第2章光电导器件光电技术教学课件

第2章光电导器件 教学内容 2 1光敏电阻的原理与结构2 2光敏电阻的基本特性2 3光敏电阻的变换电路2 4光敏电阻的应用实例 教学基本要求 一掌握光敏电阻器的主要参数 二掌握光敏电阻的基本特性参数 三熟练掌握光敏电阻器的主要变换电路 能分析应用实例 加以应用 光电导效应 某些物质吸收了光子的能量产生本征吸收或杂质吸收 从而改变了物质电导率的现象 光电导器件或光敏电阻 利用具有光电导效应的材料 如硅 锗等本征半导体与杂质半导体 硫化镉 硒化镉 氧化铅等 可以制成电导随入射光度量变化器件 光敏电阻具有体积小 坚固耐用 价格低廉 光谱响应范围宽等优点 广泛应用于微弱辐射信号的探测领域 2 1光敏电阻的原理与结构1光敏电阻的基本原理光敏电阻 在均匀的具有光电导效应的半导体材料的两端加上电极便构成光敏电阻 本征型半导体光敏电阻 常用于可见光波段的探测 杂质型半导体光敏电阻 用于红外波段及远红外波段的探测 2光敏电阻的基本结构微弱辐射作用 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 光敏电阻的3种基本结构 3典型光敏电阻光敏电阻器的种类 按光敏电阻器的制作材料分类多晶光敏电阻器 单晶光敏电阻器 硫化镉 CdS 光敏电阻器 硒化镉 CdSe 光敏电阻器 硫化铅 PbS 光敏电阻器 硒化铅 PbSe 光敏电阻器 锑化铟 InSb 光敏电阻器等 按光谱特性分类 可见光光敏电阻器 主要用于各种光电自动控制系统 电子照相机 光报警等地 紫外光光敏电阻器 主要用于紫外线探测仪器 红外光光敏电阻器 主要用于天文 军事等领域的有关自动控制系统 光敏电阻器的主要参数亮电阻 RL 光敏电阻器受到光照射时的电阻值 暗电阻 RD 光敏电阻器在无光照射 黑暗环境 时的电阻值 最高工作电压 VM 光敏电阻器在额定功率下所允许承受的最高电压 亮电流 IL 光敏电阻器在规定的外加电压下受到光照时所通过的电流 暗电流 ID 无光照射时 光敏电阻器在规定的外加电压下通过的电流 时间常数 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 电阻温度系数 光敏电阻器在环境温度改变1 时 其电阻值的相对变化 灵敏度 光敏电阻器在有光照射和无光照射时电阻值的相对变化 等效噪声功率 NEP 投射到光敏电阻器上的辐射功率所产生的输出电压 电流 正好等于光敏电阻器本身的噪声电压 电流 是信噪比为1时所能测到的最小辐射功率 探测率D 用等效噪声功率NEP的倒数作为探测最小光信号能力的指标 比探测率D 归一化探测率 探测灵敏度 1W辐射功率入射到光敏面积1cm2的探测器上 并用带宽为1Hz电路测量所得的信噪比 用D 来比较两个探测器的优劣 可避免探测器面积或测量带宽不同对测量结果的影响 单位 CdS光敏电阻光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率 在可见光波段范围内的灵敏度最高 峰值响应波长为0 52 m 调整S和Se的比例 可使Cd S Se 光敏电阻的峰值响应波长大致控制在0 52 0 72 m范围内 应用 灯光的自动控制 照相机的自动测光等 PbS光敏电阻近红外波段最灵敏的光电导器件 2 m附近的红外辐射的探测灵敏度很高 光谱响应和比探测率等特性与工作温度有关 随着工作温度的降低其峰值响应波长和长波长将向长波方向延伸 且比探测率D 增加 常用于火灾的探测等领域 InSb光敏电阻3 5 m光谱范围内的主要探测器件之一 InSb光敏电阻在室温下的长波长可达7 5 m 峰值波长在6 m附近 比探测率D 约为1 1011cm Hz1 2 W 1 当温度降低到77K 液氮 时 其长波长由7 5 m缩短到5 5 m 峰值波长也将移至5 m 恰为大气的窗口范围 峰值比探测率D 升高到2 1011cm Hz1 2 W 1 