半导体光电检测器件30分钟

是光敏电阻的主要 80
优点。
1
40
▪ 光敏电阻的使用寿
0 400 800 1200
命在密封良好、使
用合理的情况下，几乎是无限长的。
17
（9）温度特性 ▪ 其性能(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。例如，可 利用制冷器使光敏电阻的温度降低。
U oc
0.4
U oc
kT q
ln
SL Is
4 0.3
3
Isc
0.2
2
1
0.1
0 2000 4000 6000 8000 10000
E(Lx)
34
2、输出电流与负载大小的关系 3、伏安特性
光电流与电压的关系
35
5、光谱特性 ▪ 电路电流随波长变化情况
▪ 取决于所用材料与工艺
I (%) 100
Si蓝 Si
（2）光照特性：
下图表示CdS光敏电阻的光照特性：在一定 外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量 之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性 不同，但光照特性曲线在弱光呈线性，在 强光时呈非线性。
9
因此它不宜作定量检测元件，这是光敏 电阻的不足之处。一般在自动控制系 统中用作光电开关。
I/mA
5
4
3
2
1
0
以防按键死键。 3.要考虑成型工艺，合理计 算累积公差，以防按键手感
不良。
26
（一）结构原理
▪ 1、金属-半导体接触型（硒光电池） ▪ 2、PN结型
结型光电池，是在N型（或P型）半导体表面上 扩散一层P型（或N型）杂质，形成PN结。
入射光线
电极()
N P
电极()
27
28
29
（二）分类
（1）按基底材料分类
噪声。 当f >=1MHz时，主要为热噪声。
20
二、光电池
▪ 光电池是一种利用光生伏特效应制成的不 需加偏压就能将光能转化成电能的光电器 件。简单的说，其本质就是一个PN结。
h
N
表示电子
表示空穴
P EG N
IL
RL
21
▪ 由节点定律，得
IL IP ID
IL
IP
ID
IP
I [e q kT
(V
ILRd
18
I ▪/ μA
200 150 100
100 I/mA
80 +20 ºC 60 40 20
-20 ºC
-50 -30 -10 10 30 50 T/ ºC 0 1.0 2.0 3.0 4.0 λ/μm
19
（10）噪声 当工作频率f<1kHz时，主要为1/f 噪声。 当1kHz<f <1MHz时，主要为产生— 复合
40
2、与光电池相比
▪ 共同点：均为一个PN结，利用光生伏特 效应， SiO2保护膜
▪ 不同点： （1）结面积比光电池的小，频率特性好 （2）光生电势与光电池相同，但电流比光
电池小 （3）可在零偏压下工作，更常在反偏压下
工作
41
3、性能参数 ▪ 光照下PN结电压与光电流之间关系
42
（1）伏安特性 ▪ 反向偏压与光电流之间的关系
14
▪ 硫化铅的使用频 率比硫化镉高得 多，但多数光敏 电阻的延时都比 较大，所以，它 不能用在要求快 速响应的场合。
I/%
100 80 60
40 20 0
10
硫化铅
硫化镉
102 103 104
f / Hz
15
（8）稳定性
▪ 图中曲线1、2分别表示两种型号CdS光
敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，
▪ 计算上限频率
47
光敏二极管等效电路
48
5、光敏二极管的分类 ▪ 按材料分类： ▪ 硅光敏二极管 ▪ 锗光敏二极管 ▪ 化合物光敏二极管 ▪ 按结的特性：
PN结（扩散层、耗尽层） PIN结 异质结
肖特基结
49
光敏三极管
50
43
（2）光照特性 光电流与照度的关系
I (A)
60 50 40 30 20 10
0 250 500 750 1000 1250 E
15V反向偏压时的光照特性曲线 44
（3）频率特性 是半导体光电器件中最好的一种，
与下列因素有关： ▪ 结电容（小于20µµF) 和杂散电容 ▪ 光生载流子在薄层中的扩散时间及PN
)
S
1]
22
▪ （二）特性参数 ▪ 1．输出特性 ▪ （1）伏安特性 ▪ 由（2－45）式，当I=0时，得开路电压
VOC
KT q
ln(
IP IS
1)
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▪ V=0 时，得短路电流 ▪ ISC=IL=SL
(2) 输出特性
▪ 最大输出功率 ▪ 负载功率：PL=VI=I2L RL ▪ 当RL=0, V=0 , PL=0 ▪ 当RL趋于无穷大时， I=0 , PL=0 ▪ 有最大的Pmax , 得负载电阻RL＝ROPt
6
（二）光敏电阻的主要
参数和基本特性 （1）暗电阻、亮电 RL 阻、光电流 ▪ 暗电流Id ：光敏电 阻在室温条件下， E 全暗（无光照射）后 经过一定时间测量 的电阻值，称为暗电 阻。此时流过的电流为Id
RG
连线电路图
7
▪ 亮电流IL ：光敏电阻在某一光照下的阻
值，称为该光照下的亮电阻。此时流 过的电流。
2DR（P型Si为基底） 2CR（N型Si为基底）
30
（2） 按结构分类
阵列式：分立的受光面 象限式：参数相同的独立光电池 硅蓝光电池：PN结距受光面很近
阵列式
象限式
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（3）按用途分类
▪ 太阳能光电池：用作电源（效率高，成本 低）
测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高 等）
（4）按材料分类
▪ 硅光电池：光谱响应宽，频率特性好
5
▪ 光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此 要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。 如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加 电压的作用下，用光照射就能改变电路中 电流的大小，其连线电路如下图所示。
▪ 光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光 谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范 围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、 价格便宜，因此应用比较广泛。
3
电极
引线
引线 光导电材料
绝缘衬低
光电导体 A
金属封装的硫化镉光敏电阻结构图 4
▪ 光电导体一般都做成薄层。为了获得高的 灵敏度，光敏电阻的电极一般采用疏状图 案，结构见下图。
▪ 它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸 镀金或铟等金属形成的。这种疏状电极， 由于在间距很近的电极之间有可能采用大 的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏 度。
