光电导器件

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线性),式(1-84)与(1-87)分别给出了它在弱辐射 和强辐射作用下的光电导与辐射通量的关系。
bd 1 q 2 g q g Φ e , (1-87) e, (1-84) 3 2 hl hK f l
1 2
实际上,光敏电阻在弱辐射到强辐射的作用下,它的 光电特性可用在“恒定电压”作用下流过光敏电阻的电流 Ip与作用到光敏电阻上的光照度E的关系曲线来描述。
二、基本特性和参数
1)暗电阻、亮电阻 光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称 为暗电阻,或暗阻。此时流过的电流称为暗电流。例如 MG41-21型光敏电阻暗阻大于等于0.1M。 光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻 值称 为 亮电 阻 或亮 阻 。此 时 流过 的 电流 称 为亮 电 流 。 MG41—21型光敏电阻亮阻小于等于1k。 亮电流与暗电流之差称为光电流。 显然,光敏电阻的暗阻越大越好,而亮阻越小越好, 也就是说暗电流要小,亮电流要大。这样光敏电阻的灵敏 度就高。
代入
i
VRg ( RL Rg ) 2
得:
u VRg RL ( RL Rg ) 2
当 RL Rg 时,上式有最大值, Rg为有光照时的亮电阻,
RL为负载电阻,称为匹配负载电阻,但是入射光功率 在较大的动态范围内变化,保持匹配工作状态就比较 难,此其缺点之二。
缺点之三:光敏电阻的响应频率比较低,响应时间长。
iu i 2 Rg Pmax
V 代入 i 得偏臵电压: RL Rg
Pmax 12 V ( ) ( RL Rg ) Rg
在匹配条件下:
V 2( Rg Pmax )
1
2
可知,光敏电阻伏安特性近似直线,受耗散功率的限 制,在使用时,光敏电阻两端的电压不能超过最高工作电 压,图中虚线为允许功耗曲线,由此可确定光敏电阻正常 工作电压。
第二章、光电导器件
光电探测器是一种能够将光的信号转换为电的信号的 半导体器件。光探测器的工作包括三个步骤:
①由入射光产生载流子; ②通过任何可行的电流增益机制,使载流子传导及倍增; ③电流与外部电路相互作用,以提供输出信号。
光电探测器在所工作的波长中具有高灵敏度、高响应 速度及低噪声。另外,光电探测器必须轻薄短小、使用低 电压或低电流,并具有高可靠度。
i VRg ( RL Rg )
2
上述两式相减,则有:
( RL Rg Rg RL Rg )
式中负号表示光照增大,亮阻减小,电流增大。同时,电 流变化,引起光敏电阻两端电压的变化:
u u V (i i) RL u iRL u V iRL
为何?
在电路中的符号
常见的光敏电阻有CdS、CdSe、PbS、InSb、HgxCd1-xTe (是由HgTe和CdTe两种材料混在一起的固溶体 )
用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化 物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等 方法在绝缘衬底上制做很薄的光敏电阻体及梳状欧姆 电极,然后接出引线,封装在具有透光镜的密封壳体 内,以免受潮影响其灵敏度。光敏电阻的原理结构如 右图所示。在黑暗环境里,它的电阻值很高,当受到 光照时,只要光子能 h 量大于半导体材料的禁 带宽度,则价带中的电 子吸收一个光子的能量 后可跃迁到导带,并在 L W 价带中产生一个带正电 D 半导体 荷的空穴,这种由光照 欧姆接触 产生的电子—空穴对增 加了半导体材料中载流 欧姆接触
光敏电阻的基本原理
光电导效应原理(半导体材料的体效应)——光电 导探测器 ——光照下改变自身的电阻率(光照愈强,器件 自身的电阻愈小) ——光敏电阻(光导管)
本征型光敏电阻 —— 一般在室温下工作,适用于 可见光和近红外辐射探测 非本征型光敏电阻—— 通常在低温条件下工作, 常用于中、远红外辐射探测
6)频率特性
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。附图1给出相对灵敏度,与光强变化频 率f之间的关系曲线,可以看出硫化铅的使用频率比硫化
