第六章 半导体光电器件

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六、使用中应注意： 使用中应注意：
1）当用于模拟量测量时，因光照指数γ与光照 当用于模拟量测量时，因光照指数γ 强弱有关， 强弱有关，只有在弱光照下光电流与入射光通量 成线性关系。 成线性关系。 2）用于光度量测试仪器时，必须对光谱特性曲 用于光度量测试仪器时， 线进行修正， 线进行修正，保证其与人眼的光谱光视效率曲线 符合。 符合。 3）光敏电阻的光谱特性与温度有关，温度低时， 光敏电阻的光谱特性与温度有关，温度低时， 灵敏范围和峰值波长都向长波方向移动， 灵敏范围和峰值波长都向长波方向移动，可采取 冷却灵敏面的办法来提高光敏电阻在长波区的灵 敏度。 敏度。
第六章 半导体光电器件
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第六章 半导体光电器件
6.1光电导型光电探测器件 6.1光电导型光电探测器件 6.2势垒型光电探测器件 6.2势垒型光电探测器件
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6.1光电导型光电探测器件 6.1光电导型光电探测器件
一、概述 一、概述 二、光敏电阻的结构 三、光敏电阻的工作原理 四、光敏电阻的特性 五、光敏电阻的特点 六、注意事项
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例：图中CdS在E1=0时，RP1=10MΩ；E2=100lx时， 图中CdS在 =0时 =10MΩ； =100lx时 RP2=500Ω，继电器J的线圈电阻RJ=4KΩ、吸合电流为 =500Ω，继电器J的线圈电阻R =4KΩ、 2mA，请计算：欲使继电器J吸合，照射到CdS的光束 2mA，请计算：欲使继电器J吸合，照射到CdS的光束 最小应为多少照度？ 最小应为多少照度？ 1 1 ( − ) /(E2 − E1) 解：由 R=∆σ/φ= RP2 RP1 =2×10-5 (S/lx) =2× 而工作电流为2mA时 而工作电流为2mA时，CdS 两端的压降是 U RP = 12 − U J = 12 − 4 k Ω × 2 mA = 4V 与此对应的CdS 与此对应的CdS 阻值 R P 3 = U RP / 2 mA = 2000 Ω 1 1 相应地，照射CdS的光照度应为 相应地，照射CdS的光照度应为E3 = ( − ) / R ≈ 25 ） （lx
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一、概述
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。 成的均质型光电探测器件。典型的光电导器 件为光敏电阻。 件为光敏电阻。 常用的光敏电阻有CdS硫化镉 CdSe硒化镉 硫化镉、 硒化镉、 常用的光敏电阻有CdS硫化镉、CdSe硒化镉、 InSb以及 InSb以及TeCdHg碲镉汞等。其中CdS是工 以及TeCdHg碲镉汞等 其中CdS是工 碲镉汞等。 业应用最多的， PbS硫化铅主要用于军事 业应用最多的，而PbS硫化铅主要用于军事 装备。 装备。 Hg1-xCdxTe碲镉汞系列光敏电阻是目前所有 碲镉汞系列光敏电阻是目前所有 探测器中性能最优良最有前途的探测器。 探测器中性能最优良最有前途的探测器。
五、光敏电阻的特点
1、体积小，偏置电压低，工作电流大，可达数毫安， 体积小，偏置电压低，工作电流大，可达数毫安， 光谱响应范围宽； 光谱响应范围宽； 2、所测光强范围宽，即可测强光，也可测弱光，灵 所测光强范围宽，即可测强光，也可测弱光， 敏度高，无极性之分。 敏度高，无极性之分。 3、实际应用中，在紫外和可见光区，光敏电阻的优 实际应用中，在紫外和可见光区， 点不突出，主要用在自动相机和控光系统中。 点不突出，主要用在自动相机和控光系统中。在红外 区它的响应相对比较快、响应率较高，机械性能好， 区它的响应相对比较快、响应率较高，机械性能好， 因而得到广泛应用。 因而得到广泛应用。 4、时间常数一般为10-2～10-7秒，特制的可达10-10秒； 时间常数一般为10 特制的可达10 响应时间长，频率特性差。 响应时间长，频率特性差。 5、强光线性差，受温度影响大。 强光线性差，受温度影响大。
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1、光电导灵敏度 R
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 ），
Rg
其中： 其中：
g g ⋅A = = 线形范围内） （线形范围内） 导， E：光照度，单位为勒克斯（lx）。 光照度，单位为勒克斯（lx）。 R：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
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不同材料的光谱相应特性
各种光敏电阻的光谱特性可查阅有关的手册和 产品说明书。 产品说明书。
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在可见光区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线 1-硫化镉单晶 2-硫化镉多晶 3-硒化镉多晶 4-硫化镉与硒化镉混合多晶
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在 红外区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线
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3、光照特性
光敏电阻的光照特性：指的是光电流与光通量或 光敏电阻的光照特性： 照度之间的关系 光电流I与外加直流电压V 光电流I与外加直流电压V和入射光通量 或照度 E之间的关系可用下面关系式表示 γ γ I = kVE 或 I = kV φ K为光敏电阻材料决定的常数 V为外加直流电源电压 为系数，其值一般在0.5~1。 为系数，其值一般在0.5~1。
