第二章-光电导器件分解.ppt

1、光探测器是能把光的信号转换为电的信号的半导体器件。光探测器的工作包括从入射光产生载波的三个阶段。载波传导和乘法器，通过所有可能的电流增益机制；电流与外部电路交互以提供输出信号。第二章，光电探测器、光电探测器具有高灵敏度、高响应速度和工作波长的低噪声。此外，光探测器必须薄、轻、电压低或电流低，并且可靠性高。光电效应原理(半导体材料的本体效果)根据光电探测器的照明，其电阻率(光越强，设备本身的电阻越小)光敏电阻(光导管)固有光敏电阻通常在室温下工作，对可见光和近红外辐射的非弱感光电阻通常在低温条件下工作，主要用于中、远红外线辐射检测，第一，光敏电阻的原理和结构？电路符号中常见的感光电阻是CdS、C

2、dSe、PbS、InSb、HgxCd1-xTe (HgTe和CdTe两种材料的混合固溶体)，用于制造感光电阻的材料主要是金属中的硫化物、硒和碲化物等半导体。通常用涂层、喷涂、烧结等方法在绝缘基板上制作非常薄的光敏电阻体和梳欧姆电极，然后附着引线，将其包装在有半透明镜子的密封外壳上，以免湿气影响灵敏度。光敏电阻的原理结构如图所示。在黑暗的环境中，电阻很高，接收光时光子可以大于半导体材料的禁带宽度，那么价带的电可以吸收一个光子的能量，然后转移到导带，由光产生的电子空心对可以增加半导体材料的电流，子数可以减少电阻，从而导致感光电阻减小。光线越强，阻力越低。入射光消失后，光子产生的电子孔对逐渐复合，感

3、光电阻的电阻也逐渐恢复到原值。在感光电阻两端的金属电极之间施加电压，电流就会流动，得到适当波长的光后，电流会随着亮度的增加而增加，从而实现光电子转换。对光敏感的电阻没有极性，纯粹是可以同时添加直流电压和交流电压的电阻装置。某些光敏电阻的增益最大可达106。典型感光电阻的响应时间为10-3s10-10s，它们常用于红外线检测，尤其是波长大于几微米的区域。，第1章讨论了光电导效应，结果表明，对于弱辐射，光电导灵敏度Sg与光敏感电阻2电极之间的距离l的平方成反比(1-85)表达式。对于强辐射，光电导灵敏度Sg与光敏电阻2电极之间的距离l的2/3平方成反比(1-88)表达式。与两个电极之间的距离l相关

4、。根据感光电阻的设计原理，可以设计图2-2所示的三种基本结构，图2-2(a)所示的感光面为梳理结构。CdS和CdSe(2.42，1.7 ev)成本低，可靠性高，寿命长，可见光辐射探测器光导增益比较高(10304)长响应时间(约50毫秒)自动化技术，广泛应用于相机的光计量。室温禁带宽度0.41 ev(PbS)近红外辐射探测器波长响应范围为13.4米，峰值响应波长约为2米内阻(暗阻)1米响应时间约200s广泛用于遥感技术和武器红外感应技术InSb(铟锑化，室温禁带宽度0.18eV)近红外辐射探测器，室温噪声为77k处噪声，HgxCd1-xTe探测器化合物固有光电探测器是HgTe和CdTe两种材料的

5、混合固溶体，当带隙宽度随x=0.2线性变化时，响应波长为814m，工作温度77k冷却为液氮。，声学性能大幅提高最大响应波长5m；适合响应时间短(约5010-9s)的快速红外信号检测，1)暗电阻、亮电阻感光电阻在室温和全暗条件下测量的稳定电阻值称为暗电阻或暗电阻。此时流动的电流称为暗流。例如，MG41-21光敏电阻抗岩芯电阻大于0.1米。感光电阻是在室温和一定照明条件下测量的稳定电阻值，称为亮电阻或亮电阻。此时流动的电流称为明亮的电流。MG4121光敏电阻亮电阻小于1k。明亮电流和暗电流的区别称为光电流。感光电阻的暗电阻越大，亮电阻越小，效果越好。换句话说，暗电流较小，亮电流较大。这样感光电阻的

