第4章 光电导器件
光电导效应的光电器件 -回复
![光电导效应的光电器件 -回复](https://img.taocdn.com/s3/m/13f2333f1611cc7931b765ce050876323012747b.png)
光电导效应的光电器件-回复光电导效应(photoconductive effect)是指材料在受到光照射时其电导性能发生变化的现象。
光电导效应可用于制造各种光电器件,如光电导电阻器、光电导电流器等。
本文将以光电导效应的光电器件为主题,逐步回答相关问题,解释其中的原理和应用。
第一部分:光电导效应的原理光电导效应是指材料在光照射下产生额外的自由载流子(电子和空穴),从而改变其电导性能。
这种效应的基本原理可以通过半导体材料的能带结构来解释。
半导体材料的能带结构分为价带和导带。
当物质处于基态时,价带中的电子几乎全部填满,导带中没有电子。
当光照射到材料上时,光子的能量可能被部分或全部转化为电子激发能,使得部分电子从价带跃迁到导带中,形成自由电子和空穴。
自由电子和空穴的产生增加了材料中的载流子浓度,进而提高了材料的电导率。
第二部分:光电导器件的基本结构和工作原理光电导器件利用光电导效应实现信号的转换和控制。
其中最常见的光电导器件是光电导电阻器,它由一块光敏材料和接线块组成。
光电导电阻器的基本结构如下:首先,将光敏材料片置于透明基板上。
材料选择上常采用石英、硅等半导体材料;然后,在光敏材料上薄膜形成一对电极,电极可采用导电材料如金属等制成;最后,通过接线块将电阻器与电路连接,形成一个封装完整的器件。
当光照射到光敏材料上时,光子的能量被转化为电子激发能,从而增加光敏材料中的自由载流子浓度。
这导致了光敏材料的电导率发生变化,从而改变了器件的电阻值。
当光照的强度增加时,材料中电子和空穴的浓度也增加,电导率增大,电阻值减小;反之,当光照的强度减小或消失时,电导率减小,电阻值增大。
第三部分:光电导器件的应用光电导器件由于其对光照射的敏感性以及其响应速度快等特点,被广泛应用于光电器件领域。
1. 光敏电阻:光敏电阻是光电导器件的一种应用。
它可以根据光照的强度变化调节电路的电阻值,从而实现光敏控制与信号检测。
2. 光敏开关:光敏开关是通过光电导效应控制开关状态的器件。
传感器第四章 光电式传感器原理与应用
![传感器第四章 光电式传感器原理与应用](https://img.taocdn.com/s3/m/88955d722e3f5727a5e962e4.png)
真空光电管的伏安特性
充气光电管的伏安特性
充气光电管: 构造和真空光电管基本相同,优点是灵敏度高. 所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体 其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差
4.1 光电效应和光电器件
4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用
4.1.2 光电倍增管
在入射光极为微弱时,光电管能产生的光电流就很小, 光电倍增管:放大光电流 组成:光电阴极+若干倍增极+阳极
光电倍增管的结构 与工作原理
光电阴极 光电倍增极 阳极 倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料,并且电 位逐级升高
阴极发射的光电子以高速射到倍增极上,引起二 次电子发射
4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管
1. 工作原理 2.ຫໍສະໝຸດ 基本特性1. 工作原理 结构与一般二极管相似,装在透明玻璃外壳中 在电路中一般是处于反向工作状态的
光敏二极管
光敏晶体管
与一般晶体管很相似,具有两个pn结。把光信 号转换为电信号同时,又将信号电流加以放大。
2. 基本特性
(1)光谱特性 (2)伏安特性 (3)光照特性 (4)温度特性 (5)频率响应
第4章 光电式传感器原理与应用
4.1 光电效应和光电器件 4.2 光电码盘 4.3 电荷耦合器件 4.4 光纤传感器 4.5 光栅传感器
光电式传感器
工作原理:把被测量的变化转换成光信号的变化,然后
通过光电转换元件变换成电信号。
1
2
辐射源
光学通路
I
光电元件
x1
x2
什么是光的光电探测器和光电导
![什么是光的光电探测器和光电导](https://img.taocdn.com/s3/m/f8028877e418964bcf84b9d528ea81c759f52e4a.png)
什么是光的光电探测器和光电导?光的光电探测器和光电导是光电传感器的重要类型,用于检测和测量光信号。
本文将详细介绍光的光电探测器和光电导的原理、结构和应用。
