光电检测 第五章 光电导器件

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1、,第五章 光电导器件,光电导器件是利用半导体材料的光电导效应制成的一种光电探测器件。 光电导效应是半导体材料的一种体效应，无需形成PN结，故又常称为无结光电探测器。 这种器件在光照下会改变自身的电阻率，光照越强，器件自身的电阻越小，因此常常又称为光敏电阻或光导管。 常用的光敏电阻有CdS、CdSe 、PbS等。其中CdS是工业应用最多的，PbS主要用于军事装备。,5.1 光敏电阻的工作原理,第 五 章光 电 导 器 件,本章内容,5.1 光敏电阻的工作原理,5.2 光敏电阻的主要特性参数,5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声,5.4 光敏电阻的特点和应用,作业：4-1，4-2，4-3，4-4，4-

2、5,5.4 光敏电阻的特点和应用,第 五 章光 电 导 器 件,5.1 光敏电阻的工作原理,5.1 光敏电阻的工作原理,第 五 章光 电 导 器 件,5.1.1 光敏电阻的结构和分类,5.1.2 光敏电阻的工作原理,返回,5.2 光敏电阻的主要特性参数,5.2 光敏电阻的主要特性参数,第 五 章光 电 导 器 件,5.2.1 光电导灵敏度,5.2.2 光电导增益,5.2.3 量子效率,5.2.4 光谱响应率与光谱响应曲线,5.2.5 响应时间和频率特性,5.2.6 光电特性和值,5.2.7 前历效应,5.2.8 温度特性,返回,5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声,5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声

3、,第 五 章光 电 导 器 件,5.3.1 偏置电路,5.3.2 噪声等效电路,5.3.3 光敏电阻的变换电路,返回,5.4 光敏电阻的特点和应用,5.4 光敏电阻的特点和应用,第 五 章光 电 导 器 件,5.4.1 光敏电阻的特点,5.4.2 光敏电阻使用时的注意事项,5.4.3 常见光敏电阻,5.4.4 光敏电阻的应用,返回,光敏电阻的结构和分类,光敏电阻是用光电导体制成的光电器件,又称光导管,其工作原理与符号如图所示。,5.1 光敏电阻的工作原理,第 五 章光 电 导 器 件,5.1 光敏电阻的工作原理,第 五 章光 电 导 器 件,PGM5* series 环氧树脂封装,光敏电阻是在

4、一块均质光电导体两端加上电极,贴在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而成的。如图所示为实际的环氧树脂封装的PGM5系列光敏电阻的外形。,光敏电阻分为两类:本征型光敏电阻 掺杂型光敏电阻从理论上说，P型、N型半导体均可制成,5.1 光敏电阻的工作原理,第 五 章光 电 导 器 件,光敏电阻，但由于电子的迁移率比空穴大，而且用N型半导体材料制成的光敏电阻性能较稳定,特性较好,故目前大都使用N型半导体光敏电阻。,返回,光敏电阻的工作原理,光敏电阻没有极性,纯粹 是一个电阻器件,使用时两电 极可加直流电压,也可加交流电压。,5.1 光敏电阻的工作原理,第 五 章光

5、电 导 器 件,无光照时,光敏电阻的阻值很大,电路中电流很小。当光电导体上加上电压,无光照时光电导体具有一定的热激发载流子浓度,其相应的暗电导率为,式中：q为电子或空穴的电荷量；n0和p0分别为电子和空穴的浓度；n和pn分别为电子和空穴在外电场E作用下的迁移率，表示为,5.1 光敏电阻的工作原理,第 五 章光 电 导 器 件,式中，U是端电压，L是电压方向半导体的长度，vn和vp是载流子漂移的速度。,受光照时,由光照产生的光生载流子迅速增加,它的阻值急剧减少。在外电场作用下光生载流子沿一定方向运动,在电路中形成电流,光生载流子越多电流越大。,5.1 光敏电阻的工作原理,第 五 章光 电 导 器

