光电传感光导体器件

光电传感技术论文——光电导器件的原理及其应用首先，我们来谈一下什么是光电导器件，要认识这个问题，我们需要清楚一个理论基础，即光电效应，光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两类。外光电效应就是指在光照射下时，电子逸出物体表面的外发射的现象，也称为光电发射效应，基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管等等。而内光电效应是指入射的光强改变物质导电率的物理现象，也成为光电导效应，大多数光电控制应用的传感器，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等等都属于内光电效应类传感器。在这里，基于这种内光电效应的光电器件称为光电导器件。在这里，本文主要由光敏电阻开始讲解，因为光敏二极管以及光敏三极管的各种特性都与光敏电阻的特性相似，这里不做过多的讲解。本文分为主要分为四个部分，光敏电阻的原理与结构、基本特性、光敏电阻偏置电路、应用实例。1.原理与结构物理过程：当光照射到半导体材料上是，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。如下图就是电子跃迁时的理想模型。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小。下图就是光敏电阻工作原理图，通过观察电流表可以验证光敏电阻的导电能力的变化。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。对于本征型光敏电阻，一般在室温下工作，用来检测可见光和近红外辐射，常见的材料有硫化镉、锑化铟、硫化铅、碲镉汞等。对于非本征型光敏电阻，通常在低温条件下工作，常用语中、远红外辐射探测，常见的材料有锗掺汞、锗掺铜、锗掺锌、硅掺砷等。上图是一些常见的光电探测器件2.基本结构组成：它是由一块涂在绝缘基地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。上图即为光敏电阻的一般结构光敏电阻还有各种形状，比如梳型结构，蛇形结构，刻线式结构。下图是这三种形状的结构示意图：这里对梳型光敏电阻作一个仔细的了解，下图是梳状光敏电阻的结构：这里提问光敏电阻光敏面为何要做成梳型？这里是因为能级之间跃迁的影响，不同波长的光子具有的能量不同；而一个电子只能吸收一个光子，电子吸收光子后能不能从不导电转化成可以导电的电子，取决于光子的能量，而产生的可以导电的电子的多少则决定了光敏电阻的阻值，因此，光波长也就影响了光电阻的阻值。而且，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。3.基本特性（1）光电特性强光下，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）由此可以验证光电流与照度的关系：Ip=USgEy上式中，Ip为光电流，U为电压，Sg为光电导灵敏度，E为照度，y为光照指数。这里y的大小也有区别，在弱光时，Ip与照度E成线性关系，y=1；在强光是，光电流与照度成抛物线，y=0.5。（2）伏安特性上图是在一定的关照下，光电流Ip与所加电压U的关系在一定的光照下，Ip与电压U的关系：Ip越大，U越大。在相同的电压下，Ip与光照E的关系：E越大，Ip越大。这里有几点说明：1）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。2）光照使光敏电阻发热，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。3）伏安特性曲线和负载线的交点即为光敏电阻的工作点。4）分析光敏电阻要从有光照、无光照和光照强弱程度来进行分析考虑。（3）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。（4）时间响应时间特性与光照度、工作温度有明显的依赖关系。