1. 光电探测器(Photodetector)的原理和结构:光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的器件。
它基于光子的能量被半导体材料吸收,激发带载流子,从而形成电流的原理。
最常见的光电探测器类型是光电二极管(Photodiode)和光电倍增管(Photomultiplier Tube),前文已经详细介绍过。
除了这两种常见类型,还有其他一些光电探测器,如光电晶体管、光电场效应晶体管和光电导等。
光电探测器的结构和工作原理与具体的类型有关。
总体而言,光电探测器通常包括光敏元件、电极、引线和封装等部分。
光敏元件是用于吸收光信号并产生电荷载流子的材料,电极用于收集和测量电流,引线用于连接光电探测器与外部电路,封装则是保护和固定光电探测器的外壳。
2. 光电探测器的应用:光电探测器在许多领域有着广泛的应用,包括但不限于以下几个方面:-光通信:光电探测器用于接收光信号,将光信号转换为电信号,并通过电路进行处理和解码,实现光通信的接收端。
-光测量:光电探测器可以用于测量光的强度、波长、频率和相位等参数,用于光谱分析、光度计和光谱仪等。
-光电检测:光电探测器可以用于检测物体的存在、位置和运动等,用于光电开关、光电传感和光电探测等应用。
-光电能转换:光电探测器可以将光能转化为电能,用于太阳能电池板和光伏发电系统等。
3. 光电导(Photoconductor)的原理和结构:光电导是一种能够根据光信号的强度来改变电导率的材料。
光电导的原理是光照射到材料上时,光子的能量被吸收,激发带载流子,从而改变材料的导电性能。
光电导材料通常是半导体材料,如硒化铟(Indium Selenide)、硒化镉(Cadmium Selenide)和硒化铅(Lead Selenide)等。
光电检测知识点
![光电检测知识点](https://img.taocdn.com/s3/m/5d6de8a2f46527d3250ce05c.png)
第一章名称解释1. 光通量2 坎德拉3. 照度4 半导体中的非平衡载流子5 绝对黑体6 基尔霍夫定律7 热噪声8 产生-复合噪声91/f 噪声知识要点半导体材料的光吸收效应(1) 本征吸收(2) 杂质吸收2. 非平衡载流子浓度载流子复合过程一般有直接复合和间接复合两种。
物体的光谱发射率总等于其光谱吸收比。
也就是强吸收体必然是强发射体。
维恩位移定律指出:当绝对黑体的温度增高时,单色辐出度的最大值向短波方向移动。
光电子发射过程可以归纳为以下三个步骤:(1) 物体吸收光子后体内的电子被激发到高能态;(2) 被激发电子向表面运动,在运动过程中因碰撞而损失部分能量;(3) 克服表面势垒逸出金属表面。
一般光电检测系统的噪声包括三种:(1) 光子噪声包括:信号辐射产生的噪声和背景辐射产生的噪声。
(2) 探测器噪声包括:热噪声、散粒噪声、产生-复合噪声、1/f 噪声和温度噪声。
(3) 信号放大及处理电路噪声在半导体器件中1/f 噪声与器件表面状态有关。
多数器件的1/f 噪声在300Hz 以上时已衰减到很低水平,所以频率再高时可忽略不计。
在频率很低时;l/f 噪声起主导作用;当频率达到中间频率范围时,产生-复合噪声比较显著;当频率较高时,只有白噪声占主导地位,其它噪声影响很小了光电探测器的合理选择(1) 根据待测光信号的大小,确定探测器能输出多大的电信号,即探测器的动态范围。
(2) 探测器的光谱响应范围是否同待测光信号的相对光谱功率分布一致。
即探测器和光源的光谱匹配。
(3) 对某种探测器,它能探测的极限功率或最小分辨率是多少—需要知道探测器的等效噪声功率;需要知道所产生电信号的信噪比。
(4) 当测量调制或脉冲光信号时,要考虑探测器的响应时间或频率响应范围。
(5) 当测量的光信号幅值变化时,探测器输出的信号的线性程度。
第二章名称解释光源的发光效率色温色表显色性相关色温分布温度知识要点选择光源时,应综合考虑光源的强度、稳定性、光谱特性等性能根据斯奇芬-玻尔兹曼定律知,物体只要其温度大于绝对零度,都会向外界辐射能量,其辐射特性与温度的四次方有关气体放电光源具有下述特点;1. 发光效率高。
光电检测技术复习
![光电检测技术复习](https://img.taocdn.com/s3/m/e60301d6f8c75fbfc77db25d.png)
第四章 光电导器件
• 工作原理 • 主要特性参数 • 偏置电路和噪声 • 特点与应用
工作原理
• 基于内光电效应(光电导效应) • 暗电流、亮电流、光电流及三者的关系
IP
U L
A
U L
q( nn
p p
)A
qUN L2
(
n
p
)
主要特性参数
• 光电灵敏度 g p Sg E
• 用负载电阻实现电流电压转换
• 用运算放大器实现电流电压转换
光电倍增管的应用
– 负电子亲合势及其特点
光电管与光电倍增管
