第四章 光电导器件wyzh
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光电导器件分解课件
温度特性
总结词
光电导器件在不同温度下的性能表现。
详细描述
温度特性对于光电导器件的应用至关重要。随着温度的升高 ，光电导器件的响应速度可能会变慢，灵敏度可能会降低。 了解温度特性有助于优化器件性能，提高其在不同环境下的 稳定性。
频率响应特性
总结词
光电导器件在不同频率的光信号下的响应速度。
详细描述
频率响应特性描述了光电导器件在不同频率的光信号下的响应速度。对于高速 光电导器件，其频率响应范围通常较高，能够快速响应变化的光信号。了解频 率响应特性有助于在特定应用中优化光电导器件的性能。
雪崩光电二极管
总结词
雪崩光电二极管是一种高灵敏度的光电导器件，它利用电场中的雪崩倍增效应放大光生 电流。
详细描述
雪崩光电二极管由P型和N型半导体材料构成，其结构类似于普通光电二极管。在强电 场作用下，光生载流子在倍增光电 二极管具有灵敏度高、响应速度快、线性范围宽等优点，广泛应用于高速光信号检测、
03
常见光电导器件介绍
硅光电二极管
总结词
硅光电二极管是一种常用的光电导器件 ，它利用光生载流子原理实现光电转换 。
VS
详细描述
硅光电二极管由P型和N型半导体材料构 成，当光照射在PN结上时，光子能量大 于硅的禁带宽度，产生电子-空穴对，形 成光生电流。硅光电二极管具有响应速度 快、稳定性好、线性范围宽等优点，广泛 应用于光通信、光纤传感、光谱分析等领 域。
频率响应
总结词
频率响应是衡量光电导器件响应速度的参数，它表示 光电导器件对不同频率光信号的响应能力。
详细描述
频率响应是指光电导器件在不同频率光信号下的响应 速度和幅度的变化。频率响应越快，说明光电导器件 对快速变化的光信号响应能力越强，能够适应高速光 信号的探测。在高频光信号下，频率响应决定了光电 导器件的带宽和时间常数等参数，对实时探测和高速 通信等领域具有重要意义。
光电器件的原理与应用
新型材料在光电 器件中的应用
新型材料如钙钛矿、 石墨烯等在光电器件 中的应用将带来新的 突破。随着材料科学 的发展，光电器件的 性能和功能将得到进 一步提升。
光电一体化技术的发展趋势
无缝集成
光电一体化技术 将不断完善，实 现光学和电子器
件的无缝集成
91%
推动应用
光电一体化技术 将推动光电器件 在通信、传感、 光学成像等领域
扩展波长响应范围
适应不同波长的光信号 实现更广泛的应用范围
91%
光电倍增管的未来发展
光电倍增管作为光学信号处理领域的重要组件， 将会在新型材料、工艺及结构设计的推动下不断 创新。未来的光电倍增管将更加高效、稳定，应 用范围也将不断拓展，为光学检测和放大提供更 多可能性。
● 06
第6章 光电器件的未来发展
用于光控制系统中的自动开关
02 传感器
应用在光学传感器中，实现高精度测量
03 光学测量
用于光学设备精确测量
光电晶体管的发展趋势
需求增加
随着光通信、激光雷达技 术发展，光电晶体管需求 持续增加
技术进步
新型材料、工艺和结构设 计推动技术不断进步
应用拓展
满足不同应用场景需求， 应用领域不断拓展
91%
总结
光电二极管的工作原理
光照射
光子激发电子
响应速度
光电二极管是光 电器件中响应速 度最快的器件之
一
91%
电流发生
光子能量激发PN结中电子，形
成电流
光电二极管的特点与优势
01 响应速度快
光电二极管具有快速的信号响应速度
02 灵敏度高
光电二极管具有较高的光敏度
03 工作稳定
光电导器件(光敏电阻)
光电导器件（光敏电阻）
目 录
• 引言 • 光敏电阻的工作原理 • 光敏电阻的种类与特性 • 光敏电阻的应用实例 • 光敏电阻的发展趋势与未来展望 • 结论
01 引言
主题简介
01
光电导器件（光敏电阻）是一种 光电转换器件，其工作原理是利 用光电导效应将光信号转换为电 信号。
02
光电导器件具有灵敏度高、响应 速度快、线性范围宽等优点，广 泛应用于光信号检测、光通信、 自动控制等领域。
光电倍增管
总结词
光电倍增管是一种高灵敏度的光电器件，它通过倍增光电效应产生的微弱电流来提高检测灵敏度。
详细描述
光电倍增管由多个倍增极组成，每个倍增极都具有较高的增益。当光照在光电倍增管的阴极上时，光 生电子被释放并被电场加速到下一个倍增极，在那里再次发生光电效应并释放更多的电子。通过多个 倍增极的连续放大，微弱的光电流被显著放大，从而实现高灵敏度的光电检测。
05 光敏电阻的发展趋势与未 来展望
提高光电转换效率
01
02
03
新型结构设计
通过优化光敏电阻的结构 设计，提高对光的吸收和 利用效率，从而提高光电 转换效率。
材料改性
通过材料改性技术，改善 光敏电阻的光吸收和光电 转换性能，如掺杂、合金 化等手段。
表面处理
对光敏电阻表面进行特殊 处理，提高表面光吸收和 光电转换效率，如涂覆增 透膜、表面微纳结构等。
