第3章-半导体光电检测器件及应用

第3章半导体光电检测器件及应用3.1光敏电阻光敏电阻是光电导型器件。光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫化镉（CdS），锑化铟（InSb）等。特点：光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）；偏置电压低，工作电流大；动态范围宽，既可测强光，也可测弱光；光电导增益大，灵敏度高；无极性，使用方便；在强光照射下，光电线性度较差光电驰豫时间较长，频率特性较差。•光敏电阻(LDR)和它的符号：符号3.1.1光敏电阻的结构及其工作原理光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。工作机理：当入射光子使半导体中的电子由价带跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。入射光pR光敏电阻在电路图中的符号本征型和杂质型光敏电阻本征型光敏电阻：当入射光子的能量等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg时，激发一个电子－空穴对，在外电场的作用下，形成光电流。杂质型光敏电阻：对于Ｎ型半导体，当入射光子的能量等于或大于杂质电离能ΔE时，将施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外电场的作用下，形成光电流。本征型用于可见光长波段,杂质型用于红外波段。价带导带电子空穴Eg价带导带电子空穴ΔＥ施主光电导与光电流光敏电阻两端加电压（直流或交流）．无光照时，阻值（暗电阻）很大，电流（暗电流）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值（亮电阻）急剧减少．在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成光电流（亮电流）。光电流：亮电流和暗电流之差：I光=IL-Id光电导：亮电流和暗电流之差：g=gL-gd无光照，暗电导率：光照下电导率：pnqpqn000pnpqnqpppnnn00光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。光电流与光照强度／电阻结构的关系。其中，附加光电导率,简称光电导：光电导相对值：要制成附加光电导相对值高的光敏电阻应使p0和n0小，因此光敏电阻一般采用禁带宽度大的材料或在低温下使用。pnpqnq00000()npnpnpnpnpnnpnp当光照稳定时，光生载流子的浓度为：无光照时，光敏电阻的暗电流为：光照时，光敏电阻的光电流为：00npg000npdqUAnpUAILL（）LpnqUALAUIpnP)(光敏电阻的基本结构光敏电阻在微弱辐射作用的情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的平方成反比；在强辐射作用的情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的二分之三次方成反比；都与两电极间距离l有关。根据光敏电阻的设计原则可以设计出如图所示的3种基本结构，（a）所示光敏面为梳形的结构。3.1.2光敏电阻特性参数光电特性伏安特性频率特性和时间响应温度特性实际上，光敏电阻在弱辐射到强辐射的作用下，它的光电特性可用在“恒定电压”作用下流过光敏电阻的电流Ip与作用到光敏电阻上的光照度E的关系曲线来描述。光敏电阻在黑暗的室温条件下，由于热激发产生的载流子使它具有一定的电导，该电导称为暗电导。当有光照射在光敏电阻上时，它的电导将变大，这时的电导称为光电导。电导随光照量变化越大的光敏电阻就越灵敏。这个特性称为光敏电阻的光电特性。光电特性——光电流与入射光照度的关系：光电导灵敏度:光电导g与照度E之比.：入射通量光敏面积，:AAgEggS不同波长的光，光敏电阻的灵敏度是不同的。在选用光电器件时必须充分考虑到这种特性。如图所示的特性曲线反应了流过光敏电阻的电流Ip与入射光照度E之间的关系，由图可见它是由直线性渐变到非线性的。在恒定电压的作用下，流过光敏电阻的光电流Ip为：EUSUgIgP式中Sg为光电导灵敏度，E为光敏电阻的照度。显然，当照度很低时，曲线近似为线性；随照度的增高，线性关系变坏，当照度变得很高时，曲线近似为抛物线形。(1)弱光时，γ=1，光电流与照度成线性关系；(2)强光时，γ=0.5，光电流与照度成抛物线；强光照下，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）：外加电压，欧姆接触为电压指数光电导，，照度指数光USUESIgg)1(::)15.0(:光敏电阻随光度量变化的光电特性，可用一个的指数伽玛（γ）来描述，并定义γ为光电转换因子。在弱光照下，光电流与E具有良好的线性关系在强光照下则为非线性关系其他光敏电阻也有类似的性质。光电导增益光电导增益反比于电极间距的平方。量子效率：光电流与入射光子流之比。：电极间距：外加电压，：迁移率，：载流子寿命，量子产额，lbbUlUG:2伏安特性在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所加的电压关系光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，其伏安特性曲线为直线。不同光照度对应不同直线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（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。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。厘米伏410受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能超过最高工作电压，图中虚线为允许功耗曲线由此可确定光敏电阻正常工作电压。光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频率低。只有PbS光敏电阻的频率特性稍好些，可工作到几千赫。另外，光敏电阻时间常数与输入光的照度有关，照度越大，光敏电阻越小，导致弛豫时间越小。