第4章光电导器件.ppt

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1、 光电导器件是利用半导体材料的光电导效应制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。成的一种光电探测器。光敏电阻又称光敏电阻又称光导管或光电光导管或光电导体导体第第4 4章章 光电导器件光电导器件1.1.光敏电阻的结构和分类光敏电阻的结构和分类一一.光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理最典型的光电导器件是最典型的光电导器件是光敏电阻。光敏电阻。在一块均质光电在一块均质光电导体两端加上电极，导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母贴在硬质玻璃、云母或其它绝缘材料基板或其它绝缘材料基板上，两端接有电极引上，两端接有电极引线，封装在带有窗口线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内的金属或塑

2、料外壳内而成的而成的。在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。外遥感等方面。同学们想一想：同学们想一想：为什么照相机为什么照相机会在不同光照下自动曝光会在不同光照下自动曝光?为为什么路灯能天黑亮而天亮灭？什么路灯能天黑亮而天亮灭？光敏电阻分为两类光敏电阻分为两类：本征型光敏电阻和掺杂型：本征型光敏电阻和掺杂型光敏电阻。光敏电

3、阻。两种两种类型类型光敏光敏电阻电阻能带能带图图为减少杂质为减少杂质能级上电子能级上电子的热激发，的热激发，常需要在常需要在低低温下工作温下工作。强调强调:从原理上说，从原理上说，P P型、型、N N型半导体均可制成型半导体均可制成光敏电阻光敏电阻。但是：但是：由于电子的迁移率比空穴大，而且由于电子的迁移率比空穴大，而且N N型型半导体材料制成的光敏电阻性能较稳定，特性较半导体材料制成的光敏电阻性能较稳定，特性较好，故目前大都使用好，故目前大都使用N N型半导体光敏电阻。型半导体光敏电阻。EcEvEdEEcEvEg外电场方向外电场方向在外电场的作用下，光生载流子沿一定方向运动，在电路在外电场的

4、作用下，光生载流子沿一定方向运动，在电路中形成电流。没有光照中形成电流。没有光照:阻值很大，电流较小；有光照阻值很大，电流较小；有光照:光生载光生载流子增加，阻值减小，电流增加。流子增加，阻值减小，电流增加。光敏电阻没有极性光敏电阻没有极性，纯粹是一个电，纯粹是一个电阻器件，使用时两电极可加直流电压，阻器件，使用时两电极可加直流电压，也可加交流电压。也可加交流电压。当光电导体上加上电压，无光照时具有热激发载流子，当光电导体上加上电压，无光照时具有热激发载流子，其相应的暗电导率为其相应的暗电导率为)(p0n00pnq2 2.光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理)()(p0n0ppnnq有光照时，

5、具有光生载流子出现，因此当有光照时，具有光生载流子出现，因此当光照稳定时，光照稳定时，亮电导率为亮电导率为)()(0pnbqpnqppn迁移比迁移比由此可以得到光电导率为由此可以得到光电导率为 gpn00 有光照时产生的光生载流子浓度用有光照时产生的光生载流子浓度用n和和p表表示。示。光照稳定情况下的载流子浓度为光照稳定情况下的载流子浓度为在电场强度的作用下在电场强度的作用下,短路光电流密度为短路光电流密度为为量子为量子效率效率;V为为材料体积材料体积可以看出可以看出:由于光照的增加，电导率增加了，由于光照的增加，电导率增加了，光电流也增加了。光电流也增加了。是什么意思是什么意思?g g为载流

6、子产生率为载流子产生率sgh Vs0p(1)xxJEqb Eh VN:单位时间产生的电子单位时间产生的电子-空穴对空穴对;寿命分别为寿命分别为?L L为光电导体长度为光电导体长度A为光电导体横截面面积为光电导体横截面面积 在光辐射作用下，由于光照增加的电子和空穴浓度，在光辐射作用下，由于光照增加的电子和空穴浓度，材料的电导率增加材料的电导率增加,增加多少呢增加多少呢?U为所加电压为所加电压LAnNnLApNp 无光照无光照:光敏电阻的暗电流光敏电阻的暗电流 由光电导率引起的光电流由光电导率引起的光电流结论结论:光敏电阻的光电流光敏电阻的光电流I Ip p与与L L的平方成反比的平方成反比 0n