光电灵敏度
响应时间
表示光敏电阻阻值变化量与光照强度变化 量的比值，反映了光敏电阻对光的敏感程 度。
光敏电阻从无光照状态到有光照状态，或 从有光照状态到无光照状态所需的时间， 反映了光敏电阻的反应速度。
03 光敏电阻的种类与特性
光电二极管
目 录
• 引言 • 光敏电阻的工作原理 • 光敏电阻的种类与特性 • 光敏电阻的应用实例 • 光敏电阻的发展趋势与未来展望 • 结论
01 引言
主题简介
01
光电导器件（光敏电阻）是一种 光电转换器件，其工作原理是利 用光电导效应将光信号转换为电 信号。
02
光电导器件具有灵敏度高、响应 速度快、线性范围宽等优点，广 泛应用于光信号检测、光通信、 自动控制等领域。
光电倍增管
总结词
光电倍增管是一种高灵敏度的光电器件，它通过倍增光电效应产生的微弱电流来提高检测灵敏度。
详细描述
光电倍增管由多个倍增极组成，每个倍增极都具有较高的增益。当光照在光电倍增管的阴极上时，光 生电子被释放并被电场加速到下一个倍增极，在那里再次发生光电效应并释放更多的电子。通过多个 倍增极的连续放大，微弱的光电流被显著放大，从而实现高灵敏度的光电检测。
05 光敏电阻的发展趋势与未 来展望
提高光电转换效率
01
02
03
新型结构设计
通过优化光敏电阻的结构 设计，提高对光的吸收和 利用效率，从而提高光电 转换效率。
材料改性
通过材料改性技术，改善 光敏电阻的光吸收和光电 转换性能，如掺杂、合金 化等手段。
表面处理
对光敏电阻表面进行特殊 处理，提高表面光吸收和 光电转换效率，如涂覆增 透膜、表面微纳结构等。
光电灵敏度
响应时间
表示光敏电阻阻值变化量与光照强度变化 量的比值，反映了光敏电阻对光的敏感程 度。
光敏电阻从无光照状态到有光照状态，或 从有光照状态到无光照状态所需的时间， 反映了光敏电阻的反应速度。
03 光敏电阻的种类与特性
光电二极管
第四章光电导探测器课件
光子作用于光电导材料产生 本征吸收：
杂质吸收：产生附加的光生载流子。 光电导效应——光照射到光电导 (半导体) 材料 上，使半导体的电导率发生变化。
多数半导体和绝缘体存在这种效应 本征半导体
杂质半导体 4
5
光激发： 产生空穴、电子，跃迁到导带。 杂质半导体： n型：施主能带靠近导带，电子获得足够能量进入 导带参与导电。 p型：受主能带靠近价带，价带电子吸收光子能量 跃迁受主能带，使价带产生空穴参与导电。 表征光电导效应主要有三个参数：
①增大增益系数可得到很高的光谱响应率 ②增益与响应速度是相矛盾的
43
光电导探测器典型光谱曲线
两种类型光电导探 测器光谱特性
44
四、比探测率 D*是包含噪声性能的一个重要参数
1．受热噪声限制 多数光电导探测器工作频率在 1MHz 以上，其
噪声源主要来自热噪声
2．受产生——复合噪声限制 当工作频率在1kHz~1MHz时：主要是
在直线性光电导中， 恒定光照下决定光电导上升规
律的微分方程：
量子产额
以光子计算的 入射光光强
光电导体对光 的吸收系数
光生载流
子 2命
根据上式初始条件： t=0时， Δn＝0，方程解 取消光照后，决定光电导下降的微分方程为 设光照停止时(t＝0)， Δn＝Inαβτ，则上式解：
13
直线性光电导上升和下降曲线 直线性光电导的弛豫时间与光强无关。 因为上升和下降是对称的
19
二、光电导探测器的工作原理
半导体受到光照时将产生非平衡载流子，电 导率增加，在外加电压的作用下，将在光电导探 测器输出回路中产生光电流。
分析光电导探测器输出的光电信号 1．光电导探测器的光电流
设样品为 n 型材料，光功 率为P的光辐射沿x方向均
杂质吸收：产生附加的光生载流子。 光电导效应——光照射到光电导 (半导体) 材料 上，使半导体的电导率发生变化。
多数半导体和绝缘体存在这种效应 本征半导体
杂质半导体 4
5
光激发： 产生空穴、电子，跃迁到导带。 杂质半导体： n型：施主能带靠近导带，电子获得足够能量进入 导带参与导电。 p型：受主能带靠近价带，价带电子吸收光子能量 跃迁受主能带，使价带产生空穴参与导电。 表征光电导效应主要有三个参数：
①增大增益系数可得到很高的光谱响应率 ②增益与响应速度是相矛盾的
43
光电导探测器典型光谱曲线
两种类型光电导探 测器光谱特性
44
四、比探测率 D*是包含噪声性能的一个重要参数
1．受热噪声限制 多数光电导探测器工作频率在 1MHz 以上，其
噪声源主要来自热噪声
2．受产生——复合噪声限制 当工作频率在1kHz~1MHz时：主要是
在直线性光电导中， 恒定光照下决定光电导上升规
律的微分方程：
量子产额
以光子计算的 入射光光强
光电导体对光 的吸收系数
光生载流
子 2命
根据上式初始条件： t=0时， Δn＝0，方程解 取消光照后，决定光电导下降的微分方程为 设光照停止时(t＝0)， Δn＝Inαβτ，则上式解：
13
