第五章 光电导器件.ppt

1、第五章光导电脱老虎钳，将某些物质吸收光子能量产生本征吸收或杂质吸收，从而改变物质的电导率的现象称为物质的光导电效果。 能够利用具有光导电效果的材料(例如，硅、锗等的本征半导体和非本征半导体、硫化镉、硒化镉、氧化金属铅等)制作电导率根据入射光量而变化的资料老虎钳，也称作光导电数据老虎钳或光电阻。 光敏电阻具有体积小、结实耐久、廉价、光谱响应范围宽等优点。 广泛应用于微弱辐射信号的检测领域。 5.1光电阻的原理和结构，5.1.1光电阻的基本原理，图3-1表示光电阻的原理图和光电阻的符号，在具有均匀光电导效应的半导体材料的两端加上电极构成光电阻。 当适当的偏置电压Ubb (图3-1所示的电路)被施加

2、至光电暂存器的两端时，电流Ip流动，并且电流可以由电流计检测。 在黑暗环境中，其电阻值非常高，当受光时，如果光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价电子带的电子吸收光子能量向传导带移动，产生在价电子带带有正电荷的空穴。 由该光产生的电子空穴对增加半导体材料中的载流子数量，减小电阻率，降低光电阻值。 光越强，电阻值越低。 入射光消失后，光子激发产生的电子空穴对逐渐复合，光电暂存器的电阻值也逐渐恢复原来的值。 5.1.2当光敏电阻的基本结构、光敏电阻为微弱辐射作用时，光敏灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的平方成反比。 在强辐射作用的情况下，光电导灵敏度Sg和光电电阻两电极间距离l的二分之一的三次方

3、成反比，与两电极间的距离l有关。根据受光电阻的设定修正原则能够设定修正图3-2所示那样的3个基本构造，图3-2(a )所示的受光面是梳形的构造。 5.1.3典型的光电电阻、1、CdS光电电阻、CdS光电电阻是最常见的光电电阻，其光谱响应特性最接近于人的光谱光视效率，可见波段范围内的灵敏度最高，因此广泛应用于光的自动控制、通用相机的自动测光等。 另外，CdS光电暂存器的峰值响应波长是0.52m，而CdSe光电暂存器是0.72m，并且通常可以调节s与Se的比率以将Cd(S，Se )光电暂存器的峰值响应波长控制在基本上0.520.72m的范围内。 CdS的受光电阻的受光面多为图3-2(b )所示的蛇

4、行受光面构造。 2、PbS光接收电阻、PbS光接收电阻是近红外频带中灵敏度最高的光电导老虎钳。 PbS光阻抗由于2m附近的红外线放射的检测灵敏度高，经常被用于火灾的检测等领域。 3、InSb光敏电阻、InSb材料不仅适用于单针织面料检测元件的制造，也适用于阵列红外线检测元件的制造。 InSb光电电阻是35m光谱范围内的主要检测元件之一。 4、Hg1-xCdxTe系列光电导检测器零配件、Hg1-xCdxTe系列光电导检测器零配件是目前所有红外线探测器中性能最好的最有前途的检测器零配件，特别是对48m大气窗口带辐射的检测十分重要。 Hg1-xCdxTe系列的感光体是将HgTe和CdTe两种材料的结

5、晶混合而制造的，其中x是表示Cd元素体含量的成分。 如果在制造混合晶体时选择不同的Cd的成分x，则能够得到不同的禁带宽度Eg，能够制造不同的波长响应范围的Hg1-xCdxTe探针老虎钳。 一般的成分x的变化范围为0.180.4，长波长的变化范围为130m。 5.2光电电阻的基本特性、5.2.1光电特性、光电电阻是多个电子导电光电传感器，它们与其他光电老虎钳特性的差异表现在其基本特性残奥表中。 光电阻的基本特性残奥表包括光导电特性、时间响应、光谱响应、伏安图特性、噪声特性等。 光感应电阻在暗的室温条件下，由热激发产生的载流子瓦斯气体具有一定的电导，该电导称为暗电导。 光照射到受光电阻时，其电导变

