半导体光电检测器件分钟ppt课件

1、第三节第三节 半导体光电检测器件半导体光电检测器件光电导型光电器件：光敏电阻光电导型光电器件：光敏电阻光生伏型光电器件：光电池光生伏型光电器件：光电池 光电二极管光电二极管 光电三极管光电三极管一、光敏电阻一、光敏电阻一光敏电阻的构造及任务原理一光敏电阻的构造及任务原理光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其任务原理是基于光电导效应，其阻其任务原理是基于光电导效应，其阻值随光照加强而减小。值随光照加强而减小。优点：灵敏度高，光谱呼应范围宽，体优点：灵敏度高，光谱呼应范围宽，体积小、分量轻、机械强度高，耐冲击、积小、分量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载才干强和

2、寿命长等。耐振动、抗过载才干强和寿命长等。 缺乏：需外部电源，受温度影响，有电缺乏：需外部电源，受温度影响，有电流时会发热。流时会发热。 当光照射到光电导体上时，假设光电导体为本征当光照射到光电导体上时，假设光电导体为本征半导体资料，而且光辐射能量又足够强，光导资半导体资料，而且光辐射能量又足够强，光导资料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴添加，致使光导体的电导率的电子和价带的空穴添加，致使光导体的电导率变大。为实现能级的跃迁，入射光的能量必需大变大。为实现能级的跃迁，入射光的能量必需大于光导体资料的禁带宽度于光导体资料的禁带宽

3、度EgEg，即，即 hEg (eV) hEg (eV)， h Ei (eV) h Ei (eV) 式中式中和和入射光的频率和波长。入射光的频率和波长。 用用EiEi大的、大的、n n型资料型资料A金属封装的硫化镉光敏电阻构造图金属封装的硫化镉光敏电阻构造图光导电资料光导电资料绝缘衬低绝缘衬低引线引线电极电极引线引线光电导体光电导体 光电导体普通都做成薄层。为了获得高的光电导体普通都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极普通采用疏状图灵敏度，光敏电阻的电极普通采用疏状图案，构造见以下图。案，构造见以下图。 它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属构成

4、的。这种疏状电极，蒸镀金或铟等金属构成的。这种疏状电极，由于在间距很近的电极之间有能够采用大由于在间距很近的电极之间有能够采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。度。 光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。假设把光敏电阻衔接到外电路中，在外加假设把光敏电阻衔接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改动电路中电压的作用下，用光照射就能改动电路中电流的大小，其连线电路如以下图所示。电流的大小，其连线电路如以下图所示。 光敏电阻具有很高的灵敏度，很

5、好的光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱呼应可从紫外区到红外区光谱特性，光谱呼应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、分量轻、性能稳定、范围内。而且体积小、分量轻、性能稳定、价钱廉价，因此运用比较广泛。价钱廉价，因此运用比较广泛。 二光敏电阻的主要二光敏电阻的主要参数和根本特性参数和根本特性1暗电阻、亮电暗电阻、亮电阻、光电流阻、光电流暗电流暗电流Id ：光敏电：光敏电阻在室温条件下，阻在室温条件下，全暗无光照射后全暗无光照射后经过一定时间丈量经过一定时间丈量的电阻值，称为暗电的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流为阻。此时流过的电流为IdRGRLE 连线电路图连线电路图 亮电流亮电流

6、IL ：光敏电阻在某一光照下的：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流。流过的电流。 光电流光电流I光：亮电流与暗电流之差。光：亮电流与暗电流之差。 光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小那么性能越好。也就是说，暗电流小那么性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。的灵敏度越高。适用的光敏电阻的暗电阻往往超越适用的光敏电阻的暗电阻往往超越1M,1M,甚至甚至高达高达100M100M，而亮电阻那么在几，而亮电阻那么在几kk以下，以下，暗电阻与亮电阻之

7、比在暗电阻与亮电阻之比在102102106106之间，可之间，可见光敏电阻的灵敏度很高见光敏电阻的灵敏度很高 2 2光照特性：光照特性：以下图表示以下图表示CdSCdS光敏电阻的光照特性：在一定光敏电阻的光照特性：在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线在弱光呈线性，在不同，但光照特性曲线在弱光呈线性，在强光时呈非线性。强光时呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的缺乏之处。普通在自动控制系电阻的缺乏之处。普通在自动控制系