直线性光电导上升和下降曲线 直线性光电导的弛豫时间与光强无关。 因为上升和下降是对称的
19
二、光电导探测器的工作原理
半导体受到光照时将产生非平衡载流子，电 导率增加，在外加电压的作用下，将在光电导探 测器输出回路中产生光电流。
分析光电导探测器输出的光电信号 1．光电导探测器的光电流
设样品为 n 型材料，光功 率为P的光辐射沿x方向均
第4章 光电导器件 4.2节
能、材料掺杂比与掺杂浓度等因素有关。
图4-11 3种典型光敏电阻的光谱响应曲线
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
称1/f噪声)。 (1)热噪声 光敏电阻内载流子的热运动产生的噪声称为热噪声，或 称为约翰逊噪声。热噪声公式为
（4-12） 式中τ0为载流子的平均寿命，ω = 2πf 为信号角频率。在低 频情况下，当ωτ0 ＜ ＜ 1 时，热噪声电流 I2NJ( f ) 可简化为
图4-7 光敏电阻在微弱辐射作用下的时间响应
停止辐射时，入射辐射通量Φ e与时间的关系为
Байду номын сангаас
光电导率和光电流随时间变化的规律为
（4-6）
（4-7）
当t =τf时，Δσ= 0.37Δσ0，IΦ = 0.37 IΦe0；当t
Δσ与IΦ下降为0。
＞＞τf时，
在辐射停止后，光敏电阻的光电流下降到稳态值的37%
(b)对数直角坐标系
图4-4 光敏电阻的光电特性曲线
γ 值为对数坐标下特性曲线的斜率。即
（4-3）
式中，R1与R2分别是照度为E1和E2时光敏电阻的阻值。
光敏电阻的γ 值反映了在照度范围变化不大或照度的绝对
值较大，甚至光敏电阻接近饱和情况下的阻值与照度的关系。 注意：定义光敏电阻γ 值是必须说明其照度范围，否则γ 值没有任何意义。
所需要的时间称为光敏电阻的下降时间常数，记为τf。 光敏电阻在弱辐射作用下，τ
r
≈τ
f
。
(2)强辐射作用情况下的时间响应
当较强的辐射通量Φ e作用于光敏电阻上时，设入射辐射 为方波脉冲
光敏电阻的光电导率变化规律为
(4-8) 其光电流的变化规律为 (4-9)
图4-11 3种典型光敏电阻的光谱响应曲线
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
称1/f噪声)。 (1)热噪声 光敏电阻内载流子的热运动产生的噪声称为热噪声，或 称为约翰逊噪声。热噪声公式为
（4-12） 式中τ0为载流子的平均寿命，ω = 2πf 为信号角频率。在低 频情况下，当ωτ0 ＜ ＜ 1 时，热噪声电流 I2NJ( f ) 可简化为
图4-7 光敏电阻在微弱辐射作用下的时间响应
停止辐射时，入射辐射通量Φ e与时间的关系为
Байду номын сангаас
光电导率和光电流随时间变化的规律为
（4-6）
（4-7）
当t =τf时，Δσ= 0.37Δσ0，IΦ = 0.37 IΦe0；当t
Δσ与IΦ下降为0。
＞＞τf时，
在辐射停止后，光敏电阻的光电流下降到稳态值的37%
(b)对数直角坐标系
图4-4 光敏电阻的光电特性曲线
γ 值为对数坐标下特性曲线的斜率。即
（4-3）
式中，R1与R2分别是照度为E1和E2时光敏电阻的阻值。
光敏电阻的γ 值反映了在照度范围变化不大或照度的绝对
值较大，甚至光敏电阻接近饱和情况下的阻值与照度的关系。 注意：定义光敏电阻γ 值是必须说明其照度范围，否则γ 值没有任何意义。
所需要的时间称为光敏电阻的下降时间常数，记为τf。 光敏电阻在弱辐射作用下，τ
r
≈τ
f
。
(2)强辐射作用情况下的时间响应
当较强的辐射通量Φ e作用于光敏电阻上时，设入射辐射 为方波脉冲
光敏电阻的光电导率变化规律为
(4-8) 其光电流的变化规律为 (4-9)
第4章光电导探测器
光谱响应率：
光电流
I
p
(
)
qNG
q
() h
G
S() I p () q G () h
增大增益系数G可以提高光谱响应率，实际上常用的光电 导探测器的光谱响应率小于1A／W，原因是：
① 产生高增益系数的光电导探测器电极间距需很小，致使光 电导探测器集光面积太小而不实用。
② 若延长载流子寿命也可提高增益系数，但这样会减慢响应 速度，因此，在光电导探测器中，增益与响应速度是相矛 盾的。
半导体在0K时，导电载流子浓度为0。在0K以上，由于热 激发而不断产生热生载流子(电子和空穴)，它在扩散过程 中又受到复合作用而消失。在热平衡下，单位时间内热生 载流子的产生数目正好等于因复合而消失的数目。因此在 导带和价带中维持着一个热平衡的电子浓度n和空穴浓度p， 它们的平均寿命分别用τn和τp表示。
但当入射光功率在较大范围内变化，即光电导变化范围很 大时，要始终保持匹配状态是困难的。
输出电流与电压讨论： 1）高频工作时要考虑电容影响； 2）光电流Ip与入射光功率的关系： 由于半导体对光
的吸收具有非线性特性。所以光电导探测器的光电流与 入射光功率也将呈现非线性关系。
