第3章-半导体光电检测器件及应用课件

1 1第三章第三章 半导体光电检测器件及应用半导体光电检测器件及应用光敏电阻光生伏特器件-光电池光电二极管与光电三极管光热辐射检测器件各种光电检测器件的性能比较2 2光电器件的分类光电器件的分类 一、按工作波段分一、按工作波段分一、按工作波段分一、按工作波段分 紫外光探测器紫外光探测器紫外光探测器紫外光探测器 可见光探测器可见光探测器可见光探测器可见光探测器 红外光探测器红外光探测器红外光探测器红外光探测器 二、按应用分二、按应用分二、按应用分二、按应用分 换能器换能器换能器换能器 将光信息（光能）转换成电信息（电能）将光信息（光能）转换成电信息（电能）将光信息（光能）转换成电信息（电能）将光信息（光能）转换成电信息（电能）非成像型光信息转换成电信息非成像型光信息转换成电信息非成像型光信息转换成电信息非成像型光信息转换成电信息 探测器探测器探测器探测器 变像管变像管变像管变像管成像型成像型成像型成像型 像增强器像增强器像增强器像增强器 摄像管摄像管摄像管摄像管 真空摄像管真空摄像管真空摄像管真空摄像管 固体成像器件固体成像器件固体成像器件固体成像器件CCDCCD3 34 43.1 光敏电阻利用具有光电导效应的材料用具有光电导效应的材料（如（如SiSi、GeGe等本征等本征半导体与杂质半导体，如半导体与杂质半导体，如CdSCdS、CdSeCdSe、PbOPbO）可以可以制成电导率随入射光辐射量变化而变化的器件，这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类器件被称为光电导器件或光敏电阻光敏电阻。结构特点：体积小、坚固耐用、价格低廉、光构特点：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谱响应范围宽，广泛应用于微弱辐射信号的检测技术领域。术领域。5 53.1.1、光敏电阻的结构及工作原理UbbIpI Ip p金属电极金属电极光电导材料光电导材料入射光入射光光敏电阻原理及符号光敏电阻符号工作原理6 6UI Ip p电极电极入射光当入射光子使半导体物质中的电子由价带跃升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，此时可得出光电导负载电阻，可输出电信号，此时可得出光电导g g与光与光电流电流I I光光的表达式为：的表达式为：工作原理g=gL-gdI光=IL-Id7 7工作原理光光光敏电阻按半导体材料的不同可分为敏电阻按半导体材料的不同可分为敏电阻按半导体材料的不同可分为本征型本征型本征型和和和杂质型杂质型杂质型两两两种，本征型半导体光敏电阻常种，本征型半导体光敏电阻常种，本征型半导体光敏电阻常 用于可见光长波段检测，杂质用于可见光长波段检测，杂质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。型常用于红外波段至远红外波段光辐射的检测。型常用于红外波段至远红外波段光辐射的检测。光敏电阻设计的基本原则光光光敏电阻在弱光辐射下光电导灵敏度敏电阻在弱光辐射下光电导灵敏度敏电阻在弱光辐射下光电导灵敏度SgSgSg与光敏电阻两与光敏电阻两与光敏电阻两电极间距离电极间距离电极间距离l l l的平方成的平方成的平方成反比反比反比反比 ，在强辐射作用下，在强辐射作用下，在强辐射作用下SgSgSg与与与l l l的二分之的二分之的二分之三次方成三次方成三次方成反比反比反比反比，因此在设计光敏电阻时，尽可能地缩短光敏，因此在设计光敏电阻时，尽可能地缩短光敏，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。电阻两极间距离。电阻两极间距离。光电流光电流光电流I I Ip p p=SU/LSU/LSU/L8 8光敏电阻的基本结构1 1 1 12 2 2 23 3 3 32 2 2 21-光电导材料；2-电极；3-衬底材料绝缘基底绝缘基底光电导光电导光电导光电导体膜体膜体膜体膜9 9三种形式三种形式梳状式梳状式 玻玻璃璃基基底底上上蒸蒸镀镀梳梳状状金金属属膜膜而而制制成成；或或在在玻玻璃璃基基底底上上面面蚀蚀刻刻成成互互相相交交叉叉的的梳梳状状槽槽，在在槽槽内内填填入入黄黄金金或或石石墨墨等等导导电电物物质质，在在表表面面再再敷上一层光敏材料。如图所示。敷上一层光敏材料。如图所示。绝缘基底光电导体膜1010刻线式刻线式在在玻玻璃璃基基片片上上镀镀制制一一层层薄薄的的金金属属箔箔，将将其其刻刻划划成成栅栅状状槽槽，然然后后在在槽槽内内填填入入光光敏敏电电阻阻材材料料层后制成。其结构如下图所示。层后制成。其结构如下图所示。注意：注意：与梳状式的区别与梳状式的区别1111涂膜式涂膜式在在玻玻璃璃基基片片上上直直接接涂涂上上光光敏敏材材料料膜膜后后而而制制成成。其结构如右下图所示。其结构如右下图所示。2、光敏电阻在电路中的符号、光敏电阻在电路中的符号1212工作性能特点：光谱响应范围相当宽。可见光、红外、远红外、紫外区域光谱响应范围相当宽。可见光、红外、远红外、紫外区域光谱响应范围相当宽。可见光、红外、远红外、紫外区域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。工作电流大，可达数毫安。工作电流大，可达数毫安。工作电流大，可达数毫安。所测光电强度范围宽，既可测弱光，也可测强光所测光电强度范围宽，既可测弱光，也可测强光所测光电强度范围宽，既可测弱光，也可测强光所测光电强度范围宽，既可测弱光，也可测强光 灵敏度高，光电增益可以大于灵敏度高，光电增益可以大于灵敏度高，光电增益可以大于灵敏度高，光电增益可以大于1 1 1 1 无选择极性之分，使用方便。无选择极性之分，使用方便。无选择极性之分，使用方便。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。强光下光电线性度较差，弛豫时间过长，频率特性差。