• 光电管
– 玻壳、光电阴极和阳极组成,真空型和充气型
• 光电倍增管
– 基于外光电效应和二次电子发射效应 – 结构上与光电管的区别:电子光学系统和倍增
级
光电倍增管
• 工作原理 • 典型参数
阴极K
D2
D4
D1
D3
D5
U1 U2 U3
U4 U5
U6
A阳极 μA
I p I0 (e kT 1)
硅光电池
• 特性参数
– 光照特性——开路时、短路时、有限负载时
线性区
IL
Uoc1 Uoc2 Uoc3 Uoc4
Isc1 Isc2
Isc3
E1
U
E2
E3 E4
RL2
Isc4
RL1
硅光电二极管和三极管
• 一般在反向偏压下工作
I
E=0
U
E1
E2 光导工作区
qU
IL I p I0( e kT 1) IP I0 IP SEE
光电技术 第4-3节 半导体结型光电器件
![光电技术 第4-3节 半导体结型光电器件](https://img.taocdn.com/s3/m/655903fff705cc175527098d.png)
3、光电导器件的光电效应主要依赖于 非平衡载流子中多数载流子的产生与复合 运动,驰豫时间大,响应速度慢,频率响 应性能较差。而光伏器件主要依赖于结区 非平衡载流子中少数载流子的漂移运动, 驰豫时间短,频率特性好。 4、有些器件如APD(雪崩二极管)、 光电三极管等具有很大的内增益,不仅灵 敏度高,还可以通过较大的电流。 基于上述特点,PV探测器应用非常广 泛,多用于光度测量、光开关、图象识别、 自动控制等方面。
1、光电池的结构特点
光电池核心部分是一个PN结,一般作成 面积大的薄片状,来接收更多的入射光。 在N型硅片上扩散P型杂质(如硼),受 光面是P型层 或在P型硅片上扩散N型杂质(如磷), 受光面是N型层
受光面有二氧化硅抗反射膜,起到增透作 用和保护作用。
上电极做成栅状,便于更多的光入射。 由于光子入射深度有限,为使光照到PN 结上,实际使用的光电池制成薄P型或薄N型。
§3半导体结型光电器件
半导体结型光电器件是利用半导体PN结光生伏特效应来工作的光电探测器, 简称PV(photovoltall)探测器。按照对 光的敏感“结”的种类不同,又可分为 pn结型,PIN型,金属一半导体结型(肖 特基势垒型)和异质结型,最常用的光伏 探测器有光电池、光电二极管、光电三极 管、PIN管,雪崩光电二极管等。
开关测量(开路电压输出)。
线性检测(短路电流输出)
随着负载RL的增大,线性范围将越来越小。 因此,在要求输出电流与光照度成线性关系时, 负载电阻在条件许可的情况下越小越好,并限 制在适当的光照范围内使用。
4、光电池的应用
(1)光电探测器件
利用光电池做探测器有频率响应高,光电
流随光照度线性变化等特点。
一、结型光电器件工作原理
1、平衡下的P-N结 由半导体理论可得: ①势垒高度
(完整版)第四章光电信号检测电路
![(完整版)第四章光电信号检测电路](https://img.taocdn.com/s3/m/a056f506e55c3b3567ec102de2bd960590c6d9d4.png)
4.2 光电信号输入电路的静态计算
静态计算法是对缓慢变化的光信号采用直流电路 检测时使用的设计方法,由于光电检测器件的非线 性伏安特性,所采用的方法包括非线性电路的图解 法和分段线性化的解析法。
按照伏安特性的基本性质可分为三种类型:恒流 源型、光伏型和可变电阻。
4.2.1 恒流源型器件光电信号输入电路
0 Q
UQ
图解法 分析:
U
O
U
光伏型器件负载电阻和光通量的影响分析:
伏安特性 非线性
光通量较小时 近似线性关系 光通量较大时 逐渐饱和状态
电阻越大越明显
RL 0
RM
RL↑
负载电阻的选取影响输出信号
UM
短路电流或线性电流放大(区域I) 空载电压输出(区域IV) 线性电压输出(区域 II)
短路电流或线性电流放大区域 I
1、负载电阻很小,接近于0,电 路工作状态接近于短路工作状态, 可实现电流变换。后续电流放大 级可从光电池中吸取最大的输出 电流。此时输出电流为:
I
I I p Is eIRL UT 1 RL 0
I p Isc S
和 I S
RL 0
i
R1 I
II
RM
Isc2 2 I sc1 1
O
所以 R
S Gp Gd 2
R2S
即有:I
R 2U b S
R RL 2
和
U L
RLI L
R 2U b S
R RL 2
RL
练习思考
R IL
10K
UL
Ub
已知负载10k,偏置电压100V,光电导灵敏度为 S=0.5×10-6S/lm,暗电导为0,假设静态工作点光通量 为100lm时,光敏电阻阻值为20k,试求光通量在50lm 到150lm的范围内变化时电路负载上输出电流和输出电
光电检测作业题
![光电检测作业题](https://img.taocdn.com/s3/m/af95201410a6f524ccbf8589.png)