弱入射辐射时，成简单线性 强入射辐射时，成非线性（抛物线型）
§4-2 光电导探测器的特性与性能参数
一、光电导探测器的光谱特性
1. 本征光电导的光谱分布： 特点： 单峰；两端下降；长波限不明显
相对灵敏度/%
100
ZnS CdS
80
60
40
CdSe
20
0 0.3 0.5
PbSe 90K PbS
Ge
PbTe CaAs 90K
InSb
光电导效应的光电器件
光电导效应的光电器件
光电导效应是指当光照射到半导体材料时，会产生电子-空穴对，从而使半导体的电导率增加的现象。
利用光电导效应可以制作多种光电器件，例如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。
光敏电阻是一种基于光电导效应的电阻器件，其电阻值随着光强的增加而减小。
光敏电阻通常由半导体材料制成，例如硅、锗、砷化镓等。
当光照射到光敏电阻上时，会产生电子-空穴对，从而使半导体的电导率增加，电阻值减小。
光敏电阻的优点是响应速度快、灵敏度高、成本低，广泛应用于光控开关、光探测器、光敏传感器等领域。
光敏二极管和光敏三极管是一种基于光电导效应的二极管和三极管器件，其工作原理与光敏电阻类似，但具有更高的灵敏度和更快的响应速度。
光敏二极管和光敏三极管通常由硅、锗等半导体材料制成，当光照射到光敏二极管或光敏三极管上时，会产生电子-空穴对，从而使半导体的电导率增加，产生电流信号。
光敏二极管和光敏三极管的优点是灵敏度高、响应速度快、噪声低，广泛应用于光通信、光探测器、光敏传感器等领域。
除了上述光电器件外，利用光电导效应还可以制作其他光电器件，例如光敏电池、光敏集成电路等。
这些光电器件在光学通信、光学检测、光学控制等领域具有广泛的应用前景。
光电导器件(光敏电阻)
光敏面作成蛇形，电极作成梳状是因为这样即可以保证有较大的受光表面，也可以减小电极之间距离，从而既可减小极间电子渡越时间，也有利于提高灵敏度。
： 照度（勒克斯lx）
电导（西门子S）
定义为光电导 与输入光照度E之比。
光电导灵敏度 （P107）
热噪声、产生复合噪声 、 噪声与调制频率的关系如下所示：
01
02
03
04
噪声特性：
红外：减小温漂，使信号放大，可调制较高的
制冷可降低热噪声
恰当的偏置电路，可使信噪比最大
光谱特性：相对灵敏度与波长的关系
可见光区光敏电阻的光谱特性 光谱特性曲线覆盖了整个可见光区，峰值波长在515～600nm之间。尤其硫化镉的峰值波长与人眼的很敏感的峰值波长（555nm）是很接近的，因此可用于与人眼有关的仪器，例如照相机、照度计、光度计等。
原理：
5-1工作原理和结构
非本征型（N型为主）：可以检测波长很长的辐射
本征型：可用来检测可见光和近红外辐射
结构： 组成：它由一块涂在绝缘 基底上的光电导材料薄膜 和两端接有两个引线，封 装在带有窗口的金属或塑 料外壳内 。电极和光电导 体之间呈欧姆接触。
三种形式 ⑴梳状式 玻璃基底上蒸镀梳状金属膜而制成；或在玻璃基底上面蚀刻成互相交叉的梳状槽，在槽内填入黄金或石墨等导电物质，在表面再敷上一层光敏材料。如图所示。
进行动态设计时，应考虑光敏电阻的前历效应
光电导弛豫时间长
由伏安特性知，设计负载时，应考虑额定功耗
不足：
ห้องสมุดไป่ตู้
5-3 常用光敏电阻（P109）
参数
功率（mw）
测量照度
暗电阻（兆欧）
亮电阻（千欧）
峰值波长
： 照度（勒克斯lx）
电导（西门子S）
定义为光电导 与输入光照度E之比。
光电导灵敏度 （P107）
热噪声、产生复合噪声 、 噪声与调制频率的关系如下所示：
01
02
03
04
噪声特性：
红外：减小温漂，使信号放大，可调制较高的
制冷可降低热噪声
恰当的偏置电路，可使信噪比最大
光谱特性：相对灵敏度与波长的关系
可见光区光敏电阻的光谱特性 光谱特性曲线覆盖了整个可见光区，峰值波长在515～600nm之间。尤其硫化镉的峰值波长与人眼的很敏感的峰值波长（555nm）是很接近的，因此可用于与人眼有关的仪器，例如照相机、照度计、光度计等。
原理：
5-1工作原理和结构
非本征型（N型为主）：可以检测波长很长的辐射
本征型：可用来检测可见光和近红外辐射
结构： 组成：它由一块涂在绝缘 基底上的光电导材料薄膜 和两端接有两个引线，封 装在带有窗口的金属或塑 料外壳内 。电极和光电导 体之间呈欧姆接触。
三种形式 ⑴梳状式 玻璃基底上蒸镀梳状金属膜而制成；或在玻璃基底上面蚀刻成互相交叉的梳状槽，在槽内填入黄金或石墨等导电物质，在表面再敷上一层光敏材料。如图所示。
进行动态设计时，应考虑光敏电阻的前历效应
光电导弛豫时间长
由伏安特性知，设计负载时，应考虑额定功耗
不足：
ห้องสมุดไป่ตู้
5-3 常用光敏电阻（P109）
参数
功率（mw）
测量照度
暗电阻（兆欧）
亮电阻（千欧）
峰值波长
第4章 光电导器件 4.4节