强光下光电线性度较差，弛豫时间过长，频率特性差。强光下光电线性度较差，弛豫时间过长，频率特性差。1313注意：注意：灵敏度与光电增益的区别灵敏度与光电增益的区别（1）灵敏度是光电导体在光照下产生光电导）灵敏度是光电导体在光照下产生光电导能力的大小。能力的大小。（2）增益指在工作状态下，各参数对光电导）增益指在工作状态下，各参数对光电导效应的增强能力。效应的增强能力。材料特性结构参数1414光敏电阻的种类及应用 主要材料：主要材料：主要材料：主要材料：SiSiSiSi、GeGeGeGe、II-VIII-VIII-VIII-VI族和族和族和族和III-VIII-VIII-VIII-V族化合物，以族化合物，以族化合物，以族化合物，以及一些有机物。分紫外光、可见光、红外及远红外及一些有机物。分紫外光、可见光、红外及远红外及一些有机物。分紫外光、可见光、红外及远红外及一些有机物。分紫外光、可见光、红外及远红外敏感的光敏电阻。敏感的光敏电阻。敏感的光敏电阻。敏感的光敏电阻。应用：照相机、光度计、光电自动控制、辐射测应用：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。通信等技术方面制成的光辐射接收器件。15153.1.2、光敏电阻特性参数1、光电特性光光光光敏电阻的光电流敏电阻的光电流敏电阻的光电流敏电阻的光电流I I I I光光光光与输入辐射照度有下列关系式：与输入辐射照度有下列关系式：与输入辐射照度有下列关系式：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，与材料的入射光强弱有关，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/lx1616OI光ECdSCdS的光电特性的光电特性对CdS光电导体，弱光照射下=1，强光下=0.5；为什么？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）和趋势。（冷却可以改善）2、伏安特性（输出特性输出特性）一定光照下，光敏电阻一定光照下，光敏电阻一定光照下，光敏电阻一定光照下，光敏电阻的光电流与所加电压关系的光电流与所加电压关系的光电流与所加电压关系的光电流与所加电压关系即为伏安特性。即为伏安特性。即为伏安特性。即为伏安特性。允许的允许的功耗线功耗线O1010电压电压V/V/V VI光/mA5 510050100lx100lx10lx10lx250mW光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性 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。18183、温度特性 光敏电阻为多数载流子导电的光电器件，具有复光敏电阻为多数载流子导电的光电器件，具有复光敏电阻为多数载流子导电的光电器件，具有复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。杂的温度特性。不同材料的光敏电阻温度特性不同。杂的温度特性。不同材料的光敏电阻温度特性不同。杂的温度特性。不同材料的光敏电阻温度特性不同。书书书书25252525页中图页中图页中图页中图3-53-53-53-5中为中为中为中为CdSCdSCdSCdS和和和和CdSeCdSeCdSeCdSe光敏电阻不同照度光敏电阻不同照度光敏电阻不同照度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导致材下的温度特性曲线。可以看出温度升高可以导致材下的温度特性曲线。可以看出温度升高可以导致材下的温度特性曲线。可以看出温度升高可以导致材料光电导率的下降。实际中往往采用控制光敏电阻料光电导率的下降。实际中往往采用控制光敏电阻料光电导率的下降。实际中往往采用控制光敏电阻料光电导率的下降。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。工作的温度的办法提高工作稳定性。工作的温度的办法提高工作稳定性。工作的温度的办法提高工作稳定性。换换句话说，温度的变化，引起温度噪声，导致光敏电阻灵句话说，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，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。检测领域更为重要。温度特性4、前历效应指指光敏电阻的时间特性与工作前光敏电阻的时间特性与工作前“历史历史”有关的一种现象。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。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：暗态前历效应：指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2121 亮态前历效应：亮态前历效应：亮态前历效应：亮态前历效应：光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度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。与工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象。与工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象。与工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象。前历效应5、频率特性 光光光光敏电阻的时间常数较大，所以其上限频率敏电阻的时间常数较大，所以其上限频率敏电阻的时间常数较大，所以其上限频率敏电阻的时间