半导体光电器件第5章

5.2.3 几种典型的光敏电阻器
17
5.2.1 工作原理及结构
(1)
工作原理
半导体材料受到光照时会产生电子－空穴对，使其导电
性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变 化的现象，称为光电导效应。 基于光电导效应的光电器件称为光敏电阻。
18
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，光电导响应的长波限：
39
光敏电阻适于作为 (
B
)
知识巩固
A、光的测量元件 B、光电导开关元件 C、加热元件 D、发光元件
表达式
Ri di i dp p
单位
安 /瓦
Ru
du u dp p
伏/瓦
安 /瓦 安 /瓦
R
Rf
i P
if p

h R q
SNR i 1
NEP Ps
瓦 厘米· 赫 兹1/2/瓦
比探测度
与噪声等效功率成倒数
D* Af / NEP
15
对光电探测器的要求
光电流与光照度的关系：
i KUE

γ是照度指数，其值约在0.5-1.0之间。
在弱光照(10-1-1031x)条件下，通常可取γ＝1。
i E
26
(4) 伏安特性
10
I (mA)
1000 Lx
100 Lx
在一定的光照下，光电流 I光 与所加电压Ｕ的关系。
5
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 ，不遵守欧姆 定 律。硫化镉例外，其伏安特性在100 多伏就不呈线性了。
光敏电阻在电路中的符号
Rp
22
5.2.2 光敏电阻的特性参数
(1) 光电流及增益 无光照时流过器件的电流称暗电流， 由入射光引起的电流称光电流。
U
L
电子在外电场作用下向阳极漂移，其寿命为 n ，极间 电子渡越时间为tr，那么在时间 n 内，从阳极输出的电
n 子数目为 。 tr
23
增益可理解为：样品中每产生一个光生载流子所构成 的流入外电路的载流子数。
τn G tr
U G ( n n p p ) 2 L
若 G>1, 即单位时间流过器件的电荷数大于器件内光激发 的电荷，从而使电流得到放大。 由上式可知： ① 减小样品长度可以大大提高增益； ② 增加载流子的寿命也可提高增益。
24
(2) 光电导灵敏度
光电导灵敏度定义为光电导 g p 与输入光照度E之比。
光敏电阻器种类：
1）按制作材料分类：多晶和单晶光敏电阻器，还可分为硫化镉 （CdS）、硒化镉(CdSe) 、硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、锑化
铟(InSb) 光敏电阻器等。 2）按光谱特性分类： 可见光光敏电阻器：主要用于各种光电自动控制系统、电子照相机、 光报警等。 紫外光光敏电阻器：主要用于紫外线探测仪器。 红外光光敏电阻器：主要用于天文、军事等领域的自动控制系统。
37
1．CdS和CdSe光敏电阻器 这是两种低造价的可见光光敏电阻器，它们的主要特点 是高可靠性和长寿命，因而广泛应用于自动化技术和摄影 机中的光计量.这两种器件的光电导增益比较高(103－104)， 但响应时间比较长。
2．PbS光敏电阻器 这是一种性能优良的近红外光敏电阻器，其波长响应范 围在1-3μm，峰值响应波长为2.1um，暗电阻大约为1MΩ， 响应时间约200μs，室温工作时能提供较大的电压输出。它 广泛应用于遥感技术和各种武器的红外制导技术。
us un
于是有： NEP P th
in is is in Ps Ps Ri is Ri is SNRi ( SNR )
i
1
NEP越小，探测器的探测能力越强
13
六、探测度D与比探测度D*
探测度D定义为噪声等效功率的倒数
1 D (瓦1 ) NEP
D描述器件在单位输入光功率下输出的信号信噪比， D值大 的探测器表明其探测力强。
di i dP P du u Ru dP P Ri
(线性区内) (安/瓦) (线性区内) (伏/瓦)
有些教材 采用微安 /流明
R i和R u分别称为积分电流和积分电压灵敏度，i和u称为电表 测量的电流、电压有效值。
8
二、光谱响应度Rλ
光电探测器件的响应度随波长而变化，若使用波长为λ 的单色辐射源，则称为单色灵敏度，用Rλ表示。
30
不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频 率特性也就不尽相同。
31
(7) 光谱响应特性 光敏电阻对各种光的响应灵敏度随入射光的波长变化而 变化的特性称为光谱响应特性。
32
(8) 温度特性 光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻 和灵敏度都下降。 温度系数:

