第2章光电导器件

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下降时间τ 远大于上升时间τ 下降时间 f远大于上升时间 r
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强辐射作用情况下的下降时间远大于上升时间的原因： 强辐射作用情况下的下降时间远大于上升时间的原因： 当停止辐射时， 当停止辐射时，由于光敏电阻体内的光生电子和光生 空穴需要通过复合才能恢复到辐射前的稳定状态， 空穴需要通过复合才能恢复到辐射前的稳定状态，而且随 着复合的进行，光生载流子数密度在减小， 着复合的进行，光生载流子数密度在减小，复合几率在下 所以停止辐射的过度过程要远远大于入射辐射的过程。 降，所以停止辐射的过度过程要远远大于入射辐射的过程。 光敏电阻的暗电阻与其检测前是否被曝光有关， 光敏电阻的暗电阻与其检测前是否被曝光有关，这称 前例效应。 为光敏电阻的前例效应 为光敏电阻的前例效应。 受时间响应的 限制， 限制，光敏电阻的光 照频率必然受到限制， 照频率必然受到限制， 频率特性曲线反应这 种限制。如图PbS频 种限制。如图 频 率特性较好。 率特性较好。
光敏电阻为多数载流子导电的光电器件， 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。 特性。 以室温（ ℃ 以室温（25℃）的相对 光电导率为100%，观测光 光电导率为 ， 敏电阻的相对光电导率随温 度的变化关系， 度的变化关系，可以看出光 敏电阻的相对光电导率随温 敏电阻的相对光电导率随温 度的升高而下降， 度的升高而下降，光电响应 特性随着温度的变化较大。 特性随着温度的变化较大。 这是因为温度越高， 这是因为温度越高，晶格振 动对电流的阻碍就越大。 动对电流的阻碍就越大。
暗电阻和暗电导：室温下， 暗电阻和暗电导：室温下，光敏电阻在全暗时的电阻和电导 gd 亮电阻和亮电导： 亮电阻和亮电导：光敏电阻在一定光照时的电阻和电导 g 光电导： 光电导：光敏电阻由光照产生的电导
gP
Id 亮电流： 亮电流：光照时电阻加上一定的电压所通过的电流 I
暗电流： 暗电流：无光时由热激发产生的载流子形成的电流 光电流： 光电流：由光照产生的电流
γ =0.5→1
gp
Sg
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在对数坐标系 中光敏电阻的阻值R 在某段照度EV范围 内的光电特性近似 表现为线性，即γ保 持不变。则有：
logR1 − logR2 γ= logE2 − logE1
R1与R2分别是照度为E1和E2时光敏电阻的阻值。
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∆σ = ∆σ0e−t /τ
当t=τ时， τ
可推出： 可推出：
上升时： 上升时：∆I 下降时： 下降时：∆I
= ∆I0 (1− e
−t /τ
Δσ =0.63Δσ0 Δ
)
= ∆I0e
−t /τ
上升时间τ 下降时间 载流子寿命 下降时间τ 载流子寿命τ 上升时间 r =下降时间 f=载流子寿命
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MG
光敏 电 阻 器
3 4 5 6 7 8 9
G――光敏电阻器 G――光敏电阻器 4――可见光 4――可见光 5-14――序号 14――序号
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2.2 光敏电阻的基本特性
光敏电阻的基本特性参数包含光电导特性、 光敏电阻的基本特性参数包含光电导特性、时间响 光谱响应、伏安特性与噪声特性等。 应、光谱响应、伏安特性与噪声特性等。 相关概念
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1.弱辐射作用情况下的时间响应
第一章推出（ 第一章推出（见P21）本征光电导器件在非平衡状态下光电导 ） 和光电流I 率∆σ和光电流 Φ随时间变化的为： 和光电流 随时间变化的为：
T<0 Φ=0 T≥0 Φ=Φ0 T<0 Φ=Φ0 T≥0 Φ=0
∆σ = ∆σ0 (1− e−t /τ )
符号
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2.1 光敏电阻的原理与结构
本征型光敏电阻
hγ > Eg
杂质型光敏电阻
hγ > Ec − Ed
光照越强电阻越？ 光照越强电阻越？
本征半导体常用于可见光 波段测量 杂质半导体常用于红外波 段测量
hγ > EV − EA
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光敏电阻的基本结构
2012.1贾湛制作
第2章 光电导器件
主讲：扬州职业大学 电子工程系 贾湛
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光电导效应——某些物质吸收了光子的能量 光电导效应
产生本征吸收或杂质吸收， 产生本征吸收或杂质吸收，从而改变了物质电 导率的现象。 导率的现象。 光电导器件又称光敏电阻（photovaristor）— 光敏电阻（ 光敏电阻 ） —利用具有光电导效应的材料制成电导随入射 光度量变化器件。 光敏电阻材料：硅、锗等本征半导体与杂质半 导体，硫化镉、硒化镉、氧化铅等。
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PbS CdS 硒光敏电阻 TeS
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5.噪声特性 5.噪声特性
光敏电阻的主要噪声有热噪声、产生复合和低频噪声 或 光敏电阻的主要噪声有热噪声、产生复合和低频噪声(或 噪声)。 称1/f噪声 。 噪声 由光敏电阻内载流子的热运动产生的噪声。 1、热噪声 ——由光敏电阻内载流子的热运动产生的噪声。 由光敏电阻内载流子的热运动产生的噪声 2、产生复合噪声——载流子产生 复合的平均数是一定 载流子产生-复合的平均数是一定 产生复合噪声 载流子产生 的，但某一瞬间起伏引起半导体电导率的起伏，从而使 但某一瞬间起伏引起半导体电导率的起伏， 输出电流或电压值起伏，引入的噪声。 输出电流或电压值起伏，引入的噪声。 3、低频噪声（电流噪声） ——由于光敏层内微粒的不 低频噪声（电流噪声） 由于光敏层内微粒的不 均匀，或体内存有杂质而产生微火花放电引起电爆脉冲。 均匀，或体内存有杂质而产生微火花放电引起电爆脉冲。 它与调制频率成反比。 它与调制频率成反比。
