光电检测技术与应用 第3章 光电检测器件

红外区光敏电阻的光谱特性
注明：此特性与所用材料的光谱响应、制造工艺、掺杂浓 度和使用的环境温度有关。
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3.1.3、光敏电阻的应用电路 1、常用光敏电阻
CdS光敏电阻：峰值响应波长0.52um，掺铜或氯时峰值波长变长，光
谱响应向红外区延伸，其亮暗电导比在10lx照度上可达1011(一般约为106) ，其时间常数与入射光强度有关，100lx下可达几十毫秒。是可见光波段最 灵敏的光敏电阻。 PbS光敏电阻：响应波长在近红外波段，室温下响应波长可达3um，峰 值探测率Dλ *=1.5Χ 1011cm·Hz1/2/w。缺点主要是响应时间太长，室温条件 下100-300uS。内阻约为1MΩ ， 锑化铟（InSb）光敏电阻：长波限7.5um，内阻低（约50Ω ），峰
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光敏电阻的基本结构
光电导 体膜
2
绝缘基底
1
3
2
1-光电导材料；2-电极；3-衬底材料
8
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。
光电导体膜 绝缘基底
9
⑵刻线式 在玻璃基片上镀制一层薄的金属箔，将其刻 划成栅状槽，然后在槽内填入光敏电阻材料 层后制成。其结构如下图所示。
Ip
U
6
工作原理
光敏电阻按半导体材料的不同可分为本征型和杂质型两
种，本征型半导体光敏电阻常 用于可见光长波段检测，杂质 型常用于红外波段至远红外波段光辐射的检测。
光敏电阻设计的基本原则
光敏电阻在弱光辐射下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两
电极间距离l的平方成反比 ，在强辐射作用下Sg与l的二分之 三次方成反比，因此在设计光敏电阻时，尽可能地缩短光敏 电阻两极间距离。 光电流Ip= ΔσSU/L
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3.1.2、光敏电阻特性参数 温度特性
换句话说，温度的变化，引起温度噪声，导致光敏电阻灵
敏度、光照特性、响应率等都发生变化。为了提高灵敏度， 必须采用冷却装置，尤其是杂质型半导体对长波长红外辐射 检测领域更为重要。
I
200
150
100 50 0
T
20
40 60
80 100
18
3.1.2、光敏电阻特性参数 4、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快慢程度。一般地，工作电压 越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重，光电流上升越 慢。
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
1、火焰检测报警器
恒压 偏置 电路
2kΩ 68uF
高输入 阻抗放 大电路
200kΩ
R2
R1
68nF
C1
3.9MΩ
R4
3.9kΩ
R6
V3 C2 V1 V2 R5 R7
Vo
中心站 放大器
4.7nF
150kΩ
R9
C4
VDW
6V
820kΩ PbS
R3
1kΩ
32kΩ
R8
+ C3
100uF
PbS光敏电阻：Rd=1MΩ, Rl=0.2MΩ，峰值波长2.2um。
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3.1.3、光敏电阻的应用电路
2、照相机电子快门
Ubb Rp2
10kΩ
R1
5.1kΩ
R2
300Ω
VD
M
驱动 单元
R CdS
Uth UR
+ A _ V Uth=??? UR=???
