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1、C2 光电探测器件,理学院 宋旸,2,2 光电探测器件,2.1 光电探测器的物理效应 2.2 光电探测器的性能参数 2.3 外光电效应型光电探测器 2.4 内光电效应型光电探测器 2.5 固体成像器件 2.6 光电探测光源,3,2 光电探测器件,4,2.4 内光电效应型光电探测器,内光电效应 光电导效应 （均质型光电器件）半导体中束缚电荷接收光子能量后离开平衡位置，进入导电能带，改变了半导体中非平衡载流子的浓度，从而影响其导电性能。 光生伏特效应 （结型光电器件）光生电子聚集在PN结附近，改变平衡状态下的内建电场强度，形成光生电动势。,5,2.4 内光电效应型光电探测器,2.4.1 光电导型光
2、探测器 光敏电阻 2.4.2 pn结光伏探测器的工作模式 2.4.3 光电池 2.4.4 光电二极管与光电三极管 2.4.5 特殊结型光电二极管,6,2.4.1 光电导型光探测器,光敏电阻阻值对光照特别敏感，是一种典型的利用光电导效应制成的光电探测器件。 对于本征型，可用来检测可见光和近红外辐射 对于非本征型可以检测波长很长的辐射,7,2.4.1 光电导型光探测器,8,2.4.1 光电导型光探测器,结构：由一块涂在绝缘基底上的光电导材料薄膜和两端接有两个引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。电极和光电导体之间呈欧姆接触。,光敏电阻在电路中的符号,9, 光电导效应,半导体受光照后，吸收光子能量
3、产生电子空穴对，引起载流子浓度增加而使材料电导率增加的现象。,导体的电导率,欧姆定律微分形式,漂移速度：电子在电场作用下沿着电场的反方向作定向运动称为漂移运动，定向运动的速率称为漂移速度。,2.4.1 光电导型光探测器 特性,10, 光电导效应,当导体内部电场恒定时，载流子应具有一个恒定不变的平均漂移速度，电场强度增大时平均漂移速度也增大。平均漂移速度的大小与电场强度成正比,电导率和迁移率的关系,对于半导体材料,为迁移率，表示单位电场下电子的平均漂移速度，与材料特性有关,2.4.1 光电导型光探测器 特性,11,2.4.1 光电导型光探测器 特性, 光电导效应,半导体材料无光照时,暗电导,有光
4、照时,电导率增量,光电导,12,2.4.1 光电导型光探测器 特性, 电流与增益,光生载流子的产生率, 半导体吸收系数 量子效率 N 单位时间内入射在单位面积上的光子数,13,2.4.1 光电导型光探测器 特性, 电流与增益,光生载流子浓度变化率,n、p电子和空穴的平均寿命,稳定状态时载流子浓度,稳态时光电导率,14,2.4.1 光电导型光探测器 特性, 电流与增益,流过外电路的电流密度,光电流,15,2.4.1 光电导型光探测器 特性, 电流与增益,描述光作用下外电路电流的增强能力。,增益：光电流与入射光引起的单位时间电荷量的比值。,16,2.4.1 光电导型光探测器 特性, 电流与增益,1
5、7,2.4.1 光电导型光探测器 特性, 电流与增益,电子的输运时间为,例：计算硅光电导体的增益。考虑n型硅光电导体，其长度为 L=100m，横截面积为A= ，少子寿命为 ，所加电压为V=10V。（ n型硅的电子迁移率典型值为1350 ,空穴迁移率为480 。）,光电导体增益为,18,2.4.1 光电导型光探测器 特性, 电流与增益,单位时间流过器件的电荷数大于器件内光激发的电荷，从而使电流得到放大。, 减小样品长度可以大大提高增益, 增加载流子的寿命也可提高增益。,光敏面作成蛇形，电极作成梳状是因为这样即可以保证有较大的受光表面，也可以减小电极之间距离，从而既可减小极间电子渡越时间，也有利于
6、提高灵敏度。,19,2.4.1 光电导型光探测器 特性, 灵敏度,光电导灵敏度 单位入射光辐射功率所产生的光电导率,相对灵敏度,增益指在工作状态下，各参数对光电导效应的增强能力。（结构特性）,灵敏度是光电导体在光照下产生光电导能力的大小。（材料参数）,20,2.4.1 光电导型光探测器 特性, 光电特性,光电流与照度的关系：,： 光照指数,：电压指数,弱光时，I与照度E成线性关系,强光时，光电流与照度成抛物线,欧姆接触,光照增强的同时，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）,21,2.4.1 光电导型光探
7、测器 特性, 暗电阻和亮电阻,光敏电阻在黑暗时的阻值称为暗电阻，一般情况下，暗电阻都大于10兆，受光照时的阻值称为亮阻。暗阻与亮阻的比值也可作为衡量灵敏度的高低，比值越大，灵敏度越高。,22,2.4.1 光电导型光探测器 特性, 伏安特性,在一定的光照下，光电流 I与所加电压的关系,光敏电阻为纯电阻，符合欧姆定律，对多数半导体，当 电场强度超过104伏特/厘米 （强光时），不遵守欧姆 定律。硫化镉例外，其伏安特性在100多伏就不成线性了,23,2.4.1 光电导型光探测器 特性, 伏安特性,伏安特性曲线和负载线的交点即为光敏电阻的工作点。,24,2.4.1 光电导型光探测器 特性,光照使光敏电
8、阻发热，使得在额定功耗内工作，其最高使用电压由其耗散功率所决定，而功耗功率又和其面积大小、散热情况有关。, 伏安特性,25,2.4.1 光电导型光探测器 特性, 温度特性,温度的变化，引起温度噪声，导致其灵敏度、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受温度影响更明显。,26,2.4.1 光电导型光探测器 特性, 时间特性,光照开始时，或光照撤去时，光电导材料中光生载流子数变化情况,弱光条件：,光照开始时（上升情况），t=0，n=0,对应光电导率,解方程得,27,2.4.1 光电导型光探测器 特性, 时间特性,光照撤去时（下降情况）,弱光条件下光电导的
9、变化服从指数变化规律，相当于一阶响应环节。,28,2.4.1 光电导型光探测器 特性, 时间特性,强光条件：,光照开始,撤去光后,29,2.4.1 光电导型光探测器 特性, 时间特性,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。工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重。,1-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,30,2.4.1 光电导型光探测器 特性, 时间特性,亮态前历效应：光敏电阻测试或工作前已处于亮态，
10、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。,31,2.4.1 光电导型光探测器 特性, 光谱特性,相对灵敏度与波长的关系,光谱特性曲线覆盖了整个可见光区，峰值波长在515600nm之间。尤其硫化镉的峰值波长与人眼的很敏感的峰值波长（555nm）很接近,32,红外区光敏电阻的光谱特性,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。,2.4.1 光电导型光探测器 特性, 光谱特性,33,2.4.1 光电导型光探测器 特性, 噪声特性,光敏电阻的主要噪声源：热噪声、产生复合噪声 、1/f 噪声,34,2.4.1 光电导型光探测器 特点, 优点,灵敏度高，光电导增益大于1，工作电流大，无极性之分 光谱响应范围宽，尤其对红外有较高的灵敏度 所测光强范围宽，可测强光、弱光, 缺点,强光下光电转换线性差 光电导弛豫时间长 受温度影响大 由伏安特性知，设计负载时，应考虑额定功耗 进行动态设计时，应考虑光敏电阻的前历效应,Click to edit company slogan .,Thank You !,