例如：E=0.11(lx)时,tr=1.4(s);E=10(lx)时,tr=66(ms);E=1000(lx)时,tr=6(ms)。频率特性光敏电阻的时间响应特性较差材料受光照到稳定状态，光生载流子浓度的变化规律：停止光照，光生载流子浓度的变化为：00(1exp())tppp为稳态光生载流子浓度0exp()tpp响应时间温度特性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。图中所示为典型CdS与CdSe光敏电阻的温度特性曲线。以室温（25℃）的相对光电导率为100%，观测光敏电阻的相对光电导率随温度的变化关系，可以看出光敏电阻的相对光电导率随温度的升高而下降，光电响应特性随着温度的变化较大。温度特性曲线光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。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。温度的变化也会影响光谱特性曲线。例如：硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰值将向短波方向移动。所以，为了提高灵敏度，要采取制冷措施，尤其是红外探测器。因为杂质型半导体极易受温度影响。光敏电阻的特点1、优点：灵敏度高，光电导增益大于1，工作电流大，无极性之分光谱响应范围宽，尤其对红外有较高的灵敏度所测光强范围宽，可测强光、弱光2、不足：强光下光电转换线性差光电导弛豫时间长受温度影响大由伏安特性知，设计负载时，应考虑额定功耗进行动态设计时，应考虑光敏电阻的频率特性光敏电阻参数使用材料：硫化镉（CdS），硫化铅（PbS），锑化铟（InSb），碲镉汞（HgCdTe），碲锡铅（PbSnTe）。光敏面：1-3mm工作温度：-40–80oC温度系数：1极限电压：10–300V耗散功率：100W时间常数：5–50ms光谱峰值波长：因材料而不同，在可见/红外远红外暗电阻：108欧姆亮电阻：104欧姆典型光敏电阻1、硫化镉（CdS）光敏电阻CdS光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率，它在可见光波段范围内的灵敏度最高，因此，被广泛地应用于灯光的自动控制，照相机的自动测光等。CdS光敏电阻的峰值响应波长为0.52μm，CdSe光敏电阻为0.72μm，一般调整S和Se的比例，可使Cd（S，Se）光敏电阻的峰值响应波长大致控制在0.52~0.72μm范围内。2、硫化铅（PbS）光敏电阻PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件。PbS光敏电阻在2μm附近的红外辐射的探测灵敏度很高，因此，常用于火灾的探测等领域。PbS光敏电阻的光谱响应和比探测率等特性与工作温度有关，随着工作温度的降低其峰值响应波长和长波长将向长波方向延伸，且比探测率D*增加。例如，室温下的PbS光敏电阻的光谱响应范围为1~3.5μm，峰值波长为2.4μm，峰值比探测率D*高达1×1011cm·Hz·W-1。当温度降低到（195K）时，光谱响应范围为1~4μm，峰值响应波长移到2.8μm，峰值波长的比探测率D*也增高到2×1011cm·Hz·W-1。3、锑化铟（InSb）光敏电阻InSb光敏电阻是3~5μm光谱范围内的主要探测器件之一。InSb材料不仅适用于制造单元探测器件，也适宜制造阵列红外探测器件。InSb光敏电阻在室温下的长波长可达7.5μm，峰值波长在6μm附近，比探测率D*约为1×1011cm·Hz·W-1。当温度降低到77K（液氮）时，其长波长由7.5μm缩短到5.5μm，峰值波长也将移至5μm，恰为大气的窗口范围，峰值比探测率D*升高到2×1011cm·Hz·W-1。4、Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件是目前所有红外探测器中性能最优良最有前途的探测器件，尤其是对于4~8μm大气窗口波段辐射的探测更为重要。Hg1-xCdxTe系列光电导体是由HgTe和CdTe两种材料的晶体混合制造的，其中x标明Cd元素含量的组分。在制造混合晶体时选用不同Cd的组分x，可以得到不同的禁带宽度Eg，便可以制造出不同波长响应范围的Hg1-xCdxTe探测器件。一般组分x的变化范围为0.18~0.4，长波长的变化范围为1~30μm。光敏电阻的应用基本功能：根据自然光的情况决定是否开灯。基本结构：整流滤波电路；光敏电阻及继电器控制；触电开关执行电路基本原理：光暗时，光敏电阻阻值很高，继电器关，灯亮；光亮时，光敏电阻阻值降低，继电器工作，灯关。照明灯自动控制电路K220V灯常闭CdS3.2.1光电池光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转换成电能的一种器件。PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于PN结上加一个正电压。半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路，则会出现电流（光生电流）。3.2光生伏特器件光电池的结构特点光电池核心部分是一个PN结，一般作成面积大的薄片状，来接收更多的入射光。在N型硅片上扩散P型杂质（如硼），受光面是P型层。或在P型硅片上扩散N型杂质（如磷），受光面是N型层。受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护作用。上电极做成栅状，为了更多的光入射。由于光子入射深度有限，为使光照到PN结上，实际使用的光电池制成薄P型或薄N型。光电池等效电路RdIP为光电池等效电路中的恒流源；Is为光电池等效二极管反向饱和电流；q为电子电荷量；V为光电池输出电压；Rd为光电池等效电路中串联电阻，很小，可以忽略：1)(expdLsPLRIVkTqIII1expkTqVIIIsPL当IL=0时,得到开路电压：当V=0时,得到短路电流：Isc与入射光强度成正比；开路电压Voc与入射光强度的对数成正比。)1ln(sPocIIqkTVSLIIPsc光电池的特性1、伏安特性无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。曲线与电压轴交点称为开路电压VOC，与电流轴交点称为短路电流ISC。光电池伏安特性曲线