C1
Rp1
10kΩ
快门 按钮
1uF
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3.1.3、光敏电阻的应用电路
3、照明灯的光电控制电路
测光与控制 VD
R
CdS ~220V C K
金属电极 入射光
光电导材料 Ip Ubb
Ip
光敏电阻符号
光敏电阻原理及符号
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工作原理 当入射光子使半导体物质中的电子由价带跃升
到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导 电，因此电阻显著减小，电导增加，或连接电源和 负载电阻，可输出电信号，此时可得出光电导g与光 电流I光的表达式为：
电极
入射光
g=gL-gd I光=IL-Id
CdS的光电特性
E
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3.1.2、光敏电阻特性参数 2、伏安特性（输出特性）
一定光照下，光敏电阻 的光电流与所加电压关系 即为伏安特性。 光敏电阻为一纯电阻， 符合欧姆定律，曲线为直线 。但对大多数半导体，电场 伏 强度超过 10 厘米时，不再 遵守欧姆定律。而CdS在100V 时就不成线性了。
4
I UL
RL RP U
负号表示电阻是随输入辐射的增加而减小。
当光通量变化时，电阻变化ΔRp，
电流变化ΔI，即有：
I I

Ub
R
L
R p R p
I
Ub
RL R p R p Ub
Ub
RL R p
R p
R
L
Rp
2
即
I R p S g
2
相对输出
1 0.8 0.6 1 0.4 0.2 O 101 102 103 f/Hz 3 2
4
入光的照度、工作温度有 明显的依赖关系。
当E=0.11lx时，光敏电阻tr=1.4s， E=10lx时， 光敏电阻tr=66mS, E=100lx时， 光敏电阻tr=6mS。
104
105
1-Se；2-CdS；3-TlS；4-PbS
第三章 半导体光电检测器件及应用
光敏电阻 光生伏特器件--光电池 光电二极管与光电三极管 光热辐射检测器件 各种光电检测器件的性能比较
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光电器件的分类
一、按工作波段分 紫外光探测器 可见光探测器 红外光探测器
二、按应用分 换能器 将光信息（光能）转换成电信息（电能） 非成像型 光信息转换成电信息 探测器 变像管 成像型 像增强器 摄像管 真空摄像管 固体成像器件CCD
值探测率Dλ*=1.2Χ1011cm· 1/2/w。时间常数0.02uS。零度时探测率可提高2-3倍。 Hz 碲镉汞HgCdTe系列光敏电阻。其性能优良，最有前途的光敏电阻。不同的Cd组 分比例，可实现1-3um,3-5um,8-14um的光谱范围的探测。例如Hg0.8Cd0.2Te响应在大 气窗口8-14um，峰值波长10.6um，Hg0.72Cd0.28Te 响应波长在3-5um.
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工作性能特点：
光谱响应范围相当宽。可见光、红外、远红外、紫外区域 工作电流大，可达数毫安。 所测光电强度范围宽，既可测弱光，也可测强光 灵敏度高，光电增益可以大于1 无选择极性之分，使用方便。
缺点：
强光下光电线性度较差，弛豫时间过长，频率特性差。
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光敏电阻的种类及应用
主要材料：Si、Ge、II-VI族和III-V族化合物，以 及一些有机物。分紫外光、可见光、红外及远红外 敏感的光敏电阻。 应用：照相机、光度计、光电自动控制、辐射测 量、能量辐射、物体搜索和跟踪、红外成像和红外 通信等技术方面制成的光辐射接收器件。
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Baidu Nhomakorabea
3.2 光电池
分类
按用途 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） 按材料 硅光电池：光谱响应宽，频率特性好 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结非常薄：0.2-0.3 µm,短波峰值 600nm
10
100 lx
10 lx
I光/mA
5
250mW 允许的 功耗线
O 50 电压V/V 100
光敏电阻的伏安特性
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3.1.2、光敏电阻特性参数 3、温度特性
光敏电阻为多数载流子导电的光电器件，具有复 杂的温度特性。不同材料的光敏电阻温度特性不同。 书25页中图3-5中为CdS和CdSe光敏电阻不同照度 下的温度特性曲线。可以看出温度升高可以导致材 料光电导率的下降。实际中往往采用控制光敏电阻 工作的温度的办法提高工作稳定性。
相对灵敏度与波长的关系 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（2） 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。
可见光区光敏电阻的光谱特性 1-Se；2-CdS；3-TlS；4-PbS
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3.1.2、光敏电阻特性参数 光谱特性