6、 件,(5-2),产生的光生载流子浓度用n和p表示。则光照稳定情况下的电导率为,得到由于光照变化的电导率为,5.1 光敏电阻的工作原理,第 五 章光 电 导 器 件,式中,b=n/p为迁移比。,(5-3),其中,g为载流子产生率,为载流子寿命。若入射的光功率为s，载流子产生率与光功率的关系为,5.1 光敏电阻的工作原理,第 五 章光 电 导 器 件,在恒定的光照下,光生载流子不断产生,也不断复合。当光照稳定时,光生载流子的浓度为,式中,为量子效率,V为材料体积。,(5-4),在电场强度的作用下,短路光电流密度为,5.1 光敏电阻的工作原理,第 五 章光 电 导 器 件,由于光照的增加,电导率增

7、加了,光电流也增加了。,(5-5),5.1 光敏电阻的工作原理,第 五 章光 电 导 器 件,也可以推导出光电流随半导体电导率变化的公式。,式中:L光电导体长度;A光电导体横截面面积。,若无光照时,如图所示光敏电阻的暗电流为,在光辐射作用下,假定每单位时间产生N个电子-空穴对，它们的寿命分别为n和p，那么,由于光辐射激发增加的电子和空穴浓度分别为,5.1 光敏电阻的工作原理,第 五 章光 电 导 器 件,于是,材料的电导率增加了=q（nn+pp）,则称为光电导率。,5.1 光敏电阻的工作原理,第 五 章光 电 导 器 件,由式(5-6)知道,光敏电阻的光电流Ip与L的平方成反比。,(5-6),

8、由光电导率引起的光电流为,因此在设计光敏电阻时为了既减小电极间的距离L,又保证光敏电阻有足够的受光面积,一般采用如图所示的几种电极结构。,5.1 光敏电阻的工作原理,第 五 章光 电 导 器 件,返回,光电导灵敏度,按灵敏度定义(响应量与输入量之比),可得光电导灵敏度Sg为,5.2 光敏电阻的主要特性参数,第 五 章光 电 导 器 件,其中，gp称为光敏电阻的光电导，单位为西门子S(-1);E为照度,单位为勒克斯(lx)。gp可表示为,(5-7),或,注意以上两式中Sg单位不同。,5.2 光敏电阻的主要特性参数,第 五 章光 电 导 器 件,若考虑暗电导产生的电流时,则流过光敏电阻的电流为,式

9、中，Ip为亮电流；ID为暗电流：gd为暗电导：gp为亮电导。所以若考虑暗电流时，光敏电阻的光电导为,(5-8),返回,光电导增益,光电导增益M是光敏电阻的一个重要特性参数,它表示长度为L的光电导体两端加上电压以后,由光照产生的光生载流子在电场作用下所形成的外部光电流与光电子形成的内部电流(qN)之间的比值。,5.2 光敏电阻的主要特性参数,第 五 章光 电 导 器 件,(5-9),由式(5-6)得,式中,5.2 光敏电阻的主要特性参数,第 五 章光 电 导 器 件,Mn称为光敏电阻中电子的增益系数。tn为电子的漂移时间。,Mp为光敏电阻中空穴的增益系数。 tp为空穴的漂移时间。,同理,如果把1

10、/tn和1/tp之和定义为1/tdr.,即,5.2 光敏电阻的主要特性参数,第 五 章光 电 导 器 件,式中,tdr称为载流子通过极间距离L所需要的有效渡越时间,于是,在半导体中,电子和空穴的寿命是相同的,都可用载流子的平均寿命来表示,即=n=p,则本征型光敏电阻的增益可写成,返回,量子效率,光电导器件的量子效率,表示输出的光电流与入射光子流之比。,5.2 光敏电阻的主要特性参数,第 五 章光 电 导 器 件,这是个无量纲的量,它表示单位时间内每入射一个光子所能引起的载流子数。,假设入射的单色辐射功率()能产生N个光电子,则量子效率,如图所示分别为硅和锗的量子效率与波长的关系曲线。,5.2

11、光敏电阻的主要特性参数,第 五 章光 电 导 器 件,返回,光谱响应率与光谱响应曲线,因为通常入射光的单位以瓦或流明数表示,量子效率在实际应用上很不方便。一般用安/瓦为单位的光谱响应率来表征光敏电阻的特性。光谱响应率表示在某一特定波长下,输出光电流(或电压)与入射辐射能量之比。 输出光电流表示为,5.2 光敏电阻的主要特性参数,第 五 章光 电 导 器 件,(5-11),则光谱响应率为,5.2 光敏电阻的主要特性参数,第 五 章光 电 导 器 件,可以看出,增大增益系数可得到很高的光谱响应率。提高光敏电阻的光谱响应率受到如下因素影响。,(5-12),减小电极间距 集光面积太小，电流太小。延长载