从上图中可以看出，当光照度越强是，光敏电阻到达最大光电流的时间响应越小。（5）噪声特性热噪声、产生复合噪声、1/f噪声与调制频率的关系1）红外：减小温漂，使信号放大，可调制较高的f2）制冷可降低热噪声3）恰当的偏置电路，可使信噪比最大（信噪比是描述信号中有效成分与噪声成分的比例关系参数）（6）光谱特性：相对灵敏度与波长的关系可见光区光敏电阻的光谱特性：光谱特性曲线覆盖了整个可见光区，峰值波长在515～600nm之间。尤其硫化镉的峰值波长与人眼（380～780nm）的很敏感的峰值波长（555nm）是很接近的，因此可用于与人眼有关的仪器，例如照相机、照度计、光度计等。下面是由基本特性得到的光敏电阻的主要参数：1）亮电阻（kΩ）：指光敏电阻器受到光照射时的电阻值。2）暗电阻(MΩ)：指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时的电阻值。3）最高工作电压(V)：指光敏电阻器在额定功率下所允许承受的最高电压4）亮电流：指光敏电阻器在规定的外加电压下受到光照射时所通过的电流。5）暗电流(mA)：指在无光照射时，光敏电阻器在规定的外加电压下通过的电流。6）时间常数（s）：指光敏电阻器从光照跃变开始到稳定亮电流的63％时所需的时间。7）电阻温度系数：指光敏电阻器在环境温度改变1℃时，其电阻值的相对变化。8）灵敏度：指光敏电阻器在有光照射和无光照射时电阻值的相对变化。3.光敏电阻的偏置电路设在某照度Ev下，光敏电阻的阻值为R，电导为g，流过偏置电阻RL的电流为ILIL=UbbR+RL用微变量表示而，dR=d(1/g)=(-1/g2)dg,dg=SgdEv因此设iL=dIL，eV=dEv，则（1）加在光敏电阻上的电压为R与RL对电压Ubb的分压，即UR=R/(R+RL)Ubb,因此，光电流的微变量为（2）将式（2）代入式（1）得偏置电阻RL两端的输出电压为Rd)RR(d2LLbbUIV2L2LEd)RR(dgbbSRUIv2L2)RR(eSRUigbbLvgLbbvgRUeSRRRUeSiiRRRiLL（3）从式（3）可以看出，当电路参数确定后，输出电压信号与弱辐射入射辐射量（照度eV）成线性关系。4.实用实例（1）照明灯的光电控制电路如图3-17所示为一种最简单的由光敏电阻作光电敏感器件的照明灯光电自动控制电路。它是有三部分构成的：半波整流滤波电路、测光与控制的电路、执行电路。设使照明灯点亮的光照度为EV，继电器绕组的直流电阻为RJ，使继电器吸合的最小电流为Imin，光敏电阻的光电导灵敏度为Sg，暗电导go=0，则显然，这种最简单的光电控制电路还有很多缺点，还需要改进。在实际应用中常常要附加其他电路，如楼道照明灯常配加声控开关或微波等接近开关使灯在有人活动时照明灯才被点亮；而路灯光电控制器则要增加防止闪电光辐射或人为的光源（如手电灯光等）对控制电路的干扰措施。（2）照相机电子快门v2LgL2LLLLL)RR(UeSRRiRRRRiRubbgJminvSRRIUE图3-19所示为利用光敏电阻构成的照相机自动曝光控制电路，也称为照相机电子快门。电子快门常用于电子程序快门的照相机中，其中测光器件常采用与人眼光谱响应接近的硫化镉(CdS)光敏电阻。照相机曝光控制电路是由光敏电阻R、开关K和电容C构成的充电电路，时间检出电路(电压比较器)，三极管T构成的驱动放大电路，电磁铁M带动的开门叶片（执行单元）等组成。在初始状态，开关K处于如图所示的位置，电压比较器的正输入端的电位为R1与RW1分电源电压Ubb所得的阈值电压Vth（一般为1~1.5V），而电压比较器的负输入端的电位VR近似为电源电位Ubb，显然电压比较器负输入端的电位高于正输入端的电位，比较器输出为低电平，三极管截止，电磁铁不吸合，开门叶片闭合。当按动快门的按钮时，开关K与光敏电阻R及RW2构成的测光与充电电路接通，这时，电容C两端的电压UC为0，由于电压比较器的负输入端的电位低于正输入端而使其输出为高电平，使三极管T导通，电磁铁将带动快门的叶片打开快门，照相机开始曝光。快门打开的同时，电源Ubb通过电位器RW2与光敏电阻R向电容C充电，且充电的速度取决于景物的照度，景物照度愈高光敏电阻R的阻值愈低，充电速度愈快。