Ub
R
L
Rp
2

26
3.1.3、光敏电阻的应用电路 2、基本偏置电路
I UL
RL
输出电压
U
U L
R pU b RL
R
L Rp
2
R p 2 S gU b 2 RL RL R p
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3.1.3、光敏电阻的应用电路
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3.1.2、光敏电阻特性参数 前历效应
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。
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3.1.2、光敏电阻特性参数 5、频率特性
光敏电阻的时间常数较大，所以其上限频率f上低，只有
PbS光敏电阻的工作频率特性达到几千赫兹。
同时，时间特性与输
灯
常闭
半波整流
执行控制
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3.1.4、光敏电阻使用的注意事项
1. 2. 3. 4. 测光的光源光谱特性与光敏电阻的光敏特性相匹配。 要防止光敏电阻受杂散光的影响。 要防止使光敏电阻的电参数(电压,功耗)超过允许值。 根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。 一般, 数字信息传输:亮电阻与暗电阻差别大，光照指数 γ大的光敏电阻。 模拟信息传输:则以选用γ值小、线性特性好的光敏 电阻。
2
探测器件
热光电探测元件
光电探测元件
气体光电探测元件
外光电效应
内光电效应
非放大型
真空光电管 充气光电管
放大型
光电倍增管 变像管 像增强器
光电导探测 器
光磁电效应探测器
光生伏特探测 器
本征型
光敏电阻
掺杂型
红外探测器
非放大
光电池 光电二极管
放大型
光电三极管 光电场效应管 雪崩型光电二极管
3
摄像管
3.1 光敏电阻
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3.1.2、光敏电阻特性参数 1、光电特性
光敏电阻的光电流I光与输入辐射照度有下列关系式：
I光 Sg E U


I光 其中：I光为光电流，I光=IL-Id； 对CdS光电导体， E为照度，γ为光照指数，与材 料的入射光强弱有关，对CdS光电 弱光照射下γ=1， 导体，弱光照射下γ=1，强光下 强光下γ=0.5；为什么？ γ=0.5； 光照增强的同时，载流子浓度不 U为光敏电阻两端所加电压， 断的增加，同时光敏电阻的温度也在 α为电压指数，与光电导体和电极 升高，从而导致载流子运动加剧，因 材料间接触有关，欧姆接触时α=1 此复合几率也增大，光电流呈饱和趋 ，非欧姆接触时α=1.1-1.2 势。（冷却可以改善） O Sg为光电导灵敏度，单位S/lx
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3.1.2、光敏电阻特性参数 6、时间响应
光敏电阻的时间
常数较大，惯性大， 时间响应比其它光 电器件差。频率响 应低。 时间特性与光照 度、工作温度有明 显的依赖关系。
O
i(%)
E
矩形光 脉冲
t
100lx
100
10lx
63 37
O
Τ’r τr
Τ’f
τf
t
22
3.1.2、光敏电阻特性参数 7、光谱特性
碲锡铅（PbSnTe）系列光敏电阻：不同的锡组分比例，响 应波长不
同。主要用在8-10um波段探测 ，但探测率低，应用不广泛。
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3.1.3、光敏电阻的应用电路 2、基本偏置电路
忽略暗电导Gd(暗电阻很大)： 1 S E g G=Gp=SgE或G=SgΦ 即 R
对R求导得到 R R 2 S g E
注意：与梳状式的区别
10
⑶涂膜式 在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成。 其结构如右下图所示。
2、光敏电阻在电路中的符号
Rp
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注意：灵敏度与光电增益的区别
材料特性
（1）灵敏度是光电导体在光照下产生光电导 能力的大小。
结构参数
（2）增益指在工作状态下，各参数对光电导 效应的增强能力。
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3.2.1 光电池的基本结构和工作原理
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。
基本结构 1、金属-半导体接触型（硒光电池）
2、PN结型
入射光线
几个特征： • 1、栅状电极 • 2、受光表面的保护膜
电极()
N P
电极()
• 3、上、下电极的区分
符号
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3.2.2 硅光电池的特性参数 1、光照特性
利用具有光电导效应的材料（如Si、Ge等本征
半导体与杂质半导体，如CdS、CdSe、PbO）可以 制成电导率随入射光辐射量变化而变化的器件，这 类器件被称为光电导器件或光敏电阻。
结构特点：体积小、坚固耐用、价格低廉、光
谱响应范围宽，广泛应用于微弱辐射信号的检测技 术领域。
4
3.1.1、光敏电阻的结构及工作原理 工作原理