12、流子寿命降低响应速度。,因此在光敏电阻中,增益与响应速度是相互矛盾的两个量。,不同频率时的光谱响应率连接起来就成为光谱响应曲线。图 (a)为本征光电导材料的理想光谱响应曲线。,5.2 光敏电阻的主要特性参数,第 五 章光 电 导 器 件,实际的光谱响应曲线如图 (b)所示.一般情况下峰值靠近长波限,实际定义长波限为峰值一半处所对应的波长。,光谱特性多用相对灵敏度与波长的关系曲线表示。从这种曲线中可以直接看出灵敏范围、峰值波长位置和各波长下灵敏度的相对关系。,5.2 光敏电阻的主要特性参数,第 五 章光 电 导 器 件,返回,响应时间和频率特性,光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流所需要的时间

13、叫响应时间;同样,当光照停止后光电流也是,5.2 光敏电阻的主要特性参数,第 五 章光 电 导 器 件,逐渐消失的。这个过程如图所示,称为光电导弛豫过程。它反映了光敏电阻的惰性。,通常材料突然受光照到稳定状态时,光生载流子浓度的变化规律为,5.2 光敏电阻的主要特性参数,第 五 章光 电 导 器 件,其中,p0为稳态光生载流子浓度。,定义光生载流子浓度上升到稳态值的63%所需的时间称为光敏电阻的上升响应时间。,(5-13),5.2 光敏电阻的主要特性参数,第 五 章光 电 导 器 件,同样,在停止光照后光生载流子浓度的变化为,(5-14),光照停止后,定义光生载流子下降到稳定值的37%时所需的

14、时间为下降时间。上升时间和下降时间相等，都等于载流子寿命,t=。,5.2 光敏电阻的主要特性参数,第 五 章光 电 导 器 件,(5-15),当输入光功率按正弦规律变化时,光生载流子浓度随光调制频率变化的关系为,可见，输出光电流与调制频率的关系具有低通特性。,如图所示，光电导的弛豫特性限制了器件对调制频率高的光信号的响应。许多光电导材料在弱 光时表现为线性光电导， 而在强光时光电导与入射 光功率的平方根成正比。 此时定义上升和下降时间分别为稳态值的76%和50%。,5.2 光敏电阻的主要特性参数,第 五 章光 电 导 器 件,当光敏电阻接收交变调制光(入射光为(t)= ejt)时,随着调制光频

15、率的增加,输出电压会减小。当输出的相对幅值下降至0.707倍(即零频时的信号功率的一半)时,入射光的频率就是该光敏电阻的截止频率f3dB。,5.2 光敏电阻的主要特性参数,第 五 章光 电 导 器 件,(5-16),截止频率表示为,可见,响应时间与响应频率是完全等价的。,5.2 光敏电阻的主要特性参数,第 五 章光 电 导 器 件,返回,如图给出了4种不同材料光敏电阻的频率响应曲线。,对正弦调制光信号用频率响应来描述。,一般对脉冲光信号用响应时间来描述；,光电特性和值,光敏电阻的光电流与入射光通量之间的关系称光电特性, 光电流与入射单色辐射通量之间的关系如下：,5.2 光敏电阻的主要特性参数,第 五 章光 电 导 器 件,当弱光照时、tdr不变,Ip()与()成正比,即保持线性关系。但当强光照时, 与光电子浓度有关, tdr也会随电子浓度变大或出现温升而产生变化,故Ip()与()偏离线性而呈非线性。,一般采用表示光敏电阻的光电特性的公式为,5.2 光敏电阻的主要特性参数,第 五 章光 电 导 器 件,或,式中:Sg光电导灵敏度,与光敏电阻材料有关;U外加电源电压:入射光通量;E入射光照度;照度指数。,(5-17),在弱光照时,值为1,称直线性光电导;在强光照时,值为0.5,则为非线性光电导;一般情况下,值在0.51之间。,5.2 光敏电阻的主要特性参数,