加的电
压越大，光电流越
大，而且无饱和现
I/ μA
象。但是电压不能
无限地增大，因为
200
任何光敏电阻都受
150
额定功率、最高工 作电压和额定电流
100
50
0
20
40 U/13V
的限制。超过最高工作电压和最大额定 电流，可能导致光敏电阻永久性损坏
（7）频率特性
▪ 当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电 流要经过一段时间才能达到稳定值， 而在停止光照后，光电流也不立刻为 零，这就是光敏电阻的延时特性。由 于不同材料的光敏，电阻延时特性不 同，所以它们的频率特性也不同，如 图。
灵 60
敏 40
度 20
3
1——硫化镉 2——硒化镉
3——硫化铅
40 80 120 160
（6） 伏安特性
200
240 λ/μm
在一定照度下，加在光敏电阻两端的 电压与电流之间的关系称为伏安特性。
12
图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时
的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照
度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所
结中的漂移时间
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要提高频率响应必须做到以下几点：
▪ 合理的结面积（小的结面积可使Cj减小， 但相同光照下，光电流也较小）；
▪ 尽可能大的耗尽层厚度； ▪ 适当加大使用电压； ▪ 减小结构所造成的分布电容。
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4、电路 ▪ 光敏二极管的输出电路及等效电路： ▪ 由等效图可知：
i S
UL i R L SR L
第三节 半导体光电检测器件
光电导型光电器件：光敏电阻 光生伏型光电器件：光电池
光电二极管 光电三极管
1
一、光敏电阻
（一）光敏电阻的结构及工作原理
▪ 光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原 理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。
▪ 优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重 量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能 力强和寿命长等。 不足：需外部电源，受温度影响，有电流时会发 热。
▪ 硒光电池：波谱峰值位于人眼视觉内
▪ 薄膜光电池：CdS 增强抗辐射能力
▪ 紫光电池：PN结 0.2~0.3 µm，
▪
短波峰值：600nm
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（三）符号及电路
I
U RL
IL ID
I
U RL
符号 连接电
等效电路
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（四）特性参数
1、光照特性
Isc(mA/ cm2)
Uoc(V )
I SC I L SL 5
1000 2000 L/lx
10
（3）增益G G=βτμU/L2
（4）灵敏度 (a) 光电导灵敏度 Sg=g/E=g·A/Φ
由欧姆定律，得 I=SgEU (b) 电阻灵敏度 SR=(Rd-R亮)/Rd＝ΔR/Rd (c) 比灵敏度 S比= SI/U =I光/（ Φ·U）
11
100
相 80 1
2
对
38
2、光电池用作检测元件
利用其光敏面大，频率响应高，光电 流与照度线性变化，适用于作 （1）光开关 （2）线性测量(如光电读数、光栅测量、 激光准直）等
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三、光敏二极管
1、与普通二极管相比
▪ 共同点：一个PN结，单向导电性 ▪ 不同点： （1）受光面大，PN结面积更大，PN结深度
较浅 （2）表面有防反射的SiO2保护层 （3）外加负偏压
2
▪ 当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半 导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料 价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的 电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变 大。为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于 光导体材料的禁带宽度Eg，即
▪ hν≥Eg (eV)， hν≥ ΔEi (eV) ▪ 式中ν和λ—入射光的频率和波长。 ▪ 用ΔEi大的、n型材料
▪ 光电流I光：亮电流与暗电流之差。
▪ 光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越 小则性能越好。也就是说，暗电流越 小，光电流越大，这样的光敏电阻的 灵敏度越高。
8
实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至 高达100MΩ，而亮电阻则在几kΩ以下，暗 电阻与亮电阻之比在102～106之间，可见光 敏电阻的灵敏度很高
24
1.什么是传统机械按键设计？
传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的 开关按键来实现功能的一种设计方式。
传统机械按键结构层图：
按
PCBA
键
开关 键
传统机械按键设计要点： 1.合理的选择按键的类型， 尽量选择平头类的按键，以
防按键下陷。 2.开关按键和塑胶按键设计 间隙建议留0.05~0.1mm，
由于体内机构工作不稳定，以及电阻
体与其介质的作用还没有达到平衡，
所以性能是不够稳定的。但在人为地
加温、光照及加负载情况下，经一至
二周的老化，性能可达稳定。光敏电
阻在开始一段时间的老化过程中，有
些样品阻值上升，有些样品
16
▪ 阻值下降，但最后 I / %
到一个稳定值后达
2
就不再变了。这就 160
120
80
60
40 20
2000 4000 6000 8000 10000 12000
36
6、温度特性
U oc (mV )
Isc (mA )
600
U oc
400
I sc
2.0
1.9
200
1.8
T 20 0 20 40 60 80 100
37
（五）应用
1、光电池用作太阳能电池 把光能直接转化成电能，需要最大的 输出功率和转化效率。即把受光面做 得较大，或把多个光电池作串、并联 组成电池组，与镍镉蓄电池配合，可 作为卫星、微波站等无输电线路地区 的电源供给。