8、统中用作光电开关。统中用作光电开关。012345I/mA L/lx100020003 3增益增益G G G=U/L2G=U/L24 4灵敏度灵敏度(a) (a) 光电导灵敏度光电导灵敏度 Sg=g/E=gA/ Sg=g/E=gA/ 由欧姆定律，得由欧姆定律，得 I=SgEU I=SgEU(b) (b) 电阻灵敏度电阻灵敏度 SR=(Rd-R SR=(Rd-R亮亮)/Rd)/RdR/RdR/Rd(c) (c) 比灵敏度比灵敏度 S S比比= SI/U =I= SI/U =I光光/ / U U 6 伏安特性 在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。 80100204060

9、4080120160200240 /m312相相对对灵灵敏敏度度1硫化镉硫化镉2硒化镉硒化镉3硫化铅硫化铅图中曲线图中曲线1 1、2 2分别表示照度为零及照度为某值时分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下, ,光照光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电加的电压越大，光电流越压越大，光电流越大，而且无饱和现大，而且无饱和现象。但是电压不能象。但是电压不能无限地增大，由于无限地增大，由于任何光敏电阻都受任何光敏电阻都受额定功率、最高工额定功率、最高工作电压和额定电流作电压和额定电

10、流50100150200 U/V02040 I/ A的限制。超越最高任务电压和最大额定的限制。超越最高任务电压和最大额定电流，能够导致光敏电阻永久性损坏电流，能够导致光敏电阻永久性损坏7频率特性频率特性当光敏电阻遭到脉冲光照射时，光电流当光敏电阻遭到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才干到达稳定值，而要经过一段时间才干到达稳定值，而在停顿光照后，光电流也不立刻为零在停顿光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的延时特性。由于，这就是光敏电阻的延时特性。由于不同资料的光敏，电阻延时特性不同不同资料的光敏，电阻延时特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图，所以它们的频率特性也不同，如图。 硫化铅

11、的运用频硫化铅的运用频 率比硫化镉高得率比硫化镉高得 多，但多数光敏多，但多数光敏 电阻的延时都比电阻的延时都比 较大，所以，它较大，所以，它 不能用在要求快不能用在要求快 速呼应的场所。速呼应的场所。20406080100I / %f / Hz010102 103104硫化铅硫化铅硫化镉硫化镉8 8稳定性稳定性图中曲线图中曲线1 1、2 2分别表示两种型号分别表示两种型号CdSCdS光敏光敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，由于体内机构任务不稳定，以及电阻由于体内机构任务不稳定，以及电阻体与其介质的作用还没有到达平衡，体与其介质的作用还没有到达平衡，所以性能是不

12、够稳定的。但在人为地所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。光敏电二周的老化，性能可达稳定。光敏电阻在开场一段时间的老化过程中，有阻在开场一段时间的老化过程中，有些样品阻值上升，有些样品些样品阻值上升，有些样品 阻值下降，但最后阻值下降，但最后 到一个稳定值后达到一个稳定值后达 就不再变了。这就就不再变了。这就 是光敏电阻的主要是光敏电阻的主要 优点。优点。 光敏电阻的运用寿光敏电阻的运用寿 命在密封良好、使命在密封良好、使 用合理的情况下，几乎是无限长的。用合理的情况下，几乎是无限长的。 I / %408012

13、0160210400 800 12009 9温度特性温度特性其性能其性能( (灵敏度、暗电阻灵敏度、暗电阻) )受温度的影响受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向挪动。硫化镉的光电流波长短的方向挪动。硫化镉的光电流I I和温度和温度T T的关系如下图。有时为了提高的关系如下图。有时为了提高灵敏度，或为了可以接纳较长波段的灵敏度，或为了可以接纳较长波段的辐射，将元件降温运用。例如，可利辐射，将元件降温运用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。用制冷器使光敏电阻的温度降低。 I /

14、 A100150200-50-1030 5010-30 T/ C8020406010001.02.03.04.0/mI/mA+20 C-20 C-20 C1010噪声噪声当任务频率当任务频率f1kHzf1kHz时，主要为时，主要为1/f 1/f 噪声。噪声。当当1kHzf 1MHz1kHzf =1MHzf =1MHz时，主要为热噪声。时，主要为热噪声。二、光电池二、光电池 光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加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。简单的偏压就能将光能转化成电能的光电器件。简单的说，其本质就是一个说，其本质就是一个PN结。结。 PNhPN