7、0p0dqAU npUAILLnppnnpp2(+)qAUnpUAqNUILLL 光光电电导导率率ULnp()qnpALR结论结论:光敏电阻的光电流光敏电阻的光电流Ip与与L的平方成反比的平方成反比 设计光敏电阻时为了设计光敏电阻时为了减小电极间的距离减小电极间的距离L L，保证光敏电阻，保证光敏电阻有足够的受光面积有足够的受光面积，一般采用下列结构，一般采用下列结构:二二 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数暗电流暗电流:在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻的电阻值，称为暗电阻.流过此电阻的电流流过此电阻的电流.光电流光电流

8、+暗电流暗电流=亮电流亮电流亮电流亮电流:在室温条件下，光敏电阻在一定照度下的阻值，在室温条件下，光敏电阻在一定照度下的阻值，称为该光照下的亮电阻称为该光照下的亮电阻,流过此电阻的电流流过此电阻的电流.光敏电阻的特性参数有哪些光敏电阻的特性参数有哪些?光电导灵敏度光电导灵敏度;光电导增益光电导增益;量子效率量子效率;光谱响光谱响应率与光谱响应曲线应率与光谱响应曲线;响应时间和频率特性响应时间和频率特性;前历前历效应效应;光电特性和温度特性等光电特性和温度特性等.强调：强调：一般光敏电阻的暗电阻在一般光敏电阻的暗电阻在10M以上，光照以上，光照后显著降低，亮电阻和暗电阻比值在后显著降低，亮电阻和

9、暗电阻比值在10-2-10-6之间，比值越小光敏电阻的灵敏度越高。之间，比值越小光敏电阻的灵敏度越高。1.光电导灵敏度光电导灵敏度SggpSgESUIggpp/gp:光电导光电导，单位为西门子单位为西门子S S（-1-1）。）。E：照度：照度，单位为勒克斯（，单位为勒克斯（lx）。）。Sg:单位为西门子单位为西门子/勒克斯（勒克斯（S/lx）或）或Sm2/W。gP称为光敏电阻的光电导称为光敏电阻的光电导按灵敏度定义按灵敏度定义若考虑暗电导产生的电流时，则流过光敏电阻的电流为若考虑暗电导产生的电流时，则流过光敏电阻的电流为 式中式中,I为亮电流；为亮电流；Ip为光电流；为光电流；Id为暗电流；为

10、暗电流；gd为暗电导；为暗电导；g为亮电导。为亮电导。gUUgESUgEUSUgUgIII)(dgdgdpdp响应量与输响应量与输入量之比入量之比EgSpg所以若考虑暗电流时光敏电阻的光电导为所以若考虑暗电流时光敏电阻的光电导为pdggg2.2.光电导增益光电导增益pnpp2nn2ppnn2p)(MMLULULUqNIM 光电导增益光电导增益M:表示长度为表示长度为L L的光敏电阻两端加上电压的光敏电阻两端加上电压U后，由光照产生的光生载流子在电场作用下所形成的外部后，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光电流与光电子形成的内部电流(qN)之间的比值之间的

11、比值 nnLUnM2光敏电阻光敏电阻电子增益系数电子增益系数:ppLUpM2空穴增益系数空穴增益系数:载流子的渡越时间载流子的渡越时间:在半导体中，电子和空穴的寿命是相同的，都等于载流在半导体中，电子和空穴的寿命是相同的，都等于载流子的平均寿命子的平均寿命，即，即nP，所以，所以本征型光敏电阻本征型光敏电阻的增益的增益系数可写成系数可写成:npndMMMttnppnnpp2(+)qAUnpUAqNUILLL 光电导器件的量子效率光电导器件的量子效率:表示每个入射光子所释放的表示每个入射光子所释放的平均电子数。平均电子数。无量纲无量纲:它表示单它表示单位时间内每入射一个位时间内每入射一个光子所能