3.照相机电子快门 3.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， 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。 (CdS)光敏电阻 硫化镉(CdS)光敏电阻。 照相机曝光控制电路: 照相机曝光控制电路: 光控制电路 1.由光敏电阻 由光敏电阻R 1.由光敏电阻R、开关 K 和电 构成的充电电路 充电电路， 容 C 构成的充电电路， 时间检出电路， 2.时间检出电路 2.时间检出电路， 3.三极管T构成的驱动放大电 3.三极管T构成的驱动放大电 三极管 路， 4.电磁铁 带动的开门叶片 电磁铁M 开门叶片。 4.电磁铁M带动的开门叶片。
图4-16 火焰探测报警器电路
当被探测物体的温度高于燃点或被点燃发生火灾时， 当被探测物体的温度高于燃点或被点燃发生火灾时，物体 将发出波长接近于2.2 的辐射( 跳变”的火焰信号) 将发出波长接近于2.2μm的辐射(或“跳变”的火焰信号)，该 辐射光将被PbS光敏电阻R 接收， PbS光敏电阻 辐射光将被PbS光敏电阻R3接收，使前置放大器的输出跟随火焰 跳变”的信号，并经电容C 耦合，送给由VT “跳变”的信号，并经电容C2耦合，送给由VT2、VT3组成的高 输入阻抗放大器放大。火焰“跳变” 输入阻抗放大器放大。火焰“跳变”信号被放大后送给中心站 放大器，并由中心站发大器发出火灾警报信号或执行灭火动作。 放大器，并由中心站发大器发出火灾警报信号或执行灭火动作。
μm，恰为火焰的峰值辐射光谱。 恰为火焰的峰值辐射光谱。
电阻R 和稳压二极管VD 构成对光敏电阻R 由VT1、电阻R1、R2和稳压二极管VDW构成对光敏电阻R3的 恒压偏置电路。恒压偏置电路只要保证光电导灵敏度S 不变， 恒压偏置电路。恒压偏置电路只要保证光电导灵敏度Sg不变， 就可以使前置放大器的输出信号稳定。 就可以使前置放大器的输出信号稳定。
第四章 光电导器件wyzh
s UA q( P n ) L hvLA 光电导 U 结论:光敏电阻的光电流Ip与L的平方成反比 2 q ( P n ) s L hv
光电流
IP
U A U L
gP
三种量之间的关系-------I U U U A 0 A A I d I P L L L
18.7V U
umax
0.66 （mV）
2.光电导增益M
U A qAU nn pp qNU Ip 2 ( n n + p p ) L L L
n g ' n g为单位时间单位体积内电子空穴对的产生率
M
它表示长度为L的光电导体两端加上电压以后,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。 光敏电阻电子增益系数、空穴增益系数 L vt I U U U
光敏电阻实物图
三种结构形式
梳型结构 在玻璃基底上面蚀刻成互相交叉的梳状槽，在 槽内填入黄金或石墨等导电物质，在表面再敷上一层 光敏材料。即两个梳型电极之间为光敏电阻材料。如 图所示。由于两个梳型电极靠的很近，电极间距很小
三种结构形式 蛇形结构 如图，光敏面（光电导材料）制成蛇形，光电 导两侧为金属导电材料，并在其上设置电极。这种光 敏电阻的电极间距（为蛇形材料的宽度）也很小。
三种结构形式 刻线结构 在玻璃基片上镀制一层薄的金属箔，将其刻划 成栅状槽，然后在槽内填入光敏电阻材料层后制成。 其结构如下图所示（侧向图）。
4.2 光敏电阻的主要的特性参数
常用“0LX”表示 暗电阻：光敏电阻在室温条件下，在全暗时的电阻值 暗电导：光敏电阻在室温条件下，在全暗时的电导
第四章 光电导器件
禁 区
E1 E=0
输出电流变化：
Ub I I RL RP RP
Ub Ub I RL RP RP RL RP
Ub
U
RP S gU b U b RP Ub 2 E ( RP S g E ) 2 2 2 ( RL RP ) ( RL RP ) ( RL RP )
s
g
载流子产生率
设电场强度为Ex,则光电流密度为：
J E x E x q P ( b 1 )
s
hvV
光照增加时，光敏电阻的电导率增大，相应的光电流 了增大
设：光电阻上的电压为U, 光电导长度为L，横截面积为A 无光照时 电流为---暗电流 光照时电 流为---亮电流
脉冲光信号：响应时间 正弦调制光信号：频率响应
4.2.6 光电特性和γ值
直线性光电导 一般情况下：
I p S gU
或
I p S gUE I p CUE
I p CU
或
弱光照射时：
1
直线性光电导 非线性
强光照射时： 一般照射时： 光电流与照度 关系曲线：
0.5 0.5 1
补充习题： 1.已知某本征光电导体的禁带宽度为1.5ev，某一N型光 电导的导带与杂质能级之差为0.65 ev，分别求出它 们的阈波长是多少？并比较它们的阈波长的差别。 2.有一光敏电阻已注明额定功率为Pmax，负载电阻也已 确定为RL，为了保证此光敏电阻在不同光照时均能安 全的工作，试证明电源电压的选择必须满足：