2 2光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性参数光电导特性伏安特性温度特性时间响应噪声特性光谱响应 1光电特性 光电导特性 光电特性 电导随光照量变化的特性 电导随光照量变化越大的光敏电阻就越灵敏 暗电导 光敏电阻在黑暗的室温条件下 由于热激发产生的载流子使它具有一定的电导 光电导 当有光照射在光敏电阻上时 它的电导将变大 这时的电导称为光电导 弱辐射的光电特性 线性 强辐射的光电特性 非线性 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 在恒定电压的作用下 流过光敏电阻的光电流Ip为 Sg 光电导灵敏度E 光敏电阻的照度 光电转换因子 光敏电阻的光电特性可用一个随光度量变化的指数 来描述 弱辐射作用的情况 1 随着入射辐射的增强 值减小 当入射辐射很强时 0 5 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 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 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 保持不变 值为对数坐标下特性曲线的斜率 2伏安特性光敏电阻符合欧姆定律 具有与普通电阻相似的伏安特性 但是它的电阻值是随入射光度量而变化的 光敏电阻的伏安特性 不同光照下加在光敏电阻两端的电压U与流过它的电流Ip的关系曲线 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 以室温 25 的相对光电导率为100 光敏电阻的相对光电导率随温度的升高而下降 光电响应特性随着温度的变化较大 4时间响应时间响应 又称为惯性 比其他光电器件要差 惯性要大 频率响应要低 用一个理想方波脉冲辐射照射光敏电阻时 光生电子要有产生的过程 光生电导率 要经过一定的时间才能达到稳定 当停止辐射时 复合光生载流子也需要时间 表现出光敏电阻具有较大的惯性 弱辐射作用情况下的时间响应 光电导率和光电流随时间变化的规律为 当t r时 0 63 0 I 0 63I e0 上升时间常数 r与下降时间常数 f近似相等 停止辐射时 入射辐射通量 e与时间的关系 当t f时 0 37 0 I 0 37I e0 强辐射作用情况下的时间响应 光敏电阻电导率的变化规律为 光电流的变化规律为 上升沿 当t r时 0 76 0 I 0 76I e0 停止辐射时下降沿 光电流变化规律 光电导率变化规律 当t f时 0 5 0 I 0 5I e0 前例效应 光敏电阻的暗电阻RD常与其检测前是否被曝光有关 5噪声特性主要噪声 热噪声产生复合低频噪声 或称1 f噪声 热噪声 f 等效测量噪声带宽 产生复合噪声 低频噪声 电流噪声 总噪声 三种噪声的影响 电流噪声 几百赫兹以内 复合噪声 随着频率升高 逐渐变得显著 热噪声 高频影响 6光谱响应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 2 3光敏电阻的变换电路1基本偏置电路设在某照度Ev下 光敏电阻的阻值为R 电导为g 流过偏置电阻RL的电流为IL 用微变量表示 L 设iL dIL ev dEv 则 加在光敏电阻上的电压 UR R R RL Ubb 光电流的微变量为 L 偏置电阻RL两端的输出电压变化量 当电路参数确定后 输出电压信号变化量与弱辐射入射辐射量 照度ev 成线性关系 2恒流电路 RL R 恒流电路 当RL R时 流过光敏电阻的电流基本不变 此时的偏置电路称为恒流电路 稳压管DW的作用 UB UW 流过晶体三极管发射极的电流Ie 在晶体管恒流偏置电路中输出电压Uo 或 恒流偏置电路的电压灵敏度SV 3恒压电路 RL R 