12、引起的载流光子所能引起的载流子数子数 3.3.量子效率量子效率 硅和锗光敏电阻的硅和锗光敏电阻的量子效率量子效率-的关系曲线的关系曲线 假设入射的单色辐射功率假设入射的单色辐射功率()能产生能产生N个载流子，则量个载流子，则量子效率子效率)(/)()(NhvhvN 高增益系数的光敏电阻的电极间距很小，使得光敏电高增益系数的光敏电阻的电极间距很小，使得光敏电阻集光面积太小阻集光面积太小,使得光谱响应率使得光谱响应率1A/W1A/W而不实用。而不实用。延长载流子寿命虽然能提高增益因数，但却降低了响延长载流子寿命虽然能提高增益因数，但却降低了响应速度；应速度；可见可见:在光敏电阻中，增益与响应速度是

13、相矛盾的两个量在光敏电阻中，增益与响应速度是相矛盾的两个量 增大增益系数可提高的光谱响应率增大增益系数可提高的光谱响应率4.4.光谱响应率与光谱响应曲线光谱响应率与光谱响应曲线 MhCqthCqhvtqthvqISdrdrdrp)(1)()()()(光谱响应率表示在某一特定波长下，输出光电流光谱响应率表示在某一特定波长下，输出光电流(或电或电压压)与入射辐射能量之比。与入射辐射能量之比。drp)()()(thvqMhvqqNMI输出光电流输出光电流 nn2nLUM5.5.响应时间和频率特性响应时间和频率特性)exp(1(0tpp 光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流需要一定时光电导材料从光照

14、开始到获得稳定的光电流需要一定时间，这个时间叫响应时间。间，这个时间叫响应时间。通常材料突然受光照到稳定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状态时光生载流子浓度的变化规律为律为 P0 0为稳为稳态光生载态光生载流子浓度流子浓度响应时间反映了光敏电阻的惰性，响应时间长响应时间反映了光敏电阻的惰性，响应时间长说明光敏电阻对光的变化反应慢或惰性大。说明光敏电阻对光的变化反应慢或惰性大。)exp(0tpp2202211pgp 定义：定义：光生载流子浓度上升到稳态值的光生载流子浓度上升到稳态值的63%63%所需的所需的时间为上升响应时间时间为上升响应时间停止光照后光生载流子浓度的变化为停

15、止光照后光生载流子浓度的变化为 光照停止后，光生载流子下降到稳定值的光照停止后，光生载流子下降到稳定值的37%37%时时所需的时间为下降时间。所需的时间为下降时间。当输入光功率按正弦规律变化时，光生载流子浓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度随光调制频率变化的关系为 上升时间和下降时间相等，同等于载流子寿命。上升时间和下降时间相等，同等于载流子寿命。输出光电流与输出光电流与调制调制频频率的关系率的关系具有具有低通特性低通特性 四种不同材料光敏电四种不同材料光敏电阻的频率响应曲线阻的频率响应曲线 1:硒硒2:硫化镉硫化镉3:硫化砣硫化砣4:硫化铅硫化铅实验证明：

16、当所实验证明：当所加电压一定时，加电压一定时，光电流和照度关光电流和照度关系曲线系曲线 6.6.前历效应前历效应前历效应：前历效应：指光敏电阻的响应特性与工作前的指光敏电阻的响应特性与工作前的“历史历史”有关的一种现象。有关的一种现象。前历效应：前历效应：暗态前历效应、亮态前历效应暗态前历效应、亮态前历效应暗态前历效应暗态前历效应：指光敏电：指光敏电阻测试（阻测试（工作工作）前处于暗态，）前处于暗态，当它突然受到光照后所表现出当它突然受到光照后所表现出的一些现象的一些现象?亮态前历效应亮态前历效应：指光敏：指光敏电阻测试（电阻测试（工作工作）前已处于）前已处于亮态，当照度与工作时所要亮态，当照度与工作时所要达到的照度不同时，达到稳达到的照度不同时，达到稳定值所需时间存在滞后现象定值所需时间存在滞后现象由低照度变为高由低照度变为高照度状态照度状态.长长?由高照度变为低由高照度变为低照度状态照度状态.短短?现象现象:暗态前历越长，光电暗态前历越长，光电流上升越慢流上升越慢硫化镉光敏电阻的硫化镉光敏电阻的暗态前历效应曲线暗态前历效应曲线 亮态前历亮态前历现象测试结果图现象测试结果图,其中其中