第3章半导体光电导器件

I p ( ) qNM q I p ( )
( )
hv
M
则光谱响应率： ( ) hv hc 若将光敏电阻电极间距减小，使光敏电阻集光 面积太小而不实用，若延长载流子的寿命也可提高 增益因数，但会减慢相应速度。因此增益与响应速 度是相矛盾的 S ( ) q

M q

第三章 半导体光电导器件
光电子技术教研室
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。最典型的光电导 器件是光敏电阻。 用途：照相机，光度计，光电自动控制，能 量辐射物搜索，红外热成像，红外通信方面 等。
光敏电阻与其它半导体光电器件相比有以下特 点： ①光谱响应范围相当宽，根据光电导材料 的不同，光谱响应范围可从紫外、可见光、近 红外扩展到远红外。 ②工作电流大，可达数毫安。 ③所测的光强范围宽，既可测强光。也可 测弱光。 ④灵敏度高，光电导增益大于一。 ⑤偏置电压低，无极性之分。
光敏电阻和其他半导体光电器件相比有以下特点： 1.光谱响应范围宽。根据材料不同，有的在可见光灵 敏，有的灵敏域可达红外区、远红外区。 2.工作电流大，可达数毫安。
3.所测的光强范围宽，既可测弱光，也可测强光。
4.灵敏度高，通过对材料、工艺和电极结构的适当选 择和设计，光电增益可大于1。 5.无极性之分，使用方便。 缺点：在强光照下光电线性较差，光电弛豫时间长， 频率特性较差，因此它的应用领域受到一定限制。
Ip——光电流，即光敏电阻两端加上 一定电压后亮电流I与暗电流Id之差。 E——光照度。 R——光照指数，它与材料和入射光强 弱有关。 U——光敏电阻两端所加电压。 a——电压指数，它与光电导体和电极 材料之间的接触有关。
Sg——光电导灵敏度。
2.光谱响应特性
光敏电阻的光谱能量之比。
光敏电阻的不足之处是：在强光照射下 光电转换线性较差；光电弛豫过程较长； 频率响应很低。因此它的使用受到一定限 制。 光敏电阻的主要用途是：用于照相机、 光度计、光电自动控制、辐射测量、能量 辐射物搜索和跟踪、红外热成像和红外通 信方面作辐射接收元件。
3.1 光敏电阻
1、光敏电阻的工作原理 最简单的光敏电阻原理回及其符号如图所示。 它是在均质的光电导体两端加上电极后构成 为光敏电阻，两电极加上一定电压后，当光 照射到光电导体上，由光照产少的光生载流 子在外加电场作用下沿一定方向运动，在电 路中产生电流，达到了光电转换的目的。
其工作原理是：当照度下降到设置值时由 于光敏电阻阻值上升使运放IC的反相端电 位升高，其输出激发VT导通，VT的激励电 流使继电器工作，常开触点闭合，常闭触 点断开，实现对外电路的控制。
3.停电自动报警电路 图a所示是停电自动报警电路。电路中，VD2是交流电 电源指示灯，VD4是红色发光二极管，R4是光敏电阻器， BL1是扬声器，VT1、VT2和周围元器件构成一个低频振荡 器。
1000lx 550lx 300lx 100lx
50mW V
10
20
30
5.温度特性
光敏电阻的性能(灵敏度，暗电阻)受温度的影响较大。 随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线 的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流I和温度T的 关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较 长波段的辐射，将元件降温使用。
4、伏安特性 指在一定光照下，光敏 电阻器上的外加电压与流过光 mA 敏电阻器的电流之间的关系曲 15 线。从图可以看出两个明显的 10 特点，一是在额定功率范围内 5 （如50mW）光电流与所加电压 成线性关系，即电流正比于所 施加外电压。二是当光敏电阻 器上承受的功率超过它本身的 额定功率后，曲线开始变弯， 趋向饱和，电流并未继续增大， 即大部分光生载流子已参与为 光电流。
本征型半导体光敏电阻的长波限，因此对红外波段较为灵敏。
3、光敏电阻的基本结构
为了提高光敏电阻的光电导灵敏度，要 尽可能的缩短光敏电阻两电极间的距离，这 就是光敏电阻结构设计的基本原则。 图中光敏面为梳形结构，两个梳形电极 之间为光敏电阻材料，由于两个梳形电极靠 的很近，电极间距很小，光敏电阻灵敏度很 高。
例题：1、CdS光敏电阻控制继电器，外加 电源12V，CdS在照度为200lx的亮电阻为 2K欧姆，继电器的线圈电阻R为1K欧姆， 继电器的吸合电流为2mA，问需要多少 照度时才能使继电器吸合？光照指数， 电压指数为1.