光电检测考试题第一章光电检测应用中的基础知识1、分别解释光电导效应、光生伏特效应、光电发射效应。
答:(1)光电导效应:当半导体材料受到光照时,由于吸收光子使其中的载流子浓度增大,导致材料的电导率增大。
(2)光生伏特效应:在PN结光伏器件中,当光投向P区时,在近表面层内激发出电子-空穴对,其中电子将扩散到PN 结区并被结电场拉到N区,同时空穴将进入P区,若P层的厚度小于电子的扩散长度,光子也可能穿透P区到达N区,激发出电子-空穴对,这些光生载流子被结电场分离后,空穴流入P区,电子流入N区,在结区两边参生势垒。
(3)光电发射效应:也称外光电效应,就是在光的作用下,物体内部的电子逸出物体表面向外表发射的现象。
2、光电探测器特性参数有哪些。
答:①响应率②光谱响应率③等效噪声率④探测率与比探测率⑤时间常数⑥线性⑦量子效率3、光电探测系统的噪声有哪几类。
答:可分三类:(1)光子噪声:①信号辐射产生的噪声②背景辐射产生的噪声;(2)探测器噪声:①热噪声②散粒噪声③产生-复合噪声④1/f噪声⑤温度噪声;(3)信号放大及处理电路噪声;4、光辐射探测器的几种噪声,并分别解释。
答:①热噪声:载流子热运动引起的电流起伏或电压起伏;②散粒噪声:随机起伏所形成的噪声;③产生-复合噪声:在外加电压下,电导率的起伏使输出电流中出现产生-复合噪声;④1/f噪声:噪声的功率谱近似与频率成反比;⑤温度噪声:由于器件本身温度变化引起的噪声。
5、如何合理选择光电探测器。
答:①根据待测光信号的大小,确定探测器的动态范围;②探测器和光源的光谱匹配;③须知道探测器的等效噪声功率,所产生电信号的信噪比;④测量调制或脉冲光信号时,要考虑探测器的响应时间或频率响应范围;⑤当测量的光信号幅值变化时,探测输出信号线性程度。
除此之外,还需考虑其稳定性、测量精度、测量方式等因素。
6、光电效应分为哪几种,分别解释。
答:光电效应分为内光电效应和外光电效应,内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。
光电导器件(光敏电阻)
![光电导器件(光敏电阻)](https://img.taocdn.com/s3/m/564a2b6a2e60ddccda38376baf1ffc4ffe47e234.png)
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
生物光子学第4章概要
![生物光子学第4章概要](https://img.taocdn.com/s3/m/0c3b2d0076eeaeaad0f3309f.png)
准单色和 单色光源
发光二极管(LED) 气体激光器
激光器(LASER) 液体激光器
原子激光器(He-Ne)
分子激光器(CO2) 离子激光器(Ar+)
准分子激光器
固体激光器(红宝石激光器、钛宝 石激光器、Nd:YAG Laser)
半导体激光器(LD)
5
4.1 光源
4.1.2 生物医学检测、临床诊断和治疗中的激光器 1、分光光度计中的光源
分光光度测量 获得的是物质 在不同波长下 的吸光度,要 求光源能提供 波长稳定而强 度足够的光。
6
4.1 光源
2、临床诊断中的光源
利用光信息检测有望实现疾病的早期发现。
考虑到组织体对光的吸收,光学诊断中应用的光波长大多位于诊断 和治疗的光学窗口,即600~900nm波段,也有一部分位于近红外光 的更远部分(如血糖检测中考虑糖的吸收,要求波长>1000nm)。
• 噪声特性:主要来源于暗电流、背景光电流以及负载电阻的热 噪声;如果信号变化缓慢,还要考虑1/f噪声。
24
4.2 光电探测器
(2)光电导探测器(光敏电阻)
• 光电导探测器的工作原理是基于光电导效应。 • 光电导效应:在光线作用下,电子吸收光子能量从键合状态过渡
到自由状态,而引起材料电阻率变化,这种效应称为光电导效应。
29
4.2 光电探测器
红外区灵敏的光 敏电阻的光谱特 性曲线
PbS探测器波长响应范围在1~3.4微米,峰值响应波长为2微米,内阻
大约为1兆欧,响应时间约200微秒,室温工作,广泛应用手遥感技术
和武器红外制导技术。
lnSb探测器光谱响应范围3~5微米,内阻低(大约50Ω),响应时间短
光电导器件
![光电导器件](https://img.taocdn.com/s3/m/c9180f7e5acfa1c7aa00cc5d.png)
• 当光照稳定时,光生载流子的浓度为
n0 p0 g g载流子产生率 寿命 s 1 g hv V V 材料体积 量子效率
• 无光照时,光敏电阻的暗电流为
( U 0 A qUA n0 n p0 p) Id L L
• 光照时,光敏电阻的光电流为
( U A qUA n n p p) Ip L L