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7、温度特性
灵敏度、光照特性、 灵敏度、光照特性、 响应率、光谱响应率、 响应率、光谱响应率、 峰值波长、 峰值波长、长波限都 将发生变化， 将发生变化，而且这 种变化缺乏一定的规 律 随着温度的升高光电 导值下降， 导值下降，随着温度 的下降光电导值增大， 的下降光电导值增大， 而与照度无关
(1)负载电阻的选用 负载电阻的选用 相差不大时， 当RP1和RP3相差不大时， R L = R P 相差甚远时， 当RP1和RP3相差甚远时，RL = RP1 ⋅ RP3 (2)电源电压的选用 电源电压的选用
V≤ Pmax (RL + RP ) RP
当最佳匹配时 ，RL=Rp ，所以
V ≤ 4Pmax ⋅ RP
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基本偏置电路
•图中：RL为负载电阻；RP为光敏电阻对应于 图中： 为负载电阻； 图中 光通量为φ时的亮电阻值 时的亮电阻值。 光通量为 时的亮电阻值。 求解入射光通量φ变化时， 求解入射光通量 变化时，负载电阻两端的 变化时 电压变化（输出信号）可有两种方法。 电压变化（输出信号）可有两种方法。
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一、概述
在光电导体中，由于配制 组分 组分(x量 的不同 的不同， 在光电导体中，由于配制Cd组分 量)的不同， 可得到不同的禁带宽度E 可得到不同的禁带宽度 g，从而制造出波长响 应范围不同的Hg 探测器。 应范围不同的 1-xCdxTe探测器。常用的有 探测器 1~3µm、3~5µm、8~14µm三种波长范围的探测 、 、 三种波长范围的探测 器，所以对大气窗口波段的探测非常重要 。 光敏电阻在光照下会改变自身的电阻率，且没 光敏电阻在光照下会改变自身的电阻率， 有极性， 有极性，只要把它当作阻值随光照强度而变化 的可变电阻来对待即可，因此在电子电路、 的可变电阻来对待即可，因此在电子电路、仪 器仪表、光电控制、 器仪表、光电控制、计量分析以及光电制导等 领域得到了广泛的应用。 领域得到了广泛的应用。
基本偏置电流
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基本概念
暗电阻R 暗电阻Rd ：无光照射时，光敏电阻值的大 无光照射时， 小。其值一般为几十千欧到几兆欧。 其值一般为几十千欧到几兆欧。 暗电导G 暗电阻的倒数。 暗电导Gd ：暗电阻的倒数。 亮电阻R 有光照射时的电阻值， 亮电阻Rg ：有光照射时的电阻值，其值与 光照大小有关。 光照大小有关。 亮电导G 亮电导的倒数。 亮电导Gg：亮电导的倒数。
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5、响应特性（频率特性） 响应特性（频率特性）
光照度越大， 响应特性越好， 光照度越大，其响应特性越好，惰性越小
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响应特性测定电路及其波形
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几种光敏电阻的频率特性曲线 1-硒 2-硫化镉 3-硫化铊 4-硫化铅
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6、前历效应
前历效应：是指光敏电阻的时间特性与工 前历效应： 作前“历史”有关的一种现象。 作前“历史”有关的一种现象。前历效应 有暗态前历与亮态前历之分。 有暗态前历与亮态前历之分。 暗态前历效应是指光敏电阻测试或工作前 处于暗态，当它突然受到光照后表现为暗 处于暗态，当它突然受到光照后表现为暗 态前历越长，光电流上升越慢， 态前历越长，光电流上升越慢，其效应曲 线如下图所示。一般，工作电压越低， 线如下图所示。一般，工作电压越低，光 照度越低，则暗态前历效应就越严重。 照度越低，则暗态前历效应就越严重。
光敏电阻的温度特性 光敏电阻的温度特性
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8、噪声
光敏电阻的固有噪 声主要有三种： 声主要有三种： 噪声（100Hz以 噪声（100Hz以 下）； 产生产生-复合噪声 100Hz以上 以上）； （100Hz以上）； 及热噪声（ 及热噪声（1000Hz 左右）。 左右）。
噪声随调制频率的分布关系
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Pmax为耗散功率
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5、响应特性（频率特性） 响应特性（频率特性）
光敏电阻受光照后或被遮光后， 光敏电阻受光照后或被遮光后，回路电流并不立即 增大或减小，而是有一定响应时间。 增大或减小，而是有一定响应时间。 原因：光敏电阻是依靠非平衡载流子效应工作的， 原因：光敏电阻是依靠非平衡载流子效应工作的， 非平衡载流子的产生与复合都有一个时间过程， 非平衡载流子的产生与复合都有一个时间过程，这 个时间过程在一定程度上影响了光敏电阻对变化光 照的响应。 照的响应。 照度愈强，响应时间愈短；负载电阻愈大， 愈短， 照度愈强，响应时间愈短；负载电阻愈大，tr愈短， tf延长；暗处放置的时间愈长，响应时间也相应延 延长；暗处放置的时间愈长， 长。 实际应用中，尽量提高使用照明度，降低所加电压、 实际应用中，尽量提高使用照明度，降低所加电压、 施加适当偏置光照、使光敏电阻不是从完全暗状态 施加适当偏置光照、 开始受光照， 开始受光照，都可以使光敏电阻的时间响应特性得 到一定的改善。 到一定的改善。
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硫化镉光敏电阻的暗态前历效应曲线 1-黑暗放置3 分钟后 2-黑暗放置60 分钟后 3-黑暗放置24 小时后