2.若CdS的暗电阻为10M欧姆，在照度 100lx时亮电阻为5K欧姆，用它控制继电 器，如果继电器的线圈电阻为4K欧姆， 吸合电流为2mA，需要多少照度才能使 继电器吸合？
图中为光敏面为蛇形的光敏电阻， 光电导材料做成蛇形，光电导材料的两 侧为金属导电材料，并在上面设置电极， 显然这种光敏电阻的电极间距也很小， 提高了光敏电阻的灵敏度。
图中为刻线式结构的光敏电阻侧向 图，在备置好的光敏电阻衬基上刻出狭 窄的光敏材料条，然后再蒸涂金属电极 构成刻线式结构的光敏电阻。
（2）硫化铅（PbS）光敏电阻 PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的 光电导器件，PbS光敏电阻常用真空蒸发 或化学沉积的方法制备。由于PbS光敏电 阻在2微米附近的红外辐射的探测灵敏度 很高，因此常用于火灾等领域的探测。
（3）锑化铟（InSd）光敏电阻 InSd光敏电阻为3-5微米光谱范围内的主 要探测器件之一，InSd光敏电阻由单晶材料 制备，制造工艺成熟，经过切片，磨片，抛 光后的单晶材料，再采用腐蚀的方法减薄到 所需要的厚度，制成单晶InSd光敏电阻，这 种材料不仅适用于制造单元探测器件，也适 宜制造阵列红外探测器件。
4．照相机电子测光电路 下图所示是照相机电子测光电路。在中档照相机中， 光敏电阻器作为电子测光元件。电路中，Rl是光敏电阻器， R2是热敏电阻器，VD1和VD2是发光二极管。
应用举例
M
3.频率特性
曲线1和曲线2分别表示硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性
光敏电阻的频率特性较差。 当光敏电阻受到脉冲光照时，光电流要经过一段时间才 能达到稳态值，光照突然消失时，光电流也不立刻为零。这 说明光敏电阻有时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延特 性不同，所以它们的频率特性也不相同，可以看出硫化铅的 使用频率比硫化镉高的多。
光敏电阻的主要特性参数
1、光电特性 当入射照度为E时，光敏电阻有光电流Ip产生， 光电流与光照度的关系称为光电特性。 γ α 光电特性为：Ip=SgE U
其中γ为光照指数，与材料和入射光强弱有 关系，弱光下γ=1，强光下为1/2。 α为电压指数，与光电导体和电极材料之间 的接触有关。
Ip=SgErUa
光敏电阻的应用
光敏电阻的应用广泛，例如：照相机自动测光、光 电控制、室内光线控制、报警器、工业控制、光控开关、 光控灯、电子玩具、光控音乐IC、 电子验钞机等各个领 域。 1.光敏电阻调光电路
2.光控开关电路
图a是一种光控开关电路，这一光控开关电路可以用 在一些楼道、路灯等公共场所。通过光敏电阻器，它在 天黑时会自动开灯，天亮时自动熄灭。电路中，VS1是晶 闸管，Rl是光敏电阻器。
4、典型光敏电阻
（1）对紫外光灵敏的光敏电阻： 硫化镉（CdS）和硒化镉（CdSe） （2）对可见光灵敏的光敏电阻： 硫化铊（TiS）和硫化镉（CdS）和 硒化镉（CdSe） （3）对红外光灵敏的光敏电阻： 硫化铅（PbS），硒化铅（PbSe）， 碲化铟（InSd）等
4、典型光敏电阻
（1）硫化镉（CdS）光敏电阻 它是最常见的光敏电阻，它的光谱相 应最接近人眼光谱光视效率，它在可见 光波段范围内的灵敏度最高。其光敏面 常为蛇形光敏面结构。 广泛应用于灯光的自动控制，以及 照相机的自动测光等。
2、根据半导体材料的分类，光敏电阻有两 种类型—本征型半导体光敏电阻和掺杂型 半导体光敏电阻。 （1）本征型半导体光敏电阻 只有当入射光子能量等于或大于半导体 材料的禁带宽度时才能激发一个电子—空 穴对。
（2）掺杂型半导体光敏电阻 n型半导体，光子的能量加只要等于或大 于杂质电离能时，就能把施主能级上的电子 激发别导带而形成导电电子，在外加电场作 用下形成电流。 从原理上说p型小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
对长波限的比较
本征型光敏电阻的长波限为： hc 1240 0 (nm) q.E g Eg 掺杂型光敏电阻的长波限为： hc 1240 0 (nm) q.E E E分别为Ed (n型半导体）或Ea ( p型半导体） E E g 所以掺杂型半导体光敏电阻的长波限远大于
光敏电阻式光控开关的几种典型电路
图b是一种简单的暗激发继电器开关电路。。
图b 简单的暗激发光控开关
其工作原理是：当照度下降到设置值时由 于光敏电阻阻值上升激发VT1导通，VT2的 激励电流使继电器工作，常开触点闭合， 常闭触点断开，实现对外电路的控制
图c是一种精密的暗激发时滞继电器开关电路。
图c 精密的暗激发光控开关