6、灵敏度高。其次，基本特性和参数，2)光谱特性对不同波长入射光的光敏电阻相对灵敏度不相等。每种材料的光谱性质如下图所示。硫化镉的峰位于可见光区域，硫化铅的峰位于红外区域，因此，在选择光敏电阻时，要获得满意的结果，必须将元件和光源种类结合起来。感光电阻的光谱反应主要与感光材料的带隙、杂质离子化能、材料掺杂率和掺杂浓度有关。3)光电子特性感光电阻的光电流与发光强度的关系称为光电子特性。如图2-3所示，感光电阻的光电特性是非线性的。前面所说的光电转换定律表达是对理想情况的转换关系。考虑到光敏感电阻的光电特性不是线性的，在第1.5.1节中讨论光敏感电阻，显示了弱辐射和强辐射中不同光电特性(线性和非线性)

7、、类型(1-84)和(1-87)在弱辐射和强辐射中光电和辐射通量的关系。(1-84)，(1-87)事实上，对光敏感的电阻在强辐射中作为强辐射，其光电特性可以描述为通过光敏感电阻的电流Ip和对光敏感电阻e的关系曲线。图2-3中所示的特性曲线反映了通过光敏电阻的电流Ip和入射光e之间的变化，从图中所示的线性到非线性地渐变。在一定电压下通过光敏电阻的光电流Ip，在表达式中Sg是光电感度，e是光敏电阻的照度。照度低时，曲线几乎是线性的，Sg以样式(1-85)描述。照度越高，线性关系越差；照度越高，曲线就越接近抛物线形状，表示为抛物线(1-87)。光敏电阻的光电特性用随光测量而变化的指数伽马()来描述，

8、并定义为光电转换因子。如果将式(2-1)更改为，则表明感光电阻不适合作为检测元件，这是自动控制中作为开关式光电传感器经常使用的感光电阻的缺点之一。Sg与设备材料、大小、造型和托架寿命相关。电压指数一般为1.01.2。照度指数值约为0.51.0。低偏压(从几伏到几十伏)，在弱光下，电压指数和照度指数通常取1，在实际使用中，感光电阻的光电特性曲线经常变更为图2-4所示的特性曲线。图2-4显示了两个坐标帧的特性曲线。其中，(a)是线性笛卡尔坐标系中感光电阻的电阻r与入射照度EV的关系曲线，(b)是对数笛卡尔坐标系中电阻r与入射照度EV的关系曲线。在图2-4(b)所示的代数坐标系中，感光电阻的电阻r保

9、持在特定照度EV范围的光电特性为线性(2-2)。值是特性曲线在代数坐标中的斜率。即(2-3)，R1和R2分别是照度为E1和E2时感光电阻的电阻。4)电压电流特性在特定照度下，添加到光电阻两端的电压与通过光电阻的电流之间的关系称为电压电流特性。感光电阻的两端电压为：光变了，光变了，电流变了，以上述两种方式相减，光线增加，明亮的电阻减少，电流增加。同时，电流的变化是光敏电阻的双端电压变化，即接收：自下而上最大值，有光时的明亮电阻，负载电阻，匹配负载电阻，但是入射光功率在更大的动态范围内变化，保持匹配工作状态更困难，其中有两个缺点。缺点3:感光电阻的响应频率低，响应时间长。原因分析：极间电容的影响被

10、忽略，如果入射光功率变化率高，等效电容就不能存储。并且，为了获得大电流，l尺寸较小，使磁极之间的电容变大。在分析了上面光敏电阻工作电流和电压后，观察了下面的工作功率，讨论了偏压v的选择。特定照明下感光电阻产生的热损失功率如下：每个型号的感光电阻具有相应的额定功率，因此替代偏置电压：匹配条件：即感光电阻电压电流特性类似于直线，受耗散功率限制，使用时感光电阻两端的电压不能超过最大工作电压。图的虚线是确定光敏电阻正常工作电压的允许功率曲线。光敏电阻延迟特性因材料而异，频率特性不同。图1提出了相对灵敏度和光度变化频率f之间的关系曲线，表明硫化铅的使用频率高于硬化，光敏电阻的响应时间常数显示在电流上升时