6、大，此时的电导称为光电导。电导随光量变化越大的光电阻越敏感。 该特性称为光电暂存器的光电特性。 图23中所示的特性曲线反映了流过光电暂存器的电流Ip与入射光强度e之间的变化关系，并且可见，该特性曲线从线性渐变到非线性。 由于恒定电压，流过光电电阻的光电流Ip在式中，Sg是光电导灵敏度，e是光电电阻的照度。 明显地，在照度低的情况下，曲线大致为直线，随着照度变高，线性关系变差，照度变高时，曲线近似抛物线状。 (3-1)，光接收电阻的光电特性可以用根据光量而变化的指数伽马(-)描述，并被定义为光电转换因子。 如果变更式(3-1)，则光电转换因子在弱辐射作用的情况下为1=1)，随着入射辐射变强，值变

7、小，在入射辐射强的情况下降低到0.5。 实际使用时，多将受光电阻的光电特性曲线变更为图2-4所示的特性曲线。 图3-4表示2种坐标信息帧的特性曲线，(a )是线性正交坐标系中的光阻抗的电阻值r与入射照度EV的关系曲线，(b )是对数正交坐标系中的电阻值r与入射照度EV的关系曲线。图3-4(b )所示的对数坐标系中的受光电阻的电阻值r在某照度EV的范围内的光电特性保持线性、即(3-2)式。 值是对数坐标下的特性曲线斜率。 即，(3-3)、R1和R2分别是照度为E1和E2时的光电阻的电阻值。 gp=sge R1=1/sge1r2=1/sge 2，5.2.2伏安图特性，光电电阻的本质是电阻，符合欧姆

8、定律。 因此，该器件具有与普通电阻类似的伏安图特性，但是其电阻值根据入射光的量而变化。 另外，利用图31所示的电路，测定在不同的照明下施加于光电电阻两端的电压u与流过其的电流Ip的关系曲线，可以称为光电电阻的伏安图特性。 图3-5示出了典型的CdS光接收电阻的伏安图特性曲线。 5.2.3温度特性、光敏电阻是多数载流子导电的光电去老虎钳，具有复杂的温度特性。 图3-6示出了典型的CdS和CdSe的光接收电阻在不同照度下的温度特性曲线。 将室温25的相对光电导率设为100%，观测光电阻的相对光电导率随温度的变化关系，可知光电阻的相对光电导率随温度的上升而降低，光电响应特性随温度的变化而变大。5.2

9、.4小时响应、光敏电阻的时间响应(也称为惯性)比其他光伏器件差(惯性大)，具有频率响应低、特殊性。 在以理想的方波脉冲照射来照射光阻抗的情况下，需要光电子的产生过程，到光电子传导率稳定为止需要一定的时间。 表示如果停止放射，复合光载波也需要时间，受光电阻的惯性大。 光阻抗的惯性与入射辐射信号的强弱有关，下面分别讨论。 1 .弱辐射作用时的时间响应、t0、t=0、非平衡态中的光导电率和光电电流I相对于本征光导电德老虎钳的经时变化规律，在(3-4)、(3-5)、t=r的情况下=0.630，r定义为光电电阻的上升时间常数，停止辐射时，入射辐射通量e和时间的关系，t=。 光电导率和光电流随时间变化的规

10、则，光电导率和光电流随时间变化的规则是(3-6)、(3-7)，很明显，2 .强辐射作用时的时间响应，t=0、t0、t=0、t0、(3-8)、(3-9)，受光电阻率的变化规则，其光电流热噪声，2，复合噪声的产生，3，低频噪声(电流噪声)，总噪声，5.2.6光谱响应，光敏电阻的光谱响应主要是光敏材料禁带宽度，杂质电离能，材料掺杂大头针比5.3光电电阻的配置电路、5.3.1基本偏置电路在某照度Ev下，将光电电阻的电阻值设为r、电导设为g、将在偏置电阻RL中流动的电流设为IL，用微小变量表示，dr=d (施加到1/1光电电阻的电压是基于r和RL的电压Ubb的分压， 由于是Ubb，因此在将式(3-22