R2 R1 100%C 1 (T2 T1 ) R2
fc
1 2
11
四、量子效率
量子效率：在某一特定波长上，每秒钟内产生的光 电子数与入射光子数之比。 对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子， =1， 实际上， <1。 量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。
I s / q hcIs hc ( ) R P / h qP q
1.24 c hC / Eg (μm) Eg (eV)
可用来检测可见光和近红外辐射。
本征光电导探测器的材料主要有CdS、CdSe、PbS、 PbSe、PbTe、 HgCdTe等。
19
对于非本征型可以检测波长很长的辐射
1.24 c hC / Eg (μm) Ei (eV)
杂质激活能
- 能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/电信号的转换 - 足够高的响应度，对一定的入射功率能输出足够大的光电流 - 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响
- 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真
- 具有较小的体积、较长的工作寿命等
16
5.2 光敏电阻
5.2.1 光敏电阻的工作原理及结构 5.2.2 光敏电阻的特性参数
在一定光照下，温度每变化1℃， 光敏电阻阻值的平均变化率
硫化镉光敏电阻的温度特性
33
温度对光谱特性的影响 随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此， 采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。
硫化铅光敏电阻的光谱温度特性
34
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。
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。
（1）如何衡量一个光电探测器的质量好坏？ （2）选择一个好的光电探测器需要注意哪些关键指标？
7
5.1 光电探测器的性能参数
一、响应度R（积分灵敏度）
响应度也常称作灵敏度，是光电探测器光电转换特性、光电 转换的光谱特性以及频率特性的量度。 光电流i(或光电压u)和入射光功率P之间的关系i＝f (P)，称为 探测器的光电特性。 灵敏度R定义为这个曲线的斜率，即
38
3．InSb光敏电阻器 是一种良好的中红外光敏电阻器，它虽然也能在室温 下工作，但噪声较大。温度降到77K时，峰值响应波长为 5μm，它与PbS光敏电阻器显著的不同在于：内阻低(大约 50Ω)，而响应时间短(大约50×10-9s)，因而适用于快速红 外信号探测。 4．HgxCd1-xTe光敏电阻器 这是一种化合物本征型光敏电阻器，它是由HgTe和 CdTe两种材料混在一起的固溶体，其禁带宽度随组分x呈 线性变化，当x＝0.8时，响应波长为8-14μm。内阻低，光 电流增益约为500，广泛用于10.6 μm的CO2激光探测。
探测器光敏面积A和测量带宽Δf对D值影响很大。
定义
D * D Af
(cm Hz / W)
1 2
称为比探测度（归一化探测度）。 D*大的探测器其探测能力一定好。 14
光电探测器的性能参数
参数
响应度 光谱响应度 频率响应度 量子效率 噪声等效功率
物理描述
光电转换特性的量度 对某一波长光电转换的量度 电流随调制频率变化的量度 单位时间内产生的平均光电 子数与入射光子数之比 单位信噪比时的信号光功率
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
35
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，应考虑光敏电阻的前历效应
36
5.2.3 几种典型的光敏电阻器
作用与应用——广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控制电 路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的亮度自动调节，照 相机的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。
0 50
10 Lx E 0 0 P=
100
V (V )
光敏电阻的伏安特性曲线
（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，而耗散功率又和其面积大小、散热情况有关。
27
(5) 前历效应 测试前光敏电阻所处状态对光敏电阻特性的影响。 暗态前历效应：指光敏电阻测试或工作前处于暗态， 当它突然受到光照后光电流上升的快慢程度。工作电压越 低，光照度越低，则暗态前历效应就越严重。
gp gpA Sg E Φ Φ A
gp
g p ：光电导（西门子S）
E ： 照度（勒克斯lx）
：入射通量（流明lm)
注意：灵敏度与光电增益的区别 材料特性 （1）灵敏度是光电导体在光照下产生光电导能力的大小。 （2）增益指在工作状态下，各参数对光电导效应的增强能力。 结构参数