第4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。光敏电阻又称光导管或光电导体第4章光电导器件1.光敏电阻的结构和分类一.光敏电阻的工作原理最典型的光电导器件是光敏电阻。在一块均质光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母或其它绝缘材料基板上，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。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、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、红外遥感等方面。同学们想一想：为什么照相机会在不同光照下自动曝光?为什么路灯能天黑亮而天亮灭？光敏电阻分为两类：本征型光敏电阻和掺杂型光敏电阻。两种类型光敏电阻能带图为减少杂质能级上电子的热激发，常需要在低温下工作。强调:从原理上说，P型、N型半导体均可制成光敏电阻。但是：由于电子的迁移率比空穴大，而且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。EcEvEd∆EEcEvEg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，在电路中形成电流。没有光照:阻值很大，电流较小；有光照:光生载流子增加，阻值减小，电流增加。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。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)(p0n00pnq2.光敏电阻的工作原理])()[(p0n0ppnnq有光照时，具有光生载流子出现，因此当光照稳定时，亮电导率为)()(0pnbqpnqppn迁移比由此可以得到光电导率为gpn00有光照时产生的光生载流子浓度用Δn和Δp表示。光照稳定情况下的载流子浓度为在电场强度的作用下,短路光电流密度为η为量子效率;V为材料体积可以看出:由于光照的增加，电导率增加了，光电流也增加了。τ是什么意思?g为载流子产生率sghVs0p(1)xxJEqbEhVN:单位时间产生的电子-空穴对;寿命分别为?L为光电导体长度A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，材料的电导率增加,增加多少呢?U为所加电压LAnτNΔnLApNp无光照:光敏电阻的暗电流由光电导率引起的光电流结论:光敏电阻的光电流Ip与L的平方成反比0n0p0dqAUnpUAILLnppnnpp2(+)qAUnpUAqNUILLL光电导率ULnp()qnpALR结论:光敏电阻的光电流Ip与L的平方成反比设计光敏电阻时为了减小电极间的距离L，保证光敏电阻有足够的受光面积，一般采用下列结构:二光敏电阻的主要特性参数暗电流: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.流过此电阻的电流.光电流+暗电流=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，称为该光照下的亮电阻,流过此电阻的电流.光敏电阻的特性参数有哪些?光电导灵敏度;光电导增益;量子效率;光谱响应率与光谱响应曲线;响应时间和频率特性;前历效应;光电特性和温度特性等.强调：一般光敏电阻的暗电阻在10MΩ以上，光照后显著降低，亮电阻和暗电阻比值在10-2-10-6之间，比值越小光敏电阻的灵敏度越高。1.光电导灵敏度SggpSgESUIggpp/gp:光电导，单位为西门子S（Ω-1）。E：照度，单位为勒克斯（lx）。Sg:单位为西门子/勒克斯（S/lx）或Sm2/W。gP称为光敏电阻的光电导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式中,I为亮电流；Ip为光电流；Id为暗电流；gd为暗电导；g为亮电导。gUUgESUgEUSUgUgIII)(dgdgdpdp响应量与输入量之比EgSpg所以若考虑暗电流时光敏电阻的光电导为pdggg2.光电导增益pnpp2nn2ppnn2p)(MMLULULUqNIM光电导增益M:表示长度为L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光电流与光电子形成的内部电流(qN)之间的比值nnLUnM2光敏电阻电子增益系数:ppLUpM2空穴增益系数: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，都等于载流子的平均寿命τ，即τ＝τn＝τP，所以本征型光敏电阻的增益系数可写成:npndMMMttnppnnpp2(+)qAUnpUAqNUILLL光电导器件的量子效率η:表示每个入射光子所释放的平均电子数。无量纲:它表示单位时间内每入射一个光子所能引起的载流子数3.量子效率硅和锗光敏电阻的量子效率η-λ的关系曲线假设入射的单色辐射功率φ(λ)能产生N个载流子，则量子效率)(/)()(NhvhvN高增益系数的光敏电阻的电极间距很小，使得光敏电阻集光面积太小,使得光谱响应率1A/W而不实用。延长载流子寿命虽然能提高增益因数，但却降低了响应速度；可见: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4.光谱响应率与光谱响应曲线MhCqthCqhvtqthvqISdrdrdrp)(1)()()()(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。drp)()()(thvqMhvqqNMI输出光电流nn2nLUM5.响应时间和频率特性))exp(1(0tpp光电导材料从光照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。