弱光照下
Sg =
ηqτµλ dg = dΦe,λ hcl2
1 2
与电极间距 平方成反比
与电极间距3/2次方 与电极间距3/2次方 成反比， 成反比，与光通量 有关且是非线性的
强光照下
1 dg 1 ηbd −2 Φ = qµ Sg = hνK l3 e,λ dΦe,λ 2 f
I P = I − Id
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1. 光电特性
光敏电阻的光电流与光照度之间的关系称为光电特性。 光敏电阻的光电流与光照度之间的关系称为光电特性。 强光照下 弱光照下
dg ηqτµλ = Sg = dΦe,λ hcl2
光照越强电阻越？ 光照越强电阻越？
I p = g pU = Sg EU
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光敏电阻分类
紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、 紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉 光敏电阻器等，用于探测紫外线。 光敏电阻器等，用于探测紫外线。 红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。 红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化 铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触 铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、 测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、 测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学 研究和工农业生产中。 研究和工农业生产中。 可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、 可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、 砷化镓、 硫化锌光敏电阻器等。 砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光 电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他 电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、 照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置， 照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上 的自动保护装置和“位置检测器” 的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测 照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器， 器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光 电跟踪系统等方面。 电跟踪系统等方面。
因为增大受光面 积，可以提高光 电导； 电导；减小两极 间距离ｌ 间距离ｌ可以提 高光电灵敏度。 高光电灵敏度。 所以就将光敏电 阻的形状制造成 蛇形。 蛇形。
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光敏电阻的优缺点
光敏电阻优点： 光敏电阻优点：
1.光谱响应相当宽。 光谱响应相当宽。 光谱响应相当宽 2.所测的光强范围宽，即可对强光响应，也 所测的光强范围宽， 所测的光强范围宽 即可对强光响应， 可对弱光响应。 可对弱光响应。 3.无极性之分，使用方便，成本低，寿命长。 无极性之分， 无极性之分 使用方便，成本低，寿命长。 4.灵敏度高，工作电流大，可达数毫安。 灵敏度高， 灵敏度高 工作电流大，可达数毫安。
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（2） PbS(硫化铅)光敏电阻 ——红外区 ） 光敏电阻 红外区
PbS光敏电阻在 光敏电阻在2µm附近的红外辐射的探测灵敏度 光敏电阻在 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。 很高，因此，常用于火灾的探测等领域。
锑化铟)光敏电阻 （3）InSb(锑化铟 光敏电阻 ） 锑化铟 光敏电阻——红外区 红外区
光敏电阻缺点： 光敏电阻缺点：
强光照射下线性较差，频率特性也较差。 强光照射下线性较差，频率特性也较差。
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3.典型光敏电阻 3.典型光敏电阻
硫化镉)光敏电阻 （1） CdS(硫化镉 光敏电阻 ——可见光区 ） 硫化镉 可见光区
CdS光敏电阻的峰值响应波长为 光敏电阻的峰值响应波长为0.52μm，CdSe 光敏电阻的峰值响应波长为 μ ， (硒化镉 光敏电阻为 硒化镉)光敏电阻为 的比例， 硒化镉 光敏电阻为0.72μm，一般调整 和Se的比例， μ ，一般调整S和 的比例 可使Cd（ ， ） 可使 （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。亮暗电导比可达1011，一般为 μ 范围内。亮暗电导比可达10 范围内 106 被广泛地应用于灯光的自动 广泛地应用于灯光的自动 控制，照相机的自动测光等。 控制，照相机的自动测光等。