光谱特性多用相对灵敏度与波长的关系曲线表示。从这 种曲线中可以直接看出灵敏范围、峰值波长位置和各波 长下灵敏度的相对关系。
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
在可见光区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线
硫化镉单晶、硫化镉与硒化镉混合多晶,硫化镉多晶 、硒化镉多晶等几种光敏电阻的光谱特性曲线覆盖了 整个可见光区,峰值波长在515~600nm之间。这 与人眼的光谱光视效率V(λ)曲线的范围和峰值波长 (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。不过它们的 形状与V(λ)曲线还不完全一致。如直接使用,与人 的视觉还有一定的差距,所以必须加滤光片进行修正 ,使其特性曲线与V(λ)曲线完全符合,这样即可得 到与人眼视觉相同的效果。
Ip=SgEU
6. 温度特性
光敏电阻的温度特性很复杂,在一定的照度下, 亮电阻的温度系数α有正有负,
(R 2 -R1 ) = (T2 -T1 ) R1
R1、R2分别为与温度T1、T2相对应的亮电阻。
硫化镉光敏电阻的温度特性曲线 a) 硫化镉单晶 b) 硫化镉多晶
温度对光谱响应也有影响。一般说,光谱特 性主要决定于材料,材料的禁带宽度越窄则 对长波越敏感,但禁带很窄时,半导体中热 激发也会使自由载流子浓度增加,使复合运 动加快,灵敏度降低。因此,采取冷却灵敏 面的办法来提高灵敏度往往是很有效的。
第4章光电导探测器
![第4章光电导探测器](https://img.taocdn.com/s3/m/85129b8277eeaeaad1f34693daef5ef7bb0d1211.png)
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
第四章 光电成像器件
![第四章 光电成像器件](https://img.taocdn.com/s3/m/32f4f9103968011ca30091ed.png)
电荷耦合器件(CCD)
CCD类型: 表面沟道CCD(SCCD):电荷包存储在半导体与 绝缘体之间的界面,并沿界面传输; 体沟道CCD(BCCD):电荷包存储在离半导体表 面一定深度的体内,并在半导体体内沿一定方向传 输——用离子注入方法改变转移沟道的结构,从而 使势能极小值脱离界面而进入衬底内部,形成体内 的转移沟道,避免了表面态的影响,使得该种器件 的转移效率高达99.999%以上,工作频率可高达 100MHz,且能做成大规模器件。 下面以表面沟道CCD为例介绍CCD基本原理
电荷耦合器件(Charge Coupled Device,即CCD) 互补金属氧化物半导体图像传感器(即CMOS) 电荷注入器件(Charge Injection Device,即CID)
4.3 电荷耦合器件
CCD(Charge Coupled Devices)
CCD图像传感器主要特点:
双列两相线阵CCD结构
光敏区:光敏二极管阵列,每个光敏元是一个像素。
转移栅:MOS电容构成,蔽光;控制光生电荷向移位寄存器转移。
移位寄存器:MOS电容构成,蔽光;控制光生电荷扫描移向输出端。
输出端:将光生电荷包转换为视频信号输出。
在Al电极上加驱动信号,MOS阵列使光生电荷包 自扫描输出。
输出端:输出栅OG;
进一步说明:
栅电极G
氧化层
P型半导体
耗尽区 浅势阱
反型层 深势阱
uG=0
uG<uth(MOS晶体管的开启电压)
uG>uth
电荷耦合器件工作在瞬态和深度耗尽状态
光电传感技术第四章-光生伏特器件
![光电传感技术第四章-光生伏特器件](https://img.taocdn.com/s3/m/6712ccdcda38376baf1fae87.png)
1.硅光敏二极管
1)硅光敏二极管的工作原理-基本结构 光敏二极管(photo diode)可分为以P型硅为衬底的2DU型 与以N型硅为衬底的2CU型两种结构形式。
在高阻轻掺杂的P型硅片上通过扩散或注入的方式生成很 浅的N型层。在N型层的上面氧化生成极薄的SiO2保护膜,保 护光敏面并增加器件对光的吸收。
雪崩光敏二极管的工作偏压必须适当。过小时,增 益太小;过大时,噪声大,且电压过高可能使管子被击 穿烧毁。由于击穿电压会随温度漂移,必须根据环境温 度变化相应调整工作电压。
3. 雪崩光敏二极管
3)噪声
由于雪崩光敏二极管中载流子的碰撞电离是不规则的,碰撞后的运 动方向更是随机的,所以它的噪声比一般光敏二极管要大些。在无倍增 的情况下,其噪声电流主要为散粒噪声。当雪崩倍增M倍后,雪崩光敏二 极管的噪声电流的均方根值可近似由下式计算。
2 q ηλ (Φs + Φb ) 2 4 KT∆f I n2 = ∆f + 2qI d ∆f + hc RL