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ΔP0为稳态光生载流子浓度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。)exp(0tpp2202211pgp定义：光生载流子浓度上升到稳态值的63%所需的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光照停止后，光生载流子下降到稳定值的37%时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。输出光电流与调制频率的关系具有低通特性四种不同材料光敏电阻的频率响应曲线1:硒2:硫化镉3:硫化砣4:硫化铅实验证明：当所加电压一定时，光电流和照度关系曲线6.前历效应前历效应：指光敏电阻的响应特性与工作前的“历史”有关的一种现象。前历效应：暗态前历效应、亮态前历效应暗态前历效应：指光敏电阻测试（工作）前处于暗态，当它突然受到光照后所表现出的一些现象?亮态前历效应：指光敏电阻测试（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，达到稳定值所需时间存在滞后现象由低照度变为高照度状态.长?由高照度变为低照度状态.短?现象:暗态前历越长，光电流上升越慢硫化镉光敏电阻的暗态前历效应曲线亮态前历现象测试结果图,其中E2是要达到的照度。1:3min2:1h3:24hγ为照度指数:在弱光照时为1，称线性光电导；在强光照时为0.5，为非线性光电导；一般情况下在0.5～l之间。Sg是光电导灵敏度，它与光敏电阻材料有关；U为外加电源电压；Ф为入射光通量；E为入射光照度；7.光电特性和γ值drpthvqI)()(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敏电阻的光电特性一般用下列关系式决定:USIgp)(UESIgp)(当弱光照时?当强光照时?讨论两种情况:弱光照时:τ和tdr不变，光电流和光照成正比强光照时:τ与光子浓度有关，tdr因电子浓度变大而变化变，光电流和光照呈非线性硫化镉单晶温度特性曲线:硫化镉多晶温度特性曲线:硫化铅光敏电阻在冷却情况下相对光谱灵敏度的变化情况:光敏电阻的温度特性比较复杂，在一定的照度下，亮电阻的温度系数α:12112TTRRR8．温度特性温度对光谱响应也有影响:光谱特性主要决定于材料的禁带宽度，禁带宽度越窄对长波越敏感，但禁带很窄时，半导体中热激发会使自由载流子浓度增加，使复合运动加快，灵敏度降低。式中，R1、R2分别为与温度T1、T2相对应的亮电阻。可见,采取冷却灵敏面的方法,可提高灵敏度。结论:温度低时，灵敏范围和峰值波长都向长波方向移动。一般规定在100lx下测试三光敏电阻的偏置电路和噪声1.偏置电路图中:Rp为光敏电阻，RL为负载电阻，Ub为偏置电压，UL为负载电阻两端电压。ESgRg11ESgggpESRg1dESRdRg2ESRRg2在一定光照范围内光敏电阻阻值不随所加电压改变，而是取决于输入光照E，忽略暗电导时结论：电阻值随光照度的增加而减小RLRPUbIULbpLUIRRbLpLLUURRR实线：不同光照下光敏电阻的伏安特性曲线和负载线。保证：光敏电阻在任何光照下因不因过热而损坏！结论:光通量Φ变化时，流过光敏电阻电流和两端电压都在变。虚线：光敏电阻的极限功耗曲线;光敏电阻的功耗为P=IU，实际使用时要求P=IUPMAX2Lpbg2p)(RRUSRI负载电流和电压的变化近似与光通量的变化Δφ成正比光敏电阻的伏安特性曲线Q1、Q2、Q3为工作点bpLUIRRbLpLLUURRRΔI=?设光通量变化ΔΦ，电阻变化ΔRp，电流变化ΔI？2pgbLL2pL()RSUU=IRRRR定义：负载电流与光敏电阻无关的电路为恒流偏置电路。讨论几种情况:(1).恒流偏置满足条件:RLRP表明:负载电流与光敏电阻无关,近似保持常数I=?RLRPUbIULbLUIR负载电流随着光通量的变化关系式为：p2gbL()RISUR说明：输出信号电流与光敏电阻和负载电阻的比值有关，与偏置电压正比。恒流偏置电路特点优点：电压信噪比高，适用于高灵敏度测量；缺点：负载很大，光敏电阻正常工作的偏置电压达100V，使用起来不方便；可用晶体管实现恒流。定义：光敏电阻上的电压保持不变的电路为恒压偏置电路(2).恒压偏置满足条件:RLRP表明:光敏电阻上的电压近似等于UbUL=?RLRPUbIUL负载上的信号电压为：LgbLUSUR说明：输出信号电压与光敏电阻无关，与电导的相对变化有关。优点：电路需更换光敏电阻时，对电路初始状态影响不明显ggSL0U(3).恒功率偏置满足条件:RL=RP表明:负载匹配时,光敏电阻输出的电功率最大。P=?p21pLRRRRLRPUbIUL注意：当两个光通量相差几个数量级时,相应的光电阻也相差很大,此时想要保持阻抗匹配，是相当困难的。经过分析计算知，当RL=?负载上可以得到最大的电压变化几何平均数（Geometricmean）2bL4UPR例题，若负载电阻RL=1MΩ，光敏电阻的亮电阻为1MΩ，Pmax=0.1W/cm2，当光敏面积为0.01cm2时，求最大偏置电压？解：设光敏电阻的亮电阻为Rg，偏置电压为U,根据题意有2gmaxiRPRLRgUiULgLUiRRmaxgLg()PURRR功率匹配时有RL=Rg，因此有gmax2URP代入已知数有：63.24VU该系列光敏电阻是目前所有探测器中性能最优良和最有前途的光敏电阻。它有CdTe和HgTe两种材料混合而成，Cd的含量不同敏感范围不同。该系列光敏电阻的探测率较低，用的较少。它由PbTe和SnTe两种材料混合而成，Sn的含量不同,峰值波长和长波限也跟着改变。(1).硫化镉(CdS)光敏电阻1.常见光敏电阻及其特点(2).硫化铅(PbS)光敏电阻(3).锑化铟(InSb)光敏电阻(4).碲镉汞系列光敏电阻(5).碲锡铅(PbSnTe)系列光敏电阻峰值波长为0.52微米，是可见光段内最灵敏的光电导器件，主要用于灯控，自动调焦，自动