第4章 光电导器件

R2 R1 R1T2 T 1
其中R1、R2分别为与温度T1、T2 相对应的 亮电阻
请问随着温度的下降 光谱灵敏度的峰值将 向哪个方向移动？
将向长波方向移动 硫化镉光敏电阻在冷却情况下对光谱灵敏度得变化
4.3 光敏电阻的偏置电路和噪声
4.3.1 偏置电路
G GP Gd GP S g E
电路符号： R
文字符号： “RL”、“ RG”或“R”
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、高频瓷或其它绝缘材料基 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。
1）按制作材料分类：
多晶和单晶光敏电阻器，还可分为硫化镉（CdS）、硒化镉(CdSe) 、 硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、锑化铟(InSb) 光敏电阻器等。
A 暗电导： g d 0 L
亮电导： g
σ0为暗电导率
暗电流：I d 亮电流：
g dU
A L
I gU
P
光电导： g g g p d 定义光电导灵 敏度为Sg:
A L
光电流：I
g PU
g p S g
Sg
gp E
g p Sg E 或 Sg
gp
5、响应时间和频率特性
响应时间： 指光导材料从光照开始到获得稳定的光电流所需的时间
它反映了光敏电阻的惰性，响应时间越长说明光敏电阻的惰性也大？ 光电导弛豫过程： 从光照开始到停止光照后光电流的变化的整个过程
t p p0 (1 exp( ))
p p0 exp( ) t
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受光照时 光生载流 子的浓度

停止光照
p
g 1 2 2

p 0 1 2 2
受正弦调 制光作用
上升时间和下降时间的含义？
光电导的频率特性 请问光电导的频率特 性具有什么特点？
具有低通的特性
几种光敏电阻的频率特性曲线
1—硒 3—硫化砣 2—硫化镉 4—硫化铅
请问哪种光敏电阻 的频率特性要好些？
或
GP S g
RP RL
Ub
1 1 1 或 R 1 RP P Sg E Sg GP G
1 Sg E RP
2
dRP S g dE 2 RP
2
当光照变化不大时: RP R S E 或 RP S g P g 电阻值随光照度的增大而减小
RP RP S g E 或
4.4.3 常见光敏电阻
1. 硫化镉（CdS）光敏电阻 峰值波长：0.52μm,掺入微量铜或氯可以峰值波长变长 亮暗电导比可达1011，一般为106 2. 硫化铅（PbS）光敏电阻 在近红外波段比较灵敏，响应波长可达3μm,峰值探测率 Dλ*=1.5*1011cm.Hz1/2/W, 但响应时间长，100~300 μs

I I P I d gU g PU g dU S g EU g dU
注意Sg这两种表达式的单位有什么不同？
2、光电导增益（M）
光电导增益M是光敏电阻的一个重要参数，它表示长度为L的光 导体两端加上电压后，由光照产生的光生载流子在电场的作用下 形成的外部光电流与光电子形成的内部电流qN之比值，则
的电流
6）时间常数（s）：指光敏电阻器从光照跃变开始到稳定亮电流的63％时
所需的时间
7）电阻温度系数： 指光敏电阻器在环境温度改变1℃时，其电阻值的
相对变化 8）灵敏度： 指光敏电阻器在有光照射和无光照射时电阻值的相对变化
光敏电阻的主要的特性参数
光敏电阻的相关概念
暗电阻：光敏电阻在室温条件下，在全暗时的电阻值
无量纲它表示单位时间内 每入射一个光子所能引起 的载流子数
4、光谱响应率（ ( ) ）与光谱响应曲线
I p ( ) qNM q
s
( )
hv
M q
( )
hv t dr
输出光电流
q ( ) 1 q q q S ( ) M ( ) hv t dr ( ) hvtdr hC t dr hC
第4章 光电导器件
§4.1 光敏电阻的工作原理
§4.2 光敏电阻的主要特性参数 §4.3 光敏电阻的偏置电路和噪声 §4.4 光敏电阻的特点和应用
一、光敏电阻的结构和分类
1、结构及符号（电路符号和文字符号） 2、分类
二、光敏电阻的工作原理 三、光敏电阻的主要参数
结构：——光电导材料（光敏层）、
绝缘基板（玻璃或树枝防潮 膜）、电极（无极性）
光敏电阻的特点：（5点）—P83
①光谱响应范围宽，尤其是对红光和红外辐射有较高的 响就度 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
4.4.2 使用时的注意事项
①…… ②…… ③…… ④…… ⑤…… ⑥…… ⑦…… ——见教材P96
3. 锑化铟（InSb）光敏电阻
长波限可达7.5 μm ，峰值探测率Dλ*=1.2*109cm.Hz1/2/W,冷 却到零度时，还可提高2~3倍,时间常数2*10-2 μs 4. 碲镉汞（HgCdTe）系列光敏电阻 Hg1-xCdxTe系列光敏电阻是由CdTe和 HgTe两种材料按不同 的比例混合而成，不同的比例就有不同的光谱测量范围
1 1 tdr tn t p
M
tdr称为载流子通过极间距 离L所需要的有效渡越时间
如何提高光电导增益系数？
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Ф(λ)能产生N个光电子，则量子效率
N Nhv ( ) ( ) / hv ( )
噪声电流也有三种 ：产生-复合噪声电流 ingr ，热噪声电流 int ，
1/f 噪声电流inf。
由于三种噪声互相 独立，所以光敏电 阻的总的噪声电流 的均方值为
i n i
2
2 ngr
i
2 nf
i
2 nt
频率低于100Hz时以l/f 噪声 为主，频率在100Hz和接近 1000Hz之间以产生-复合噪声 为主，频率在1000Hz以上以 热噪声为主
I I I
光敏电阻器的主要参数
1）亮电阻（kΩ）： 指光敏电阻器受到光照射时的电阻值
2）暗电阻(MΩ)： 指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时的电阻值 3）最高工作电压(V)： 指光敏电阻器在额定功率下所允许承受的最高电压 4）亮电流： 指光敏电阻器在规定的外加电压下受到光照射时所通过的电流 5）暗电流(mA)： 指在无光照射时，光敏电阻器在规定的外加电压下通过
自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的亮度自动
调节,照相机的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。常
用来制作光控开关，如照相机自动曝光电路、公共场所
用灯的自动控制电路
多晶和单晶光敏电阻器，还可分为硫化镉 1）按制作材料分类： （CdS）、硒化镉(CdSe) 、硫化铅(PbS)、
Hg0.8 Cd0.2 Te：8~14 μm ，峰值波长10.6 μm
Hg0.72 Cd0.28 Te：3~5 μm 5. 碲锡铅（PbSnTe）系列光敏电阻 Pb1-xSnxTe: 光谱范围8~10 μm 响应率低，应用不广泛
4.4.4 光敏电阻的应用
广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、
2
RP S g
2
I
RP Ub U RL
I
Ub/RL IU=Pmax E3 Q3 E2 Q2 Q1 E1 E=0 Ub
禁区
输出电流变化：
Ub I I RL RP RP
Ub Ub I RL RP RP RL RP
U
U b R P Ub 2 E ( RP S g E ) 2 2 2 ( RL RP ) ( R L RP ) ( RL RP )
RP S gU b
2
输出电压变化：
RP S g U b ( RL RP )
2 2
U L I RL
E R L
RP S gU b ( RL RP )
2
2
RL E
4.3.2 噪声等效电路
光敏电阻产生噪声和相应的噪声电流。
噪声主要有三种：产生-复合噪声，热噪声和1/f 噪声；
4.4 光敏电阻的特点和应用
4.4.1 光敏电阻的特点——见教材P96
与结型光电器件相比，光敏电阻具有以下特点：（4点）
（1） 产生光电变换的部位不同。光敏电阻是任何部位均 可，位结 型光电器件是结区附近
（2）光敏电阻没极性 （3）光敏电阻时间常数大，频率相应较差 （4）有些结型光电器件可以有放大功能，所以输出较大，而 光敏电阻没有放大功能（哪种器件）
U U U M 2 (n n p p ) 2 n n 2 p p qN L L L
1 1 M M n M p ( ) tn t p tn t p
tdr
1
Ip
Mn
U 2 nn L
U M p p p L2
6、光电特性和γ值
指光敏电阻的光电流与入射光通量之间的 光电特性：
关系即
I
p
( ) q