11、间和衰减时间之间。5)时间响应特性、感光电阻的响应时间与入射光的照度、添加的电压、负载电阻和照度变化前电阻经历的时间(称为日历时间)有关。6)频率特性，对光敏感的电阻由脉冲照射时，要经过一定的时间才能达到正常状态值，如果光突然消失，光电流也不会立即为零。这表明光敏电阻有时会延长特性。补充前日历效应是指感光电阻的时间特性与工作前“历史”相关的现象。测试前感光电阻所在的状态对感光电阻特性的影响。暗日历效果：在光敏电阻测试或工作前处于暗状态，突然收到光时，光电流上升的缓慢程度。一般来说，工作电压越低，照明度越低，黑暗状态前日历效果越重。1-暗布置3分钟后2-暗布置60分钟后3-暗布置24小时后亮状态

12、前日历效果：感光电阻测试或操作前已亮，照度与操作时要达到的照度不同时发生的迟滞现象。镉更高。但是，大部分感光电阻的延迟时间很大，如果需要快速响应，则是光敏感电阻器的缺陷。图1感光电阻的频率特性1-PbS 2-CdS，7)温度特性，感光电阻与其他半导体元件一样，受到温度的影响较大，温度越高，暗电阻越小。温度的变化对光谱特性也有很大的影响。图2是硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线。如图所示，它的峰值随着温度的升高而沿着波的长度方向移动。因此，也有采取冷却措施提高灵敏度或接受远红外光线的情况。图2 PbS的光谱温度特性，有光时随着温度变化的光敏电阻的电阻率，弱光和强光都很大，中间光很小。例如：CdS感

13、光电阻的温度系数在10lx照度下约为0。如果照度高于10lx，则温度系数为正。小于10lx时，温度系数为负。照度偏离10lx时，温度系数也越大。此外，当环境温度在0 60范围内时，感光电阻的响应速度几乎不变。在低温环境下，光敏电阻的响应速度慢。例如，-30的响应时间大约是20小时的两倍。光敏电阻的允许功耗随环境温度的升高而降低。，防止光敏电阻的电气参数(电压、功耗)不超过允许值；根据不同的用途选择不同特性的光敏电阻。用于光度的光谱特性必须与光敏电阻的光敏性相匹配。不要让光敏电阻受微观影响。8)注意事项，3，感光电阻转换电路，1，基本偏置电路(略)，设置在照度Ev上，感光电阻为r，电导为g，通过

14、偏置电阻RL的电流为IL，显示为微变量，dr=d(1/1/)添加到感光电阻中的电压是r和RL的电压Ubb的分压。换句话说，因为UR=Ubb R/(R RL)，所以光电流的微观变量是，(2-22)替代(2-21)，(2-21)，(2-22)，()，(2-24)，2，恒流电路，简单偏置电路中通过RLR时光敏感电阻的电流基本保持不变，此时偏置电路称为恒流电路。但是，如图2-13所示，引入晶体管恒流偏置电路会提高对光敏感的电阻本身的电阻，很难满足恒流偏置条件。稳定器管DW稳定晶体管基准电压，即UB=UW，通过晶体晶体管发射器的电流Ie为，(2-25)，晶体管恒流偏置电路的输出电压Uo为(2-27)，替

15、代为(2-27)，(2-27)光敏电阻对于恒压偏压电路来说，与放大状态下的晶体管发射极电流Ie几乎相同。因此，恒压偏移电路的输出电压为，未分类时产生的输出电压为，dUo=RcdIc=RcdIe=RcSgUwdE，4，4，示例，示例2-1图2-13所示的恒流偏移电路中的已知电源电压为110(设置30到100lx之间的感光电阻值)，(1)输出电压为7v的照度是多少lux？(2)此电路的电压灵敏度(V/LX)。根据已知条件，通过稳压器DW的电流，满足稳压器二极管运行条件(1)不同照明下的感光电阻，Re1和Re2值替代值计算公式，4080lx之间的照明水平，7V输出下的感光电阻电阻计算公式，E3=54.48(lx)，(2) 如果晶体管电流放大倍率不小于80，电源电压Ubb=12V，CdS感光表面的照度为150lx时间恒电压偏置电路的输出电压为10V，照度为300lx，输出电压为8V，输出电压为9V，那么