停止光照后浓度变化：
p p 0 exp( )
t
上升时间=下降时间=载流子寿命
《光电导器》课件
在CMOS图像传感器中，光电导效应也被用于将光信号转换为 电信号，从而实现图像的采集。
生物医学成像
光电导器在生物医学成像领域也有应用，如X射线、超声波等医 学影像的获取和解析。
光电导器在太阳能电池领域的应用
01
02
03
光伏效应
光电导器能够将太阳能转 换为电能，其工作原理基 于光伏效应。
高效太阳能电池
通过优化光电导器的材料 和结构，可以提高太阳能 电池的光电转换效率。
太阳能发电系统
光电导器在太阳能发电系 统中扮演着重要的角色， 是实现太阳能利用的关键 器件之一。
06
光电导器的研究进展与未来展 望
新型光电导材料的研发进展
钙钛矿材料
具有优异的光电性能和可 调谐带隙，成为光电导材 料领域的研究热点。
光电导器的历史与发展
光电导器的研究始于20世纪初 ，最早的光电导器是真空电子管
。
随着材料科学和微电子技术的不 断发展，光电导器逐渐向小型化
、集成化、高效化方向发展。
目前，光电导器在光通信、光探 测、光计算等领域得到了广泛应
用。
光电导器的应用领域
光通信
光电导器在光纤通信中用作调 制器和解调器，将信息加载到
稳定性
稳定性是指光电导器在不同环境条件下保持性能 稳定的能力。稳定性越高，光电导器的性能越好 。
可靠性
可靠性是指光电导器在长时间使用过程中保持性 能不变的能力。可靠性越高，光电导器的性能越 好。
04
光电导器的制造工艺与材料
光电导器的制造工艺
薄膜制备技术
掺杂技术
采用物理或化学气相沉积等方法制备光电 导薄膜。
光敏层的作用
吸收光子并产生光电导效应。
衬底的作用
生物医学成像
光电导器在生物医学成像领域也有应用，如X射线、超声波等医 学影像的获取和解析。
光电导器在太阳能电池领域的应用
01
02
03
光伏效应
光电导器能够将太阳能转 换为电能，其工作原理基 于光伏效应。
高效太阳能电池
通过优化光电导器的材料 和结构，可以提高太阳能 电池的光电转换效率。
太阳能发电系统
光电导器在太阳能发电系 统中扮演着重要的角色， 是实现太阳能利用的关键 器件之一。
06
光电导器的研究进展与未来展 望
新型光电导材料的研发进展
钙钛矿材料
具有优异的光电性能和可 调谐带隙，成为光电导材 料领域的研究热点。
光电导器的历史与发展
光电导器的研究始于20世纪初 ，最早的光电导器是真空电子管
。
随着材料科学和微电子技术的不 断发展，光电导器逐渐向小型化
、集成化、高效化方向发展。
目前，光电导器在光通信、光探 测、光计算等领域得到了广泛应
用。
光电导器的应用领域
光通信
光电导器在光纤通信中用作调 制器和解调器，将信息加载到
稳定性
稳定性是指光电导器在不同环境条件下保持性能 稳定的能力。稳定性越高，光电导器的性能越好 。
可靠性
可靠性是指光电导器在长时间使用过程中保持性 能不变的能力。可靠性越高，光电导器的性能越 好。
04
光电导器的制造工艺与材料
光电导器的制造工艺
薄膜制备技术
掺杂技术
采用物理或化学气相沉积等方法制备光电 导薄膜。
光敏层的作用
吸收光子并产生光电导效应。
衬底的作用
第4章光电导器件
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
U U U M 2 (n n p p ) 2 n n 2 p p M n M p qN L L L
载流子的渡越时间:
q(nn R p )L p A
由光电导率引起的光电流
Δn
N τn A L
p
N p A L
U A qAU nn pp qNU Ip 2 ( n n + p p ) L L L
N:单位时间产生的电子-空穴对;寿命分别为? 结论:光敏电阻的光电流Ip与L的平方成反比
由高照度变为低 照度状态.短?
7.光电特性和γ值
光敏电阻的光电流与入射光通量之间的关系称光电特性
讨论两种情况: 当弱光照时 ? 当强光照时 ?
I p ( ) q
( )
hv t dr
光敏电阻的光电特性一般用下列关系式决定:
强光照时:τ与光子浓度有关，tdr因电子浓度变 I p () S UE I p () SgU 弱光照时:τ和tdr不变，光电流和光照成正比 大而变化变，光电流和光照呈非线性 g Sg 是光电导灵敏度，它与光敏电阻材料有关；U为外 强光照时为0.5，为非线性光电导； 一般情况下在0.5～l 加电源电压；Ф为入射光通量；E为入射光照度； 之间。
光电流+暗电流=亮电流 结论:光敏电阻的光电流Ip与L的平方成反比 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。 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.
