第十二讲 光敏电阻.ppt

,光电子技术PhotoelectronicTechnique光敏电阻周自刚,本讲主要内容,一、原理与结构,二、特性参数,四、器件特点,三、典型应用,一、原理与结构,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称为物质的光电导效应。,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，称为光电导器件或光敏电阻。,39,一、原理与结构,1基本原理,当光敏电阻的两端加上适当的偏置电压Ubb后，便有电流Ip流过。,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。,38,一、原理与结构,信号电压由下式表示：,Is：信号电流,光敏电阻工作电路图,1基本原理,37,一、原理与结构,1基本原理,相对输出(%),信号输出与RL/Rd的关系曲线,当负载电阻(RL)与暗电阻(Rd)相同时，可获得最大的信号输出。,36,一、原理与结构,2基本结构,在微弱辐射作用下光电导灵敏度与光敏电阻两电极间距离l的平方成反比；在强辐射作用下光电导灵敏度与光敏电阻两电极间距离l的二分之三次方成反比。,它由一块涂在绝缘基底上的光电导材料薄膜和两端接有两个引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。电极和光电导体之间呈欧姆接触。,35,一、原理与结构,2基本结构,为提高光电导灵敏度，要尽可能地缩短两电极间的距离l。根据这一设计原则可以设计出3种基本结构。,34,一、原理与结构,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，在槽内填黄金或石墨等导电物质，在表面敷上一层光敏材料。,光电导体膜,绝缘基底,2基本结构,33,一、原理与结构,2基本结构,刻线式在玻璃基片上镀一层薄的金属箔，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。,涂膜式（蛇形）在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成。,32,一、原理与结构,3基本类型,按照工作机理分类，光电导探测器(光敏电阻)可以分为本征型和杂质型(非本征型)两大类。,本征型：硫化镉(CdS)、锑化铟(InSb)、硫化铅(PbS)、碲镉汞(Hg1-xCdxTe)等,杂质型：锗掺汞(Ge：Hg)、锗掺铜(Ge：Cu)、锗掺锌(Ge：Zn)、硅掺砷(Si：As)等,31,一、原理与结构,3基本类型,(1)PbS/PbSe,室温下的PbS光敏电阻的光谱响应范围为13.2m，PbSe为1.55.2m。当温度降低到（195K）时，光谱响应范围为14m，峰值响应波长移到2.8m，D*也增高到21011cmHzW-1。,利用入射红外线和减小阻抗产生光电导效应应用的红外线探测器件。在一定的波长范围内探测效率高。,PbS在辐射温度计和火焰监测器，PbSe在分析设备、辐射温度计和精密光度学都得到广泛应用。,30,一、原理与结构,3基本类型,(2)CdS,为最常见的光敏电阻，光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率，它在可见光波段范围内的灵敏度最高，被广泛地应用于灯光的自动控制，照相机的自动测光等。,通常，CdS光敏电阻的峰值响应波长为0.52m。,一般在CdS中掺入少量杂质铜(Cu)和氯(Cl)，可使CdS光敏电阻的光谱响应向红外光谱段延长，峰值波长也相应延长。,29,一、原理与结构,3基本类型,在室温下的长波长可达7.5m，峰值波长在6m附近，D*约为11011cmHzW-1。当温度降到77K（液氮）时，其长波长由7.5m缩短到5.5m，峰值波长也将移至5m，D*升高到21011cmHzW-1。,为35m光谱范围内的主要探测器件之一。,(3)InSb(锑化铟),28,一、原理与结构,3基本类型,(4)Hg1-xCdxTe(碲镉汞)系列,由HgTe和CdTe两种材料的晶体混合制造的，其中x标明Cd元素含量的组分。在制造混合晶体时选用不同Cd的组分x，可以得到不同的禁带宽度Eg，便可以制造出不同波长响应范围的Hg1-xCdxTe探测器件。,是目前所有红外探测器中性能最优良最有前途的探测器件。,一般，其光谱响应范围从2m22m。,27,二、特性参数,1、光电流及增益,无光照时流过器件的电流称暗电流，由入射光引起的称光电流。,在外电场作用下向阳极漂移，如果大于tr，那么在时间内n，从阳极输出的电子就不是一个，而是n/tr。,26,增益：样品中每产生一个光生载流子所构成的流入外电路的载流子数。,若G1,即单位时间流过器件的电荷数大于器件内光激发的电荷，从而使电流得到放大。,二、特性参数,1、光电流及增益,25,增益系数：光电流与入射光引起的单位时间电荷量的比值。,二、特性参数,1、光电流及增益,24,注意,、减小样品长度可以大大提高增益；,、增加载流子的寿命也可提高增益。,光敏面作成蛇形，电极作成梳状是可保证有较大的受光表面，减小电极之间距离，减小极间电子渡越时间，也有利于提高灵敏度。