『补充』前历效应
指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种 现象。即测试前光敏电阻所处状态对光敏电阻特性的 影响。 暗态前历效应:指光敏电阻测试或工作前处于暗态, 当它突然受到光照后光电流上升的缓慢程度。一般, 工作电压越低,光照度越低,则暗态前历效应就越重。
2)光谱特性
对于不同波长的入射光,光敏电阻的相对灵敏度是不 相同的。各种材料的光谱特性如下图所示。从图中看出, 硫化镉的峰值在可见光区域,而硫化铅的峰值在红外区域, 因此在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来 考虑,才能获得满意的结果。
光敏电阻的光谱响 应主要由光敏材料 禁带宽度、杂质电 离能、材料掺杂比 与掺杂浓度等因素 有关。
声性能大大改善 峰值响应波长为5μm;响应时间短(大约50×10-9s) 适用于快速红外信号探测 HgxCd1-xTe探测器
化合物本征型光电导探测器,它是由HgTe和CdTe两种 材料混在一起的固溶体,其禁带宽度随组分x呈线性变化 当x=0.2时响应波长为8~14μm,工作温度77k,用液 氮致冷。
另外,当环境温度在0~+60℃的范围内时,光敏 电阻的响应速度几乎不变;而在低温环境下,光敏电 阻的响应速度变慢。例如,-30℃时的响应时间约为 +20℃时的两倍。
光敏电阻的允许功耗,随着环境温度的升高而降低。
4)伏安特性 在一定照度下,光敏电 阻两端所加的电压与流过光 敏电阻的电流之间的关系, 称为伏安特性。光敏电阻两 端电压为:
u V iRL
Rg 为有光照时的亮电阻,当光 Rg 变为 Rg Rg, 照变化时,
电流 i 变为 i i ,
V i RL Rg
V i i RL Rg Rg
从图中可以看出,它的峰值随着温度上升向波长短 的方向移动。因此,有时为了提高灵敏度,或为了能接 受远红外光而采取降温措施。
100 在有光照时,光敏电阻的阻 1 值随温度变化而变化的变化 80 2 率,在弱光照和强光照时都较 60 大,而中等光照时 ,则较小。 40
Kr (%)
100 80来自百度文库
Kr (%)
5)时间响应特性
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。 光敏电阻的响应时间常数是由电流上升时间 t r 和衰减时 间 t f 表示的。
光敏电阻的响应时间与入射光的照度、所加电压、负载 电阻及照度变化前电阻所经历的时间(称为前历时间) 等因素有关。
附图2 PbS的光谱温度特性
60 40
+2 0℃
-2
0℃
20 20 例:CdS光敏电阻的温度系数 在10lx照度时约为 0;照度高 10 100 1000 10000 1.0 2.0 3.0 于10lx时,温度系数为正;小 于10lx时,温度系数反而为负;照度偏离 10lx愈多, 图6-1-9 光敏电阻的频率特性 6-1-10 硫化铅的光谱温度特性 1-硫化铅光敏电阻 2-硫化铊光敏电阻 温度系数也愈大。
Kr (%)
2
60 40 20
10 100 1000 10000 光敏电阻和其他半导体器件 附图1 光敏电阻的频率特性 一样,受温度影响较大,当 1-PbS 2-CdS 图6-1-9 光敏电阻的频率特性 温度升高时,它的暗电阻会 1-硫化铅光敏电阻 2-硫化铊光敏电阻 下降。温度的变化对光谱特性也有很大影响。附图2是硫 化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线。
几种典型的光敏电阻
CdS和CdSe( 2.42、1.7 ev ) 低造价、高可靠、长寿命、可见光辐射探测器 光电导增益比较高(103~104) 响应时间比较长(大约50ms) 广泛用于自动化技术和摄影机中的光计量。 PbS(常温下禁带宽度为0.41eV) 近红外辐射探测器 波长响应范围在1~3.4μm,峰值响应波长为2μm 内阻(暗阻)大约为1MΩ 响应时间约200μs 广泛用于遥感技术和武器红外制导技术 InSb(锑化铟,室温下禁带宽度为0.18eV) 近红外辐射探测器,室温下,噪声大。在77k下,噪