1.硅光敏二极管
光敏二极管正向电阻约10k Ω左右。在无光照情况下, 反向电阻为∞ ;有光照时,反向电阻随光照强度增加而 减小,阻值可达到几k Ω或1k Ω以下。在光照下,其电压 电流与光照强度成比例,电压可达0.2-0.4V。短路电流可 达数十至数百μA。
2.PIN型光敏二极管
为了提高PN结硅光敏二极管的时间响应,消除在PN结 外光生载流子的扩散运动时间,常采用在P区与N区之间生成I 型层,构成PIN结构光敏二极管。 PIN光敏二极管在反 向电压作用下,耗尽区 扩展到整个半导体,光 生载流子只产生漂移电 流,因此, 它的时间响 应只取决于τdr 与τRC ,在 10-9s左右。
2)工作原理 在强电场作用下,当通过耗 尽区的每个载流子平均能产生一 对电子—空穴时,就发生雪崩击 穿现象。当M→∞时,PN结上所 加的反向偏压就是雪崩击穿电压 UBR。 从伏-安特性曲线可以看出, 在雪崩击穿点附近电流随偏压变 化的曲线较陡,当反向偏压有较 小变化时,光电流将有较大变化。
光电导效应的光电器件
![光电导效应的光电器件](https://img.taocdn.com/s3/m/ba2eff9432d4b14e852458fb770bf78a65293abd.png)
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)
![光电导器件(光敏电阻)](https://img.taocdn.com/s3/m/2a4594dd1b37f111f18583d049649b6648d709dc.png)
: 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
光电导的工作原理
![光电导的工作原理](https://img.taocdn.com/s3/m/698ff090c0c708a1284ac850ad02de80d5d80660.png)
光电导的工作原理光电导是一种光电转换器件,能够将光能转化为电能。
它在光学通信、光电测量、光电能量转换等领域具有广泛的应用。
本文将从物理原理、结构组成和工作过程三个方面介绍光电导的工作原理。
一、物理原理光电导的工作原理基于光电效应。
光电效应是指当光照射到某些物质表面时,光子可以激发材料中的电子从价带跃迁到导带,产生自由载流子(电子或空穴)。
这些自由载流子的移动形成了电流,实现了光能到电能的转换。
二、结构组成光电导的主要结构包括光电转换层、衬底和电极。
光电转换层是光电效应的关键部分,通常采用具有良好光电特性的材料,如硅(Si)、锗(Ge)、硒化镉(CdS)等。
衬底则为光电转换层提供支撑,并具备一定的导电性能。
电极用于连接外部电路,将产生的电流导出。
三、工作过程当光照射到光电转换层上时,光子的能量被转移给该层中的电子,使电子跃迁到导带中成为自由载流子。
这些自由载流子在光电转换层中随机运动,并且受到衬底和电极的影响,形成电流。
光电导通过将电流导出,实现了光能到电能的转换。
值得注意的是,光电导的工作效率与光照强度成正比。
当光照强度增大时,光电导产生的电流也随之增加。
此外,光电导的工作效率还与光电转换层的材料特性和结构设计有关。
不同的材料和结构可以对不同波长范围的光进行选择性吸收和转换,以实现更高的能量转化效率。
总结:光电导是利用光电效应将光能转化为电能的器件。
它的工作原理基于光电效应,光照射到光电转换层上时,光子激发材料中的电子从价带跃迁到导带,形成自由载流子,从而产生电流。
光电导的结构主要包括光电转换层、衬底和电极,其中光电转换层是关键部分,衬底和电极用于提供支撑和连接外部电路。
光电导的工作效率与光照强度、材料特性和结构设计有关。
在实际应用中,可以根据需求选择不同的材料和结构,以提高光电转换的效率和性能。
(字数:394)。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
光谱特性多用相对灵敏度与波长的关系曲线表示。从这种曲线中可以直接看出灵敏范围、峰值波长位 置和各波长下灵敏度的相对关系。见图 4− 7 和图 4− 8。
4.2. 5 响应时间和频率特性 光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是需要一定时间的,这个时间叫响应时间;同样,当光照 停止后光电流也是逐渐消失的。以上整个过程如图 4− 9 所示,称为光电导弛豫过程。它反映了光敏电阻 的惰性,响应时间长说明光敏电阻对光的变化反应慢或惰性大。
J 0 E x q p (b 1) Ex
s hvV
(4−5)
由于光照的增加,电导率增加了,光电流也增加了。 也可以推导出光电流随半导体电导率变化的公式。若无光照时,图 4− 1 所示光敏电阻 的暗电流为
Id