光电导器件
概述 光敏电阻的结构和工作原理 几种典型的光敏电阻 光敏电阻的特性 光敏电阻的特点 使用中的注意事项
一、 概述
1、特点 光电导型光电探测器件是利用光 电导效应制成的均质型光电探测器件 均质型光电探测器件。 电导效应制成的均质型光电探测器件。典型的 光电导器件为光敏电阻 光敏电阻。 光电导器件为光敏电阻。即它的电阻值能随着 外界光照强弱（明暗）变化而变化。 外界光照强弱（明暗）变化而变化。 由于光敏电阻没有极性， 只要把它当作阻 由于光敏电阻 没有极性， 没有极性 值随光照强度而变化的可变电阻来对待即可。 值随光照强度而变化的可变电阻来对待即可。 常用的光敏电阻有CdS、PbS 、 2、分类 常用的光敏电阻有 、 CdSe、InSb以及 以及HgCdTe等。其中 、 以及 等 其中CdS是工业 是工业 应用最多的， 主要用于军事装备。 应用最多的，而PbS主要用于军事装备。 主要用于军事装备
四、几种典型的光敏电阻
五、光敏电阻的特性
1、增益G 增益G
光敏电阻增益G 光敏电阻增益G的表达式为
量子产额
五、光敏电阻的特性
2、 A 光电导灵敏度 Rg
按灵敏度定义（响应量与输入量之比），可得 按灵敏度定义（响应量与输入量之比），可得 ）， 其中： 其中：
g ：光电导，单位为西门子 S（Ω-1）。 光电导， E： 光照度，单位为勒克斯（lx）。 光照度，单位为勒克斯（lx）。 Rg：单位为西门子/勒克斯（S/lx）或 Sm2/lm。 单位为西门子/勒克斯（S/lx） /lm。 A: 光敏面积 ：光通量
光敏电阻响应特性曲线
光敏电阻采用交变光照时，其输出将随入 光敏电阻采用交变光照时， 射光频率的增加而减小。 射光频率的增加而减小。
几种光敏电阻的频率特性曲线 1-硒化镉 2-硫化镉 3-硫化铊 4-硫化铅 硒化镉 硫化镉 硫化铊 硫化铅
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IP
RL
Ub
g p0 2 105 15 3104 (S )
1 则光电阻Rp 0 3.3k g p0
光敏电阻两端的电压 U
其有效值
U b Rp 0
2 RL Rp 0 交流光电流为 i gU S EU 2 105 2sin t 18.7 0.75sin t p g iP ( Rp 0 RL ) 由RL和Rp分流， u 0.94sin （ t mV） RL Rp 0 负载电阻RL的交流电压为
R L A 1ຫໍສະໝຸດ g01 A A R L L
暗电导
d
I
U U A q [( n0 n ) n （p L L U U g U I A L 亮电导 R 亮电阻
p ) p ] A
光照产生的 U U UA I P ( 0 )A A q( n n p p ) 电流为----L L L
三种结构形式 刻线结构 在玻璃基片上镀制一层薄的金属箔，将其刻划 成栅状槽，然后在槽内填入光敏电阻材料层后制成。 其结构如下图所示（侧向图）。
4.2 光敏电阻的主要的特性参数
常用“0LX”表示 暗电阻：光敏电阻在室温条件下，在全暗时的电阻值 暗电导：光敏电阻在室温条件下，在全暗时的电导
gd
暗电流：此时电阻加上一定的电压所通过的电流为暗电流
s UA q( P n ) L hvLA 光电导 U 结论:光敏电阻的光电流Ip与L的平方成反比 2 q ( P n ) s L hv
光电流
IP
U A U L
gP
三种量之间的关系-------I U U U A 0 A A I d I P L L L
所以若考虑暗电流时光敏电阻的光电导为
gp g gd
例1在图3—4所示的电路中，设光敏电阻的 光电导灵敏度为Sg=2×10-5S／lx，RL=2kQ， Ub=30V。若光敏电阻所受的光照度 E=15+2sinωt(lx)，求负载电阻RL输出的 交流电压有效值UL。
光敏电阻的阻值R。随光照度的变化而变化， 但光照度的变化较小，可取平均光照时的光敏电 阻的阻值来进行近似计算。平均光电导为
光电流+暗电流=亮电流
1. 光电导灵敏度Sg A 暗电导： g d 0 L A 亮电导： g L
定义光电导 S 灵敏度为Sg: g
响应量与输入量之比 暗电流：I d 亮电流：
g dU
g PU
I gU
P
A 光电导： g p g g d L
光电流：I
gp E
（1）本征吸收
电 子 能 量
Eg
Ec Ev
导带 禁带
h Eg
（2）杂质吸收
电 子 Ed 能 量
Ec
Ed
Ev
hc 1.24 L ( m) 价带 Eg Eg 1.24 导带 L ( m) ED 施主能级 1.24 L ( m) 价带 EA
光敏电阻分为两类：本征型光敏电阻和掺杂型 外电场方向 光敏电阻。 为减少杂质能级上电
s U I P 2 q( P n ) L hv
I Ug U ( g d g P )
I I d I P I P g g d g P gP
I gU
结论1 在电压一定的条件下，光电导探测器为受控恒流源 ，电流 大小由光辐射通量决定 光电阻R --平均光照时光敏电阻的阻值
s J E x E x q( P n ) hvV
可见：光照增加时，光敏电阻的电导率增大，相应的光电流也增 大了
设：光电阻上的电压为U,光电导长度为L（两极间距）横截面积为A 无光照时 电流为---暗电流 光照时电 流为---亮电流
U U I d 0 A q( n0 n p0 p ) A L L U Id 0 A U gd U L R 暗电阻
U--光电阻Rp0上的分电压。
p0
微变等效电路
