光电信号检测第三章第一部分光电二极管

I光 S g 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 料的入射强弱有关，对CdS光电导 弱光照射下γ=1， 体，弱光照射下γ=1，强光下γ=0.5 强光下γ=0.5；为什么？ ； 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
I
200
150
100 50
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0
T
20
40 60
80 100
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。
3.1.1、光敏电阻的结构及工作原理 工作原理
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：
Rp
2
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即
I R p S g
2
Ub
R
L
Rp
2

3.1.3、光敏电阻的应用电路 2、基本偏置电路
I UL
R
L
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
思考题
2.某光敏电阻与负载电阻RL=2kΩ 串接于12伏的直流电源上，无光 照时负载电阻上的输出电压为 u1=20mV，有光照时负载上的输出 电流u2=2V，试求：光敏电阻的暗 电阻和亮电阻值；若光敏电阻的 光导灵敏度S=6×10-6s/lx，求光 敏电阻所受的照度？
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4
1 0
100 lx
10 lx
I光/mA
5
250m W 允许的 功耗线
O 50 电压V/V
100
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光敏电阻的伏安特性
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。
2
1
绝缘基 底 3
2
1-光电导材料；2-电极；3-衬底材料
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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
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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 UL
R R 2 S g E 对R求导得到
负号表示电阻是随温度的增加而减小。
当光通量变化时，电阻变化ΔRp， R
P
R
L
电流变化ΔI，即有：
I I

Ub
R
L
R p R p
U
Biblioteka BaiduI
Ub
RL R p R p Ub
Ub
RL R p
R p
R
L
电极
入射光
g=gL-gd I光=IL-Id
Ip
U
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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
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3.1.3、光敏电阻的应用电路
1、火焰检测报警器
恒压 偏置 电路
R2 R1
2kΩ 200kΩ
C1
68nF
R4
3.9MΩ
R6
3.9kΩ
高输 入阻 抗放 大电 路
V3
Vo
中心站 放大器 C4
4.7nF
C2 V1 VDW

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。
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
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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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CdS的光电特 性
E
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。
O
Τ’r τr
Τ’f
τf
t
3.1.2、光敏电阻特性参数
7、光谱特性
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 可见光区光敏电阻的光谱特性 于与人眼有关的仪 器。
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，
1 3
2
E=10lx时， 光敏电阻tr=66mS,
E=100lx时， 光敏电阻tr=6mS。
10
2
10 3 f/Hz
10
4
105
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第三章 半导体光电检测器件及应用
3.1 光敏电阻 3.2 光生伏特器件--光电池 3.3 光电二极管与光电三极管 3.4 发光器件 3.5 光电耦合器件 3.6 光电位置敏感器件 3.7 光热辐射检测器件 3.8 各种光电检测器件的性能比较
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3.1 光敏电阻
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。
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Ub
b
Rp2
10kΩ
R1
5.1kΩ
R2
300Ω
VD
M
R CdS UR
Uth
+
驱 动 单 元 Uth=??? UR=???
A
_ Rp1
10kΩ
V
C1
快 门 按 钮
1uF
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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。
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光敏电阻的基本结构
光电导 体膜
1-Se；2-CdS；3-TlS；4-PbS
3.1.2、光敏电阻特性参数 E
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(%)
矩形光 脉冲
t
100l x
100
10lx
63 37
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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
相对输出
1 0.8 0.6 0.4 0.2 O 10
1
4
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。 Information optoelectronics research
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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 Sg E G=Gp=SgE或G=SgΦ 即 R

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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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：
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
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 Hz 2-3倍。 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.
6V 68uF
V2 R5 R7
1kΩ
R9
150kΩ
R3
PbS
820kΩ
R8
32kΩ
+ 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
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
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3.1.2、光敏电阻特性参数 光谱特性
红外区光敏电阻的光谱特性
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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。