第3章,光电导器件

第三章光电导器件1,基本原理：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：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2，基本结构：组成：它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。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）EUSIgp2、伏安特性：50100510)(VV0ELx10Lx100Lx1000)(mAI0在一定的光照下，光电流I光与所加电压Ｕ的关系一定的光照下，Ｉ光与电压Ｕ的关系;相同的电压下，Ｉ光与光照Ｅ的关系（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。3、温度特性：20406080100T501001502000I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。时间响应及其与照度的关系5、噪声特性：2NIflg0躁声f1复合躁声产生热躁声热噪声、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f（2）制冷可降低热噪声（3）恰当的偏置电路，可使信噪比最大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。由基本特性得到的光敏电阻主要参数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。光敏电阻的配置电路3.1基本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ILLbbLRRUI用微变量表示Rd)RR(d2LLbbUI而，dR=d(1/g)=(-1/g)dgdg=SdE因此22gvV2L2LEd)RR(dgbbSRUI设iL=dIL，ev=dEv，则v2L2)RR(eSRUigbbL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vgLbbvgRUeSRRRUeSi将式（3-22）代入式（3-21）得iRRRiLL（3-21）（3-22）（3-20）（3-23）偏置电阻RL两端的输出电压为v2LgL2LLLLL)RR(UeSRRiRRRRiRubb从式（3-24）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。（3-24）3.2恒流电路在简单偏置电路中，当RL»R时，流过光敏电阻的电流基本不变，此时的偏置电路称为恒流电路。然而，光敏电阻自身的阻值已经很高，再满足恒流偏置的条件就难以满足电路输出阻抗的要求，为此，可引入如图3-13所示的晶体管恒流偏置电路。稳压管DW将晶体三极管的基极电压稳定，即UB=UW，流过晶体三极管发射极的电流Ie为ebeWeUIRU（3-25）eRpR图3-13恒压偏置电路在晶体管恒流偏置电路中输出电压Uo为RIUUcbbo求微分得RIUddco将代入（3-27）得v2gEdRdRS（3-27）（3-26）vg2ebeWoddESRRUUU或vg2eWoeSRRUu显然，恒流偏置电路的电压灵敏度SV为g2eWvSRRUS（3-28）（3-29）（3-30）eRpR图3-13恒压偏置电路3.3恒压电路利用晶体三极管很容易构成光敏电阻的恒压偏置电路。如图3-14所示为典型的光敏电阻恒压偏置电路。光敏电阻在恒压偏置电路的情况下输出的电流IP与处于放大状态的三极管发射极电流Ie近似相等。因此，恒压偏置电路的输出电压为cccoRIEU取微分，则得到输出电压的变化量为光敏电阻的应用实例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。它由3部分构成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gJminvSRRIUE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火焰探测报警器图3-18所示为采用光敏电阻为探测元件的火焰探测报警器电路图。PbS光敏电阻的暗电阻的阻值为1MΩ，亮电阻的阻值为0.2MΩ(幅照度1mw/cm2下测试)，峰值响应波长为2.2μm，恰为火焰的峰值辐射光谱。3照相机电子快门图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。VR的变化规律可由电容C的充电规律得到VR=Ubb[1－exp(－t/τ)]式中τ为电路的时间常数τ=（RW2+R）C光敏电阻的阻值R与入射的光照度EV有关gSEgR1当电容C两端的电压UC充电到一定的电位（VR≥Vth）时，电压比较器的输出电压将由高变低，三极管T截止而使电磁铁断电，快门叶片又重新关闭。快门的开启时间t可由下式推出t=（RW2+R）C·lnUbb/Vth