11、)代入式(3-21 )而得到的(3-24 )、5.3.2恒定电流回路、简单偏置电路中，RLR时流过光电电阻的电流几乎不变，但将此时的偏置电路称为恒定电流回路。 然而，由于光电暂存器本身的电阻值已经高，并且如果满足恒流偏置的条件，则难以满足电路输出阻抗的要求，因此可以引入如图3-13所示的晶体管恒流偏置电路。 另外，稳定杆DW表示将晶体管的基极电压代入UB=UW、将流过晶体管的发射极的电流Ie代入、(3-25 )、在晶体管恒流偏置电路中将输出电压Uo代入、微分，并代入(3-27 )的图314中的典型的受光电阻恒压偏置电路。 受光电阻为恒压偏置电路的情况下输出的电流IP与处于放大状态的三极管发射极

12、电流Ie大致相等。 因此，恒压偏置电路的输出电压取微分时，得到的输出电压的变化量是dUo=RcdIc=RcdIe=RcSgUwd，5.3.4例，例5-1如图3-15所示(光电电阻在30到100lx之间的值不变) 在解：中，根据对图3-15所示的恒流偏置电路给出的已知条件，流过稳压管DW的电流IW=UW=4V，流过晶体管的发射极电阻的电流超过1mA。 满足稳压二极管的工作条件，(1)根据主题的条件，可以得到不同照明下的光电电阻的电阻值，将Re1和Re2的值代入值修正公式，得到照度为4080lx之间的值，输出为7V时的光电电阻的电阻值，此时的照度可以从值修正公式中得到在例5-2图3-16所示的恒压

13、偏置电路中，DW是2CW12型齐纳二极管，其稳定电压值为6V、Rb=1k、RC=510，晶体管的电流放大倍数为80以上，电源电压为Ubb=12V，已知有CdS感光的解分析电路中设照度为150lx时的输出电流为I1，光电阻的电阻值R1，则同样地照度为300lx时光电阻中流过的电流I2和电阻R2为R2=680，光电阻在500到100lx之间的值不变，因此该光电阻的值代入值的修正公式时， 如图3-17所示，输出电压为9V时的入射照度E3、E3=196(lx )、5.4光电暂存器的应用例、5.4.1照明灯的光电控制电路是将最简单的光电暂存器作为光电式传感器的照明灯光电控制电路。假设半波整流过滤烟嘴电路

14、、测光和控制电路、执行电路、点亮照明灯的照度为EV、继电器线圈的直流电阻为RJ、吸附继电器的最小电流为Imin、光电电阻的光电导灵敏度为Sg、暗导电go=0，则5 PbS光电电阻的暗电阻的电阻值为1M、亮电阻的电阻值为0.2M (宽度照度1mw/) 5.4.3通用相机电子快门优先，图3-19示出了使用光电电阻构成的通用相机自动曝光控制电路，也被称为通用相机电子快门优先。 电子快门优先常用于电子计程仪柱快门优先的通用相机，其中测光元件多采用接近人眼光谱响应的硫化镉(CdS )感光电阻。 通用相机曝光控制电路包括由光电电阻r、开关k和电容器c构成的充电电路、时间检测电路(电压比较仪)、由晶体管t构成的驱动放大电路、基于电磁铁m的开放叶片(致动器)等。 在、初始状态下，开关k位于图示位置，电压比较仪的正输入端的电位是R1和RW1分钟由电源电压Ubb得到的门限电压Vth (一般为11.5V )，电压比较仪的负输入端的电位VR接近电源电位Ubb，电压比较仪的负输入端的电位明显高于正输入， 当推一推快门优先按钮时，由开关k、光电电阻r和RW2构成的测光和充电电路导通，电容器c两端的电压UC为0，电压比较仪的负输入端的电位比正输入端低，因此输出成为高