式中:L——光电导体长度; A——光电导体横截面面积。
V 0 A L
t p p0 exp( )
(4− 14)
光照停止后,定义光生载流子下降到稳定值的 37%时所需的时间为下降时间。上升时间和下降时间相 等,同等于载流子寿命,t = τ。 当输入光功率按正弦规律变化时,光生载流子浓度随光调制频率变化的关系为
p
g 1 w
2 2
p0 1 w
qAV(n0 n p0 p ) L
在光辐射作用下,假定每单位时间产生 N 个电子 −空穴对,它们的寿命分别为 τn 和 τp,那么,由于光 辐射激发增加的电子和空穴浓度分别为
n p
N n AL N p AL
于是,材料的电导率增加了 Δσ, q(nn p p ) 称为光电导率。由光电导率 Δσ 引起的光电 流为
4.1. 2 光敏电阻的工作原理 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。无光照时, 光敏电阻的阻值很大,电路中电流很小。接受光照时,由光照产生的光生载流子迅速增加,它的阻值急剧 减少。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。 如图 4−1 所示,当光电导体上加上电压,无光照时光电导体具有一定的热激发载流子浓度,其相应的 暗电导率为
0 q(n0 n p0 p )
有光照时产生的光生载流子浓度用 Δ n 和 Δ p 表示。光照稳定情况下的电导率为
(4−1)
0 q[(n0 n)n ( p0 p) p ]
得到光电导率为ห้องสมุดไป่ตู้
(4−2)
0 q(nn p p ) q p (bn )
式中,b = μn / μp 为迁移比。 在恒定的光照下,光生载流子不断产生,也不断复合。当光照稳定时,光生载流子的浓度为
(4−3)
n0 p0 g
其中, g 为载流子产生率。若入射的光功率为 ,两者的关系为
g
式中,η 为量子效率,V 为材料体积。
s hvV
(4−4)
在电场强度的作用下,短路光电流密度为
I = Ip + I D = gpU + gdU = SgEU + gd U = ( SgE + gd )U = gU (4− 8) 式中,I 为亮电流;I D 为暗电流; gd 为暗电导; g 为亮电导。所以若考虑暗电流时光敏电阻的光电导为 gp = g − gd 4.2. 2 光电导增益 光电导增益 M 是光敏电阻的一个重要特性参数,它表示长度为 L 的光电导体两端加上电压 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,并由 式(4− 6)得
M Mn M p
tn
tp
(
1 1 ) tn t p
如果把 1/t n 和 1/tp 之和定义为 1/tdr,即
1 1 1 tdr tn t p
式中,tdr 称为载流子通过极间距离 L 所需要的有效渡越时间,于是
M
tdr
4.2. 3 量子效率 光电导器件的量子效率 η,表示输出的光电流与入射光子流之比。 假设入射的单色辐射功率中 Φ(λ )能产生 N 个光电子,则量子 效率
2 2
(4 − 15)
可见,输出光电流与调制频率的关系具有低通特性,如图 4− 10 所示。光电导的弛豫特性限制了器件 对调制频率高的光信号的响应。 许多光电导材料在弱光照时表现为线性光电导,即光电导与入射光功率成正比,其时间响应和频率响 应规律如图 4− 9 和图 4− 10 所示。而在强光照时光电导与入射光功率的平方根成正比,呈抛物线特性。这 时定义其上升和下降时间仍是 t= 。但它们相当于上升到稳态值的 76%,下降到稳态值的 50%。
通常材料突然受光照到稳定状态时,光生载流子浓度的变化规律为
t p p0 1 exp( )
其中,Δp0 为稳态光生载流子浓度。 定义光生载流子浓度上升到稳态值的 63%所需的时间称为光敏电阻的上升响应时间。 同样,在停止光照后光生载流子浓度的变化为
(4− 13)
(4 − 7)
Gp 为光电导,单位为西门子 S(Ω-1);E 为照度,单位为勒克斯(lx)。所以 S g 单位为西门子每勒克斯(S /lx)或 Sm2/W。 gp 称为光敏电阻的光电导,可表示为
gp
Ip U
Sg E
或
gp = S gΦ 注意以上两式中 Sg 单位不同。若考虑暗电导产生的电流时,则流过光敏电阻的电流为
()
N Nhv () / hv ()
(4− 10)
这是个无量纲的量,它表示单位时间内每人射一个光子所能引 起的载流子数。图 4− 5 分别为硅和锗的量子效率 η 与波长 λ 的关 系曲线。
4.2. 4 光谱响应率与光谱响应曲线 因为通常人射光的单位以瓦或流明数表示,量子效率在实际应用上很不方便。一般用安/瓦为单位的 光谱响应率来表征光敏电阻的特性。光谱响应率表示在某一特定波长下,输出光电流 (或电压)与入射辐射 能量之比。输出光电流为