15、LRGE表示电子表示电子表示空穴表示空穴LI 由节点定律，得由节点定律，得DPLIII 1)(dLRIVkTqSPDPLeIIIII 二特性参数二特性参数 1 1输出特性输出特性 1 1伏安特性伏安特性 由由2 24545式，当式，当I=0I=0时，得开路电压时，得开路电压) 1ln(SPOCIIqKTV V=0 时，得短路电流时，得短路电流 ISC=IL=SL (2) 输出特性输出特性 最大输出功率最大输出功率 负载功率：负载功率：PL=VI=I2L RL 当当RL=0, V=0 , PL=0 当当RL趋于无穷大时，趋于无穷大时， I=0 , PL=0 有最大的有最大的Pmax , 得负载电

16、阻得负载电阻RLROPt一构造原理一构造原理 1、金属、金属-半导体接触型硒光电池半导体接触型硒光电池 2、PN结型结型 结型光电池，是在结型光电池，是在N型或型或P型半导体外表型半导体外表上分散一层上分散一层P型或型或N型杂质，构成型杂质，构成PN结。结。NP)(电极)(电极入射光线二分类二分类1按基底资料分类按基底资料分类 2DRP型型Si为基底为基底 2CRN型型Si为基底为基底2 2 按构造分类按构造分类 阵列式：分立的受光面阵列式：分立的受光面 象限式：参数一样的独立光电池象限式：参数一样的独立光电池 硅蓝光电池：硅蓝光电池：PNPN结距受光面很近结距受光面很近 阵列式阵列式 象限式

17、象限式3 3按用途分类按用途分类 太阳能光电池：用作电源效率高，太阳能光电池：用作电源效率高，本钱低本钱低 丈量用光电池：探测器件线丈量用光电池：探测器件线性、灵敏度高等性、灵敏度高等4 4按资料分类按资料分类 硅光电池：光谱呼应宽，频率特硅光电池：光谱呼应宽，频率特性好性好 硒光电池：波谱峰值位于人眼视硒光电池：波谱峰值位于人眼视觉内觉内 薄膜光电池：薄膜光电池：CdS CdS 加强抗辐射才加强抗辐射才干干 紫光电池：紫光电池：PNPN结结 0.20.3 0.20.3 m m， 短短波峰值：波峰值：600nm600nm三符号及电路三符号及电路 符号符号 衔接电衔接电 等效电路等效电路LRIU

18、LRLIDIIU四特性参数四特性参数1、光照特性、光照特性socISLqkTUln0200040006000800010000123454 . 03 . 02 . 01 . 0scIocU)/(2cmmAIsc)(VUoc)(LxESLIILSC2、输出电流与负载大小的关系、输出电流与负载大小的关系3、伏安特性、伏安特性 光电流与电压的关系光电流与电压的关系5、光谱特性、光谱特性 电路电流随波长变化情况电路电流随波长变化情况 取决于所用资料与工艺取决于所用资料与工艺200040006000800010000 1200020406080100(%)ISi蓝Si6、温度特性、温度特性T0 . 29

19、 . 18 . 1200400600ocUscI)(mVUoc)(mAIsc20020406080100五运用五运用1、光电池用作太阳能电池、光电池用作太阳能电池 把光能直接转化成电能，需求最大的把光能直接转化成电能，需求最大的输出功率和转化效率。即把受光面做输出功率和转化效率。即把受光面做得较大，或把多个光电池作串、并联得较大，或把多个光电池作串、并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，可组成电池组，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站等无输电线路地域作为卫星、微波站等无输电线路地域的电源供应。的电源供应。2、光电池用作检测元件、光电池用作检测元件 利用其光敏面大，频率呼应高，利用其光敏面大，频率

20、呼应高，光电流与照度线性变化，适用于作光电流与照度线性变化，适用于作 1光开关光开关 2线性丈量线性丈量(如光电读数、光栅丈如光电读数、光栅丈量、激光准直等量、激光准直等三、光敏二极管三、光敏二极管1、与普通二极管相比、与普通二极管相比共同点：一个共同点：一个PN结，单导游电性结，单导游电性不同点：不同点：1受光面大，受光面大，PN结面积更大，结面积更大，PN结深度较浅结深度较浅2外表有防反射的外表有防反射的SiO2维护层维护层3外加负偏压外加负偏压 2、与光电池相比、与光电池相比共同点：均为一个共同点：均为一个PN结，利用光生伏特效结，利用光生伏特效应，应， SiO2维护膜维护膜不同点：不同点：1结面积比光电池的小，频率特性好结面积比光电池的小，频率特性好2光生电势与光电池一样，但电流比光生电势与光电池一样，但电流比光电池小