第四章 光电导器件wyzh

最典型的光电导器件是光敏电阻。
知识回顾
提问：什么是半导体光电效应？
光电发射器件
半导体材料吸收光子能量，输出电信号的现象。 提问：半导体光电效应的分类？
光电导器件
光电效应
外光电（光电发射）效应 发射体外自由电 hv Eg EA Eth 子，增加光电流
hv
E
g
内光电效应
Eg EA hv Eg
g p Sg E 或 Sg g p Sg
gp
I gU
Sg:单位为西门子/勒克斯（S/lx）或Sm2/W。 S g EU 弱光照时的线性关系（后面详细分析）
若考虑暗电导产生的电流时，则流过光敏电阻的电流为
I I P I d g PU gdU Sg EU gdU gU
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
光生伏特器件
光电导 增加体内自由电 效应 子，增大电导率 光生伏 增加结内自由电 特效应 子浓度，产生光 生电压
一、光敏电阻(photocell)的工作原理
提问：什么是光 电导效应？
半导体光电导器件是利用半导体材料的光电导效应制成 的光电探测器。 提问：发生光电导效ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的条件是什么？
当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度 的增大，因而导致材料电导率增大的现象，称为光电导效应。
L
导带 IP
RL
价带
Ug 无光照时：
有光照时： 光电导率为：
常温光照时
0 qn0 n qp0 p q( n0 n p0 p )
q[( n0 n )n ( p0 p ) p ]
0 q( nn p p )
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
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
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：
n p
s g hvV
即单位时间内单位体积内载流子产生个数
g’ 载流子产生率
设光生载流子的平均寿命为τ，当光敏电阻接收到的辐射通量为 ф s，光敏电阻的体积为V，量子效率为η， 设电场强度为Ex,则光电流密度为：
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
强调:从原理上说，P型、N型半导体均可制成光敏电阻。 但是：由于电子的迁移率比空穴大，而且N型半导体材料制 成的光敏电阻性能较稳定，特性较好，故目前大都使用N型半导 体光敏电阻。
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。
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。
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
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。
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
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。
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
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。
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 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
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
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
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
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
R L A 1

g
0

1 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
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