光敏电阻是在一块均质光电导体两端加上电极, 贴在硬质玻璃、 云母、 高频瓷或其他绝缘材料基板上, 两端接有电极引线,封装在带有窗口的金属或塑料外壳内而成的,如图 4−2。
光敏电阻分为两类——本征型光敏电阻和掺杂型光敏电阻,前者只有当入射光子能量 hv 等于或大于 半导体材料的禁带宽度 Eg 时才能激发一个电子−空穴对,在外加电场作用下形成光电流,能带结构如图 4−3(a)所示;后者如图 4−3(b)所示的 N 型半导体,光子的能量 hv 只要等于或大于△E(杂质电离能)时,就 能把施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子,在外加电场作用下形成电流。从原理上说, P 型、N 型半导体均可制成光敏电阻, 但由于电子的迁移率比空穴大, 而且用 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。为了减少杂质能级上电子的热激发,常需要在 低温下工作。
第4章 光电导器件
1.光敏电阻的工作原理 2.光敏电阻的特性参数 3.光敏电阻的偏置电路和噪声 4.光敏电阻的特点和应用
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件。 所谓光电导效应是当材料受到 光辐射后, 材料的电导率发生变化的现象。 对于每一种半导体或绝缘体来说, 它们都有一定的光电导效应, 但只有其中一部分材料经过特殊处理,掺进适当杂质,才有明显的光电导效应。现在使用的光电导材料有 Ⅱ−Ⅵ族、Ⅲ −V 族化合物,硅、锗及一些有机物等。最典型也是最常用的光电导器件是光敏电阻。 光敏电阻有以下特点: ①光谱响应范围宽,尤其是对红光和红外辐射有较高的响应度; ②偏置电压低,工作电流大; ③动态范围宽,既可测强光,也可测弱光; ④光电导增益大,灵敏度高; ⑤光敏电阻无极性,使用方便。 本章主要介绍光敏电阻的工作原理、基本特性和基本偏置电路。 4. 1 光敏电阻的工作原理 4.1. 1 光敏电阻的结构和分类 光敏电阻是用光电导体制成的光电器件,又称光导管,其符号如图 4−1 所示。
当光敏电阻接收交变调制光(入射光为 Φ(t)=Φ·e jwt)时,随着调制光频率的增加,输出电压会减小。当 输出的相对幅值下降至 0.707 倍(相应的零频时的信号功率为一半)时,入射光的频率就是该光敏电阻的截 止频率 f3dB。
截止频率表示为
f 3dB
1 2
(4 − 16)
可见,响应时间与响应频率是完全等价的。一般对脉冲光信号用响应时间 τ 来描述,而对正弦调制光 信号用频率响应来描述,图 4− 11 给出了 4 种不同材料光敏电阻的频率响应曲线。
4.2. 6 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,式(4− 11)给出了光电流与入 射单色辐射通量之间的关系,即
I p ( ) q
( )
hv tdr
由前面分析可知,当弱光照时 τ、tdr 不变,Ip(λ )与 Φ(λ )成正比,即保持线性关系。但当强光照时,τ 与光电子浓度有关, tdr 也会随电子浓度变大或出现温升而产生变化,故 Ip(λ ) 与 Φ(λ )偏离线性而呈非线性。一般采用表示光敏电阻的光电特性的公式为
Ip
UA qAU(nn p p ) qNU 2 ( n n p p ) L L L
(4− 6)
由式(4− 6)知道,光敏电阻的光电流,Ip 与 L 的平方成反比。因此在设计光敏电阻时为了既减小电极 间的距离 L,又保证光敏电阻有足够的受光面积,一般采用图 4− 4 所示的几种电极结构。
(4 − 12)
从式(4− 12)看出,增大增益系数可得到很高的光谱响应率,实际上常用的光敏电阻的光谱响应率小于 1 A/W,原因是高增益系数的光敏电阻的电极间距很小,使得光敏电阻集光面积太小而不实用。若延长 载流子寿命也可提高增益因数,但这样会降低响应速度,因此在光敏电阻中,增益与响应速度是相互矛盾 的两个量。 不同频率时的光谱响应率连接起来就成为光谱响应曲线。 图 4− 6(a)为本征光电导材料的理想光谱响应曲线。 但是实际光电导材料对各种波长辐射的吸收系数不 同,在材料不同深度上获得的光功率为 Φ = Φs( 1 − e -ay )也不同。在较长波长上,吸收系数很小,一部分辐 射会穿过材料,量子效率较低。随着波长减小,吸收系数增大,入射光功率几乎全被材料吸收,光电导率 将达到峰值。当波长再减小时,吸收系数进一步增加,靠近材料表面附近光生载流子比较密集,致使复合 增加,光生载流子寿命减低,量子效率也随之下降,向短波长方向的光谱响应显著下降。一般情况下峰值 靠近长波限, 实际定义长波限为峰值一半处所对应的波长。 光电导材料的光谱响应的一般规律如图 4− 6(b) 所示。