1-黑暗放臵3分钟后 2-黑暗放臵60分钟后 3-黑暗放臵24小时后
亮态前历效应: 光敏电阻测试或工作前已处于亮态,当照度与工作 时所要达到的照度不同时,所出现的一种滞后现象。
镉高的多。但多数光敏电阻 的时延都较大,因此不能用 在要求快速响应的场合,这 是光敏电阻的一个缺陷。 7)温度特性
100 1 80
原因分析:忽略了极间电容的影响,当入射光功率变化频 率较高时,等效电容不能省去。并且为了获得大的电流, L尺寸小,使得极间电容较大。
以上分析了光敏电阻工作电流和电压,下面看一下其 工作功率,讨论偏臵电压V的选取。 在一定光照下,光敏电阻上产生的热损耗功率为:
iu i Rg
2
每一个型号的光敏电阻有对应的额定功率 Pmax ,因此,
如图2-3所示的特性曲线反应了流过光敏电阻的电流 Ip与入射光照度E间的变化关系,由图可见它是由直线性 渐变到非线性的。
在恒定电压的作用下,流 过光敏电阻的光电流Ip为
I p g pU US g E
式中Sg为光电导灵敏度, E为光敏电阻的照度。
显然,当照度很低时,曲线近似为线性,Sg由式(1-85) 描述;随照度的增高,线性关系变坏,当照度变得很高 时,曲线近似为抛物线形,Sg由式(1-87)描述。
在第1章讨论光电导效应时发现,光敏电阻在微弱辐 射作用的情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距 离l的平方成反比,参见(1-85)式;在强辐射作用的情 况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的二分之 三次方成反比,参见(1-88)式;都与两电极间距离l有 关。 根据光敏电 阻的设计原则可 以设计出如图22所示的3种基本 结构,图2-2(a) 所示光敏面为梳 形的结构。
3)光电特性
光敏电阻的光电流与光照度之间的关系称为光电特性。 如图2-3所示,光敏电阻的光电特性呈非线性。前面所讲 的光电转换定律表达式是理想情况的转换关系式。考虑到 许多实际因素,光敏电阻的光电特性并非呈线性
在1.5.1节讨论光电导效应时我们看到,光敏电阻在
弱辐射和强辐射作用下表现出不同的光电特性(线性与非
可以看出光敏电阻不适宜做检测元件,这是光敏电阻的缺 点之一,在自动控制中它常用做开关式光电传感器。
在实际使用时,常常将光敏电阻的光电特性曲线改用 如图2-4所示的特性曲线。图2-4所示为两种坐标框架的 特性曲线,其中(a)为线性直角坐标系中光敏电阻的阻值R 与入射照度EV的关系曲线,而(b)为对数直角坐标系下的 阻值R与入射照度EV的关系曲线。 如图2-4(b)所示的对数坐标系中光敏电阻的阻值R在 某段照度EV范围内的光电特性表现为线性,即(2-2)式 中的γ保持不变。 γ值为对数坐标下特性曲线的斜率。即 logR1 logR2 (2-3) logE2 logE1 R1与R2分别是照度为E1和E2时光敏电阻的阻值。
光敏电阻的光电特性可用一个随光度量变化的指数伽 玛(γ)来描述,并定义γ为光电转换因子。并将式(2-1) 改为
I p g pU USg E
Sg 与器件材料、尺寸、形状以及载流子的寿命有关;电压指数一 般取值在1.0~1.2;照度指数取值约在0.5~1.0。
在低偏压(几伏到几十伏),弱光照下,电压指数和照度 指数通常都取1
子的数目,使其电阻率变小,从而造成光敏电阻阻值下 降。光照愈强,阻值愈低。入射光消失后,由光子激发 产生的电子—空穴对将逐渐复合,光敏电阻的阻值也就 逐渐恢复原值。
在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压,其中便 有电流通过,受到适当波长的光线照射时,电流就会随 光强的增加而变大,从而实现光电转换。光敏电阻没有 极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压, 也可以加交流电压。 某些光敏电阻的增益甚至可高达 106。一般光敏电阻的响 应时间为10-3s~10-10s,它们被大量应用于红外光侦测, 尤其是波长大于几微米以上的区域。
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