第2章光电技术基础

第2章光电导器件利用具有光电导效应制成电导随入射光度量变化器件，称为光电导器件或光敏电阻。光敏电阻具有体积小，坚固耐用，价格低廉，光谱响应范围宽等优点。广泛应用于微弱辐射信号的探测领域2.1光敏电阻的原理与结构2.1.1光敏电阻的基本原理图2-1所示为光敏电阻的原理图与光敏电阻的符号，在均匀的具有光电导效应的半导体材料的两端加上电极便构成光敏电阻。当光敏电阻的两端加上适当的偏置电压Ubb（如图2-1所示的电路）后，便有电流Ip流过，用检流计可以检测到该电流。2.1.2光敏电阻的基本结构在第1章讨论光电导效应时我们知道，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，根据光敏电阻的设计原则可以设计出如图2-2所示的3种基本结构，图2-2（a）所示光敏面为梳形的结构。材料峰值波长谱宽性能参数CdS光敏电阻0.52umPbS光敏电阻2umInSb光敏电阻3~5μmHg1-xCdxTe4-8um2.1.3典型光敏电阻6---最小可测功率：信噪比为1时的入射信号光功率噪声等效功率（NEP）归一化噪声等效功率11SnSnsnsUUUUsnVUNEPUUS1*1121212()()()SnSnsUUsnUUsvnUNEPUAfSAfAfU器件的信噪比7探测度与比探测度探测度归一化探测度---比探测度11SnSnvUUnUUSDNEPU*121*1()SnvdUUnSDAfNEPU*12/DDcmHzW-1,的单位为W的单位为2.2光敏电阻的基本特性2.2.1光电特性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。e,2qdgΦhl1122,3efbddgqhKl光敏电阻在弱辐射强辐射作用下光敏电阻的电流Ip与作用到光敏电阻上的光照度E的关系曲线在恒定电压的作用下，流过光敏电阻的光电流Ip为EUSUgIgpp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综合弱辐射和强辐射，用指数因子表示光电流与照度的关系，把指数因子叫光电转换因子EUSUgIgpp光电转换因子在弱辐射作用的情况下为1（γ=1），随着入射辐射的增强，γ值减小，当入射辐射很强时γ值降低到0.5。在实际使用时，常常将光敏电阻的光电特性曲线改用如图2-4所示的特性曲线。其中(a)为线性直角坐标系中光敏电阻的阻值R与入射照度EV的关系曲线，而(b)为对数直角坐标系下的阻值R与入射照度EV的关系曲线。如图2-4(b)所示的对数坐标系中光敏电阻的阻值R在某段照度EV范围内的光电特性表现为线性，即（2-2）式中的γ保持不变。γ值为对数坐标下特性曲线的斜率。即1221loglogloglogEERRR1与R2分别是照度为E1和E2时光敏电阻的阻值。2.2.2伏安特性光敏电阻本身为电阻，在电路中满足欧姆定律，但是阻值随光照的变化而变化可以测出在不同光照下加在光敏电阻两端的电压U与流过它的电流Ip的关系曲线，并称其为光敏电阻的伏安特性。2.2.3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2-6所示为典型CdS与CdSe光敏电阻在不同照度下的温度特性曲线。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。2.2.4时间响应当用一个理想方波脉冲辐射照射光敏电阻时，光生电子要有产生的过程，光生电导率Δσ要经过一定的时间才能达到稳定。当停止辐射时，复合光生载流子也需要时间，把这个时间称为光敏电阻的响应时间（惯性）。。光敏电阻的惯性与入射辐射信号的强弱有关，下面分别讨论1.弱辐射作用情况下的时间响应00t≥0t=0对于本征光电导器件在非平衡状态下光电导率Δσ和光电流IΦ随时间变化的规律为)1(/0te)1(/0teII当t=τr时，Δσ=0.63Δσ0，IΦ=0.63IΦe0；τr定义为光敏电阻的上升时间常数停止辐射时，入射辐射通量Φe与时间的关系为00t=0t≥0光电导率和光电流随时间变化的规律为/0te/0teII光敏电阻在弱辐射作用下的上升时间常数τr与下降时间常数τf近似相等。2.