利用晶体三极管很容易构成光敏电阻的恒压偏置电路 恒压偏置电路 输出的电流IP与处于放大状态的三极管发射极电流Ie近似相等 恒压偏置电路的输出电压 4例题例2 1在如图2 13所示的恒流偏置电路中 已知电源电压为12V Rb为820 Re为3 3k 三极管的放大倍率不小于80 稳压二极管的输出电压为4V 光照度为40lx时输出电压为6V 80lx时为8V 设光敏电阻在30到100lx之间的 值不变 试求 1 输出电压为7伏的照度为多少勒克司 2 该电路的电压灵敏度 V lx 解根据已知条件 流过稳压管DW的电流 1 根据题目给的条件 可得到不同光照下光敏电阻的阻值 将Re1与Re2值代入 值计算公式 得到光照度在40 80lx之间的 值 输出为7V时光敏电阻的阻值应为 此时的光照度可由 值计算公式获得 E3 54 45 lx 2 电路的电压灵敏度SV 例2 2在如图2 14所示的恒压偏置电路中 已知DW为2CW12型稳压二极管 其稳定电压值为6V 设Rb 1k RC 510 三极管的电流放大倍率不小于80 电源电压Ubb 12V 当CdS光敏电阻光敏面上的照度为150lx时恒压偏置电路的输出电压为10V 照度为450lx时输出电压为8V 试计算输出电压为9V时的照度 设光敏电阻在100 500lx间的 值不变 为多少lx 照度到500lx时的输出电压为多少 解 1 设光照度为150lx时的输出电流为I1 光敏电阻的阻值R1 则 照度为450lx时流过光敏电阻的电流I2与电阻R2为 R2 680 由于光敏电阻在500到100lx间的 值不变 因此该光敏电阻的 值应为 当输出电压为9V时 设流过光敏电阻的电流为I3 阻值为R3 则 R3 900 E3 294 lx 2 由 值的计算公式可以找到500lx时的阻值R4及三极管的输出电流I4为 R4 634 I4 8 3 mA 输出电压UO为UO Ubb I4Rc 7 8 V 即 在500lx的照度下恒压偏置电路的输出电压为7 8V 2 4光敏电阻的应用实例主要用于直流电路中光电探测与控制1照明灯的光电控制电路一种最简单的由光敏电阻作光电敏感器件的照明灯光电自动控制电路 半波整流滤波电路 测光与控制的电路 执行电路 设使照明灯点亮的光照度为EV 继电器绕组的直流电阻为RK 使继电器吸合的最小电流为Imin 光敏电阻的光电导灵敏度为Sg 暗电导go 0 则 实际应用要附加其他电路 声控开关或微波防止闪电光辐射等干扰 2火焰探测报警器图2 16所示为采用光敏电阻为探测元件的火焰探测报警器电路图 PbS光敏电阻的暗电阻的阻值为1M 亮电阻的阻值为0 2M 幅照度1mW cm2下测试 峰值响应波长为2 2 m 恰为火焰的峰值辐射光谱 照相机电子快门图2 17所示为利用光敏电阻构成的照相机自动曝光控制电路 也称为照相机电子快门 测光器件常采用与人眼光谱响应接近的硫化镉 CdS 光敏电阻 照相机曝光控制电路是由光敏电阻R 开关K和电容C构成的充电电路 时间检出电路 电压比较器 三极管T构成的驱动放大电路 电磁铁M带动的开门叶片 执行单元 等组成 在初始状态 开关K处于如图所示的位置 电磁铁不吸合 开门叶片闭合 当电容C两端的电压UC充电到一定的电位 VR Vth 时 快门叶片又重新关闭 t RW2 R C lnUbb Vth 当按动快门的按钮时 VR Ubb 1 exp t 为电路的时间常数 RW2 R CR与入射的光照度EV有关 总结 光敏电阻的实际使用要点1 因 与光照强弱有关 光敏电阻测量时不宜用强光照射 2 在可见光区灵敏的光敏电阻 其光谱特性曲线一般与人眼的光谱光视效率V 曲线不符 用于光度量测量仪器时 必须对光谱特性曲线进行修正 3 光敏电阻的光谱特性主要决定于材料 但同时也与温度有关 温度低时 灵敏范围和峰值波长都有向长波方向移动的特性 为了提高光敏电阻在长波区的灵敏度 采取冷却灵敏面的办法是有效的 4 光敏电阻的温度特性很复杂 电阻温度系数有正有负 一