题：什么是光电导效应？,物质吸收了光子的能量产生本征吸收或杂质吸收，引起载流子浓度的变化，从而改变了物质电导率的现象称为光电导效应。,第3章 光电导探测器,3.1 结构及工作原理 3.2 主要特性参数 3.4 偏置电路和应用,杂质型光敏电阻：极低温度下工作?,以N型为例：,Ed Ec Ed Eg,2. 常温-杂质原子束缚电子或空穴已

2、被热激发成自由态作为暗电导率的贡献量。长波光照,已无束缚电子或束缚空穴供光激发用，即光电导为零或很微弱。,1.杂质原子浓度远比基质原子浓度低得多。,3.1.2 光照下的光电导响应过程,光电导响应的两个基本结论：,（1）弱光照响应时间为常数（等于载流子寿命），稳态光电导与光生载流子的产生率成线性关系。,（2）强光照响应时间是光照的函数，稳态光电导与入射辐射通量平方根成正比关系。,正弦光照时,3.1.3 光敏电阻的结构及工作原理,1工作原理,2 结构,在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。,三种结构形式,

3、梳型结构 在玻璃基底上面蚀刻成互相交叉的梳状槽，在槽内填入黄金或石墨等导电物质，在表面再敷上一层光敏材料。如图所示。,三种结构形式,蛇形结构 如图，光电导材料制成蛇形，光电导两侧为金属导电材料，并在其上设置电极。,三种结构形式,刻线结构 在玻璃基片上镀制一层薄的金属箔，将其刻划成栅状槽，然后在槽内填入光敏电阻材料层后制成。其结构如下图所示。,三种结构形式,3 典型光敏电阻,CdS光敏电阻,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，

4、CdSe光敏电阻为0.72m，一般调整S和Se的比例，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。,PbS光敏电阻,PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件，因此，常用于火灾的探测等领域。,PbS光敏电阻的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限将向长波方向延伸，且比探测率D*增加。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21011

5、cmHzW-1。,InSb光敏电阻,InSb光敏电阻是35m光谱范围内的主要探测器件之一。,InSb材料不仅适用于制造单元探测器件，也适宜制造阵列红外探测器件。,InSb光敏电阻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。,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

6、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。,碲镉汞(HgCdTe)系列光敏电阻,Hg1-xCdxTe,x是Cd含量组分，变化范围0.180.4，长波限为330m,x=0.2，光谱响应814m,x=0.28，光谱响应35m,x=0.39，光谱响应13m,3.2 主要特性参数,1. 光电特性和值,2. 伏安特性,7. 噪声特性,4. 频率特性,5. 温度特性,6. 前历效应,3. 光谱特性,(1)暗电

7、阻：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流暗电流。 亮电阻：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流亮电流。 光电流：亮电流与暗电流之差。,实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1M,甚至高达100M，而亮电阻则在几k以下，暗电阻与亮电阻之比在102106之间，光敏电阻的灵敏度很高,1. 光电特性和值,几个概念,（2）光电导增益 光电导增益反比于电极间距的平方。,（3）光电导灵敏度:,光电导G与照度E之比,光电导灵敏度： S/1m，S/1x S/W，S/W/cm2,1. 光电特性和值,光敏电阻的光电特性是指在一定

8、电压作用下流过光敏电阻的电流与作用到光敏电阻上的光通量（光照度）的关系。,Sg比例系数，与材料有关,为电压指数，1, 0.51照度指数,强光为0.5 ，光电流与照度成抛物线,弱光为1，光电流与照度成线性,1. 光电特性和值,光敏电阻的光电特性是指在一定电压作用下流过光敏电阻的电流与作用到光敏电阻上的光通量（光照度）的关系。,弱光线性（测量）,强光非线性（控制）,照度指数值 （ 1）,（ 1）,2 伏安特性,在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所加的电压关系 光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，其伏安特性曲线为直线。 不同光照度对应不同直线,受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能超