( )
hv


t dr
I p ( ) S gUE 光电特性公式： I p ( ) S gU 或
式中 Sg是光电导灵敏度，它与光敏电阻材料有关;U为外加电源 电压；Ф为入射光通量；E为入射光照度；γ为照度指数。 在弱光照时，γ值为1，称线性光电导；在强光照时，γ值为0.5， 则为非线性光电导；（？)一般情况下γ值在0.5～l之间。 实验证明，当所 加电压一定时， 光电流和照度关 系曲线如右 请问该图中的 光电流Ip为什 么有趋于饱和 的趋势？
2）按制作材料类型分类：本征型光敏电阻和掺杂型光敏电阻
导带 Eg 价带 常温无光照时 导带
Ed
导带
本征半导体要发 生光电导效应， 必须满足：
价带 常温光照时 导带
Ea
hc h E g 0 Eg
价带 价带 低温无光照时 低温有光照时 低温无光照时 低温有光照时
光敏电阻分为两类--本征型光敏电阻和掺杂型光敏电阻。 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。
从上式可知道提高增益系数M可使光谱响应率很 高，但实际上小于1，为什么？
I p ( )
光谱响应率
光电导材料的光谱响应
理想情况下光电导材 料对各波长辐射的吸 收系数相同 实际情况下光电导材料 对各波长辐射的吸收系 数不同，随着波长的减 小吸收系数加大，那如 何解释(b)图的情况？
在可见光区和红外区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线
7、前历效应
前历效应是指光敏电阻的响应特性与工作前的“历史”有关的 一种现象。前历效应有暗态前历效应与亮态前历效应之分。
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
硫化镉光敏电阻的亮态前历效应曲线
8、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
暗电导：光敏电阻在室温条件下，在全暗时的电导
暗电流：此时电阻加上一定的电压所通过的电流为暗电流
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
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
1、 光电导灵敏度(Sg)
Id
0
L
有光照时，由于光激发产生载 流子，再外电场的作用下形成 光电流 UA
I
p

L
特性
光敏电阻器是利用半导体光电导效应制 则流过光敏电阻的电流为亮 ： 电流 成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感， 它的电阻值能随着外界光照强弱（明暗） d p 变化而变化。它在无光照射时，呈高阻 状态；当有光照射时，其电阻值迅速减 小。它与光电池的比较？
为了减少杂质能级上电 子 的 热 激 发 ，常 需 要 在 低温下工作
两种类型光敏 电阻能带图
光电导器件是利用半导体材料的光电导效应制成 工作原理： 的一种光电探测器，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。
入射光
无光照时，由于热激发产生载 流子，在外电场的作用下形成 暗电流 U A