强辐射作用情况下的时间响应00t=0t≥0ttanh0tIItanh0当t=τr时，Δσ=0.76Δσ0，IΦ=0.76IΦe0；光电流上升到稳态值的76%所需要的时间为上升时间光电导率和光电流随时间变化的规律为光电导率和光电流的变化规律可表示为/110t/110tII停止辐射时00t=0t≥0当t=τr时，Δσ=0.5Δσ0，IΦ=5IΦe0；光电流下降到到稳态值的50%所需要的时间为下降时间2.2.5噪声特性在一定波长光照下，光电探测输出信号不平直，而是在平均值上下随机起伏，随机起伏的部分称为噪声。光敏电阻的主要噪声：热噪声、产生复合和低频噪声(或称1/f噪声)。1、热噪声：载流子无规则的热运动造成的噪声)(1K4)(202d2NJRfTfI热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度成正比。2、产生复合噪声20202ngr1f)/(4lIqI02ngr4lfIqI半导体受光照，载流子不断生产-复合，在平衡状态，产生复合数相等，但在瞬间，产生复合数是有起伏的，载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏，引起电流电压值得起伏，这中噪声称为产生复合噪声。3、低频噪声（电流噪声）bffbdlIcI212nf这种噪声由于半导体器件表面引起的，噪声功率与频率成反比，故称为1/f噪声。•在几百赫兹以内以电流噪声为主；随着频率的升高产生复合变得明显；频率很高时以热噪声为主。•噪声都与带宽有关，与带宽成正比。2.2.6光谱响应光敏电阻的光谱响应主要由光敏材料禁带宽度、杂质电离能、材料掺杂比与掺杂浓度等因素有关。不同的材料，响应的峰值波长不同光敏电阻应用继电器，电阻，光敏电阻，灯泡可组成简单的光控灯。请各组同学自选型号，实现光控应用。://v.ku6.com/show/Z9boIR0WVc-VuQIyuPHMhQ...html?nr=12.3光敏电阻的变换电路2.3.1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设入射照度为ev，光敏电阻的电流为v2L2)RR(eSRUigbbL偏置电阻RL两端的输出电压为v2LgL2LLLLL)RR(UeSRRiRRRRiRubbLi从上式可以看出，当电路参数确定后，输出电压信号和电流信号与辐射入射辐射量（照度ev）成线性关系。2.3.2恒流电路当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。在简单偏置电路中v2L2)RR(eSRUigbbL光敏电阻自身的阻值已经很高，要满足恒流偏置的条件就难以满足电路输出阻抗的要求稳压管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晶体管恒流偏置电路在晶体管恒流偏置电路中输出电压Uo为RIUUcbbovg2eWoeSRRUu恒流偏置电路的电压灵敏度SV为交变光信号ev2WvgeUUSRSER2.3.3恒压电路利用晶体三极管还可以构成光敏电阻的恒压偏置电路。恒压偏置电路的输出电压为cccoRIEU设入射照度为ev，0cgwvuRSUe由上式可以看出恒压偏置电路的输出信号电压与光敏电阻的阻值无关。例2-1在如图2-13所示的恒流偏置电路中，已知电源电压为12V，Rb为820Ω，Re为3.3kΩ，三极管的放大倍率不小于80，稳压二极管的输出电压为4V，光照度为40lx时输出电压为6V，80lx时为8V。（设光敏电阻在30到100lx之间的值不变）试求：（1）输出电压为7伏的照度为多少勒克司？（2）该电路的电压灵敏度（V/lx）。例2-2在如图2-14所示的恒压偏置电路中，已知DW为2CW12型稳压二极管，其稳定电压值为6V，设Rb=1kΩ，RC=510Ω,三极管的电流放大倍率不小于80，电源电压Ubb=12V，当CdS光敏电阻光敏面上的照度为150lx时恒压偏置电路的输出电压为10V,照度为450lx时输出电压为8V,试计算输出电压为9V时的照度（设光敏电阻在100~500lx间的γ值不变）为多少lx？照度到500lx时的输出电压为多少？2.4光敏电阻的应用实例2.4.1照明灯的光电控制电路如图2-15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2.4.2火焰探测报警器图2-16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。2.4.3照相机电子快门图2-17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。