9、过最高工作电压 图中虚线为允许功耗曲线 由此可确定光敏电阻正常工作电压。,光敏电阻的频率特性曲线 1-硒 2-硫化镉 3-硫化铊 4-硫化铅,3 时间和频率响应特性,响应时间： 1. 光电 载流子平均寿命 （较大，ms） 2. 外接电路的时间常数 （可忽略）,最高频率 104HZ10KHZ 响应时间 ms量级,光电导探测器的频率特性差，不适于接收高频光信号。,4. 光谱特性,峰值波长在515600nm，接近555nm，可用于与人眼有关的仪器，例如照相机、照度计、光度计等，加滤光片进行修正,可见光区灵敏的几种光敏电阻,在可见光区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线 1-硫化镉单晶 2-硫化镉多晶 3

10、-硒化镉多晶4-硫化镉与硒化镉混合多晶,4. 光谱特性,红外区灵敏的几种光敏电阻,光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。随着温度的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化也会影响光谱特性曲线。 例如：硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰值将向短波方向移动。尤其是红外探测器要采取制冷措施,5 温度特性,硫化铅光敏电阻的光谱温度特性,是指光敏电阻的时间特性和工作前“历史”有关的一种现象。具体表现在稳定光照下阻值的明显漂移。前历效应有暗态前历与亮态前历之分。,6 前历效应,硫化镉光敏电阻的暗态前历效应曲线,硫化镉光敏电阻亮态前历效应曲线,1-黑暗放置3分钟后 2-黑暗放置60分钟后

11、3-黑暗放置24小时后,8. 噪声特性,光敏电阻噪声：,减小噪声途径： 光调制技术 致冷 合理偏置电路,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。,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

12、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。 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。,光敏电阻的使用,光敏电阻的特点,1、优点：光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小无极性使用方便等优点，所以应用广泛。此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作

13、。 2、缺点：响应时间长、频率特性差、强光线性差、受温度影响大、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。,3.3 偏置电路,1基本偏置电路及直流参数的计算,2几种典型的偏置电路,3光敏电阻应用举例,3.3.1 基本偏置电路及直流参数的计算,为使器件正常工作，提供合适的电流或者电压。,偏置电路:,例如：,意义：,1.提高探测灵敏度 2.降低噪声 3.提高频率响应,偏置电压 偏置电阻,1基本偏置电路:,直流参数计算:,1）. 计算Ub, RL,2）. 计算 对应的输出电压,3.3.1 基本偏置电路及直流参数的计算,1）选

14、择负载电阻和偏置电源电压,2）计算 对应的输出电流、电压,图解法：,2）计算 对应的输出电流、电压,a恒流偏置电路,RLR,负载电流与光敏电阻无关，近似保持常数。,特点：输出信号电流取决于光敏电阻和负载电阻的比值，与偏置电压成正比；电压信噪比高，适于弱信号检测。,b 恒压偏置电路,RLRP,特点: 输出信号与光敏电阻无关 便于检测电路时光敏电阻的更换,光敏电阻上的电压保持不变。,C微变等效电路:,1、照明灯的光电控制电路,3.3.3光敏电阻的应用实例,数码相机为什么能实现自动曝光？,3.3.3光敏电阻的应用实例,3.3.3应用电路举例,2.光敏电阻用于照相机自动曝光电路 ：,光照强： 曝光时间

15、短 光照弱： 曝光时间长,数码相机NIKON5,3、火焰检测报警器,3光电导探测器噪声主要包括： 热噪声、g-r噪声和1f噪声,本章小结：,1利用半导体光电导效应制成的器件称为光电导探测器： 本征光电导探测器和杂质光电导探测器 光谱响应范围可从紫外远红外波段,2光电流Ip=(e/hv)M，M内增益，与器件材料、性质和外加电场大小有关,4上限截止频率fc或响应时间，与光电导探测器的光生载流子的平均寿命有关。响应频率仅在几兆赫的数量级。,5偏置电路：恒流电路、恒压电路、交流等效电路,本章作业,1、P91：3-3，3-4，3-5，3-9 2、P92:3-7 3、上网查找：光敏电阻的一个应用实例并说明原理。,习题3-9指导：,3-9 如图324所示的电路，耦合电容C足够大，在交流回路中其容抗可以忽略不计。光敏电阻Rp的参数为Sg=210-5 Slx， 10-3 s，Rl4k，R2=2k，Ub=50V，暗电阻Rd=1M，若光敏电阻所受的光照度为：e = (16+4sint)1x.,(1)画出等效电路图； (2) 求通过R2电流的有效值； (3) 求输出电压Uo的有效值; (4)求上限截止频率fHC。,习题3-9指导：,