注：Rp0上是一个与辐通量有关的变量， 只有在辐通量变化较小时才有近似线性 的输出，否则会出现较大的非线性 利用该等效电路可方便地计算光电导 探测器接受交变辐射时的输出信号。
使用条件：光通量变化较小
结论2 光电导探测器光敏面做成蛇形等结构
二、光敏电阻的基本结构
在电场作用下，半导体中的载流子作定向漂移 运动,由此形成的电流称为漂移电流。在电场强度不 太大时，电子和空穴移动的速度（也称漂移速度） vn、vp与电场强度E成正比，可表示为 vn=－μnE 或 vp=μpE式中， μn为电子迁移率； μp为空穴迁移 率。迁移率μ是单位电场强度引起的载流子的平均漂 移速度，其数值与半导体的材料、掺杂浓度、温度 等有关。在室温300K时，硅材料的μn =0.13cm2/V×s; μp =0.05cm2/V×s; 锗材料的μn =0.38cm2/V×s; μp =0.18cm2/V×s。对同一种材 料，空穴的迁移率比电子的迁移率低，这是因为空 穴的运动是共价键中的电子依次填补空穴的结果， 它不如自由电子灵活，所以其漂移速度低。式中右 边的负号表明电子漂移运动的方向与电场相反。
p
qN
L
2
(n n p p )
L
2
n n
L
2
p p M n M p
U EL v E
载流子渡越极间距离L所需的的渡越时间tdr:
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: 减少电极间的间距L 提高M值 适当提高工作电压 增大τ 和μ 的乘积
光敏电阻的工作原理及电路符号
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。 在均质的光电导体两端加上 电极后构成光敏电阻，两电极加 上一定电压(可加直流电压,也可 加交流电压)后，无光照时，光 R 敏电阻的阻值很大，电路中电流 很小。当光照射到光电导体上， 由光照产生的光生载流子(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) 迅速增加，它的阻值急剧减小。 在外电场作用下光生载流子沿一 定方向运动，在电路中形成电流， 光生载流子越多电流越大。达到 光电转换的目的。
18.7V U
umax
0.66 （mV）
2.光电导增益M
U A qAU nn pp qNU Ip 2 ( n n + p p ) L L L
n g ' n g为单位时间单位体积内电子空穴对的产生率
M
它表示长度为L的光电导体两端加上电压以后,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。 光敏电阻电子增益系数、空穴增益系数 L vt I U U U
亮电阻： 光敏电阻在一定光照时的电阻值 亮电导： 光敏电阻在一定光照时的电导值
Id
g
常用“100LX”表示
亮电流：此时电阻加上一定的电压所通过的电流为亮电流 光电导： 光敏电阻由光照产生的电导 光电流：由光照产生的电流
I
g P g gd
IP I Id
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。
第4章 光电导器件（Photoconductive—PC）
4.1 光敏电阻的工作原理
5.2光敏电阻的主要特性参数 5.3光敏电阻的偏置电路和噪声 5.4 光敏电阻的特点和应用
第4 章
光电导器件（Photoconductive—PC）
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。 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？ 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。
1 1 1 1 1 M Mn M p ( ) tn t p tdr tn t p
M t dr
输出光电流
( ) ( ) I p ( ) qNM q M q hv hv tdr
光敏电阻实物图
三种结构形式
梳型结构 在玻璃基底上面蚀刻成互相交叉的梳状槽，在 槽内填入黄金或石墨等导电物质，在表面再敷上一层 光敏材料。即两个梳型电极之间为光敏电阻材料。如 图所示。由于两个梳型电极靠的很近，电极间距很小
三种结构形式 蛇形结构 如图，光敏面（光电导材料）制成蛇形，光电 导两侧为金属导电材料，并在其上设置电极。这种光 敏电阻的电极间距（为蛇形材料的宽度）也很小。
s U I P 2 q( P n ) L hv
光敏电阻结构设计的基本原则：
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:
光敏电阻的光敏面做成蛇形，电极做成 梳状。这样的设计结构既可保证光敏电 阻有足够的受光面积，又减小电极间的 距离L，这样增大了光电流（光电导增益 M增大）有利于提高光敏电阻的灵敏度
子的热激发，常需要 Ec Ec 两种类 ∆E 在低温下工作。例如， Ed 型光敏 Ge、Hg杂质光电导 Eg 电阻能 探测器工作时必须采 带图 Ev Ev 用装有液氖的杜瓦瓶 将其冷却到77K以下， 1.24 hc 1.24 ( m) 这给使用带来极大的 L ( m) L EA Eg Eg 不便，也是远红外探 结论：掺杂型光敏电阻对红外波段较为敏感。 测的困难所在
光电导率为：
0 q( nn p p )
光生载流子不断的产生也不断的复合,当光照稳定时 则光生载流子的浓度为：