,二、特性参数,1、光电流及增益,为什么要做成蛇形？,23,2.光电导灵敏度,定义为光电导与输入光照度E之比。,：光电导（西门子S）,：照度（勒克斯lx）,A：入射通量（流明lm),二、特性参数,22,灵敏度与光电增益的区别,材料特性,结构参数,（1）灵敏度是光电导体在光照下产生光电导能力的大小。,（2）增益指在工作状态下，各参数对光电导效应的增强能力。,二、特性参数,21,2.光电导灵敏度,3、光电特性,光电流与照度的关系：,：光照指数,：电压指数,（1）弱光时，与照度成线性关系,（2)强光时，光电流与照度成抛物线,二、特性参数,20,光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）,3、光电特性,二、特性参数,19,4、伏安特性,在一定的光照下，光电流I光与所加电压的关系,一定的光照下，光与电压的关系;相同的电压下，光与光照的关系,二、特性参数,18,说明：,（1)光敏电阻为纯电阻，符合欧姆定律，对多数半导体，当电场强度超过104伏特/厘米（强光时），不遵守欧姆定律。硫化镉例外，其伏安特性在100多伏就不成线性了。,（2）光照使光敏电阻发热，使得在额定功耗内工作，其最高使用电压由其耗散功率所决定，而功耗功率又和其面积大小、散热情况有关。,（3）伏安特性曲线和负载线的交点即为光敏电阻的工作点。,二、特性参数,4、伏安特性,17,5、温度特性,温度的变化，引起温度噪声，导致其灵敏度、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受温度影响更明显。,二、特性参数,16,6、前历效应,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,指时间特性与工作前“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越慢程度。工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重。,二、特性参数,15,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。,6、前历效应,二、特性参数,14,7、暗电阻,光敏电阻在黑暗时的阻值称为暗电阻，一般情况下，暗电阻都大于10兆，受光照时的阻值称为亮阻。暗阻与亮阻的比值也可作为衡量灵敏度的高低，比值越大，灵敏度越高。,二、特性参数,13,8、时间与频率响应,时间特性与光照度、工作温度有明显的依赖关系。,二、特性参数,时间响应（又称为惯性）比其他光电器件要差（惯性要大）些，频率响应要低些，而且具有特殊性。当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。,12,8、时间与频率响应,二、特性参数,在弱辐射作用下的时间响应,在强辐射作用下的时间响应,11,PbS光敏电阻的频率特性曲线,频率(Hz),相对灵敏度(%),几种光敏电阻的频率特性曲线,相对灵敏度(%),频率(Hz),1Se；2CdS；3硫化铊；4PbS,8、时间与频率响应,二、特性参数,10,9、噪声特性,热噪声、产生复合噪声、1/f噪声与调制频率的关系,（1)红外：减小温漂，信号放大，可调较高的f；,（3）制冷可降低热噪声。,（2）恰当的偏置电路，可使信噪比最大；,二、特性参数,9,10、光谱特性：相对灵敏度与波长的关系,覆盖整个可见光区，峰值波长在515600nm之间。尤其硫化镉的峰值波长与人眼的很敏感的峰值波长（555nm）是很接近的，可做成例如照相机、照度计、光度计等。,二、特性参数,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。,8,三、典型应用,幻灯机自动聚焦、比色测试设备、比重计、电子秤(双光敏电阻)、自动后视镜。或用于前灯自动减光器、夜灯控制、燃油灯控制、街灯控制、无光/有光检测(光束断路器)。,7,三、典型应用,1照相机电子快门控制电路,采用与人眼视觉函数相接近的CdS光敏电阻。曝光电路是由RC充电电路、时间检测电路及驱动电路组成。通过CdS光敏电阻控制快门打开速度达到控制曝光时间的目的。,照相机自动曝光控制电路图,6,三、典型应用,2照明灯自动控制电路,采用CdS光敏电阻作为光的传感器件。当室内外自然光较暗时，CdS光敏电阻的阻值很大，继电器K绕组电流变得很小，继电器不能工作，继电器常闭点闭合，使照明灯点亮；当自然光增强到一定亮度时(照度)，当光敏电阻的阻值减小到一定值时，就有一定的电流流过继电器，使继电器工作，常闭点断开，灯熄灭。,5,三、典型应用,3火焰探测报警器,采用PbS光敏电阻为探测元件的火焰探测报警器。PbS光敏电阻暗电阻为1M，亮电阻的阻值为0.2M(辐射照度1mW/cm2下测试的)，其峰值波长为2.2m，恰为火焰的峰值辐射光谱。,4,1、优点：,灵敏度高，光电导增益大于1，工作电流大，无极性之分光谱响应范围宽，尤其对红外有较高的灵敏度所测光强范围宽，可测强光、弱光。,2、不足：,强光下光电转换线性差，光电导弛豫时间长，受温度影响大，由伏安特性知，设计负载时，应考虑额定功耗进行动态设计时，应考虑光敏电阻的前历效应。,四、器件特点,3,1、光敏