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1、半导体敏感元件半导体敏感元件(光敏光敏) (2)沈 阳 工 业 大 学沈 阳 工 业 大 学沈 阳 工 业 大 学沈 阳 工 业 大 学沈 阳 工 业 大 学沈 阳 工 业 大 学沈 阳 工 业 大 学沈 阳 工 业 大 学玻璃光电导层电极绝缘衬底金属壳黑色绝缘玻璃引线(B)典型结构(A)刻线式结构电极电极光导体光敏电阻器的封装结构4.光电导效应器件光电导效应器件-光敏电阻器光敏电阻器b. 结构沈 阳 工 业 大 学C 设计提高光电导效应的措施A降温B选高阻半导体材料pnpnqpqnpqnq00影响光敏电阻（光电导管）灵敏度的因素若一块均匀N型CdS半导体，稳态条件下，光电导主要由电子贡献已知
2、：光电增益phapqNIG PIphaN为光生电流；光电管每秒吸收光子数；为量子产额；产生非平衡载流子的光子数产生非平衡载流子的光子数吸收光子数吸收光子数尝试推导光电增益（灵敏度）与载流子寿命、迁移率、外加电压、量子产额及电极间距的关系。2LVGnn产生率： phaNgphaN光电管单位体积每秒吸收光子数；4.光电导效应器件光电导效应器件-光敏电阻器光敏电阻器沈 阳 工 业 大 学D 光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。4.光电导效应器件光电导效应器件-光敏电阻器光敏电阻器（1）暗电阻和暗电流 光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为
3、暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。（2）亮电阻（3）光电流亮电流与暗电流之差，称为光电流。沈 阳 工 业 大 学E 基本特性4.光电导效应器件光电导效应器件-光敏电阻器光敏电阻器 光照特性呈非线性，不宜作为测量元件，常用作开关式光电信号传感元件。 最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。沈 阳 工 业 大 学E 基本特性4.光电导效应器件光电导效应器件-光敏电阻器光敏电阻器（3）光谱特性（a）表面层的反射与吸收；（b）材料的禁带宽度；（c）表面减反射层的性质与厚度；（d）器件结构。 光敏器件都具有光谱选择性，光谱响应主要决定于：沈 阳 工 业 大 学E 基本特
4、性4.光电导效应器件光电导效应器件-光敏电阻器光敏电阻器 光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。通常用响应时间t表示。光电导的弛豫现象：频率特性差是光敏电阻的一个缺点 当光突然照到光电二极管上时，输出信号从峰值的10%上升到90%的时间，表示响应速度LjrRCt2 . 2沈 阳 工 业 大 学E 基本特性4.光电导效应器件光电导效应器件-光敏电阻器光敏电阻器121212%100)(CRTTRR电阻温度系数电阻温度系数: 硫化镉光敏电阻的温度特性 （5）温度特性 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 降温提高光敏电阻对长波光的响应。降温提高光敏电阻对长波光的响应。 沈 阳 工 业 大 学 农作物
5、日照时数测定。输出接单片机的I/O口，每2分钟对此口查询1次，为高电平，计数一次，为低电平，不计数。1天查询720次。 无光照V0=VL，有光照V0=VH。光照时间 H。wRCRGRA0V)(24720hNHF 应用4.光电导效应器件光电导效应器件-光敏电阻器光敏电阻器光照度计沈 阳 工 业 大 学4.光电导效应器件光电导效应器件-光敏电阻器光敏电阻器G 类型按最佳波长分类按最佳波长分类（1）对紫外光（波长300400nm）主要ZnO、ZnS、CdS等材料制作;（3） 对红外光（波长7606000nm）主要Pb、PbSe等材料制作;（2） 对可见光（波长400760nm）主要Se、Si、 Bi
6、S、Ge等材料制作;沈 阳 工 业 大 学) 1(0TkqVsFLeIIIIIL短路电流 ：开路电压：) 1ln(0sLocIIqTkV5.光生伏特效应器件光生伏特效应器件-光电池光电池（a）工作原理沈 阳 工 业 大 学WaferAssemblyModule assemblyConstruction of PV system5.光生伏特效应器件光生伏特效应器件-光电池光电池（b）太阳能光伏沈 阳 工 业 大 学 光照特性5.光生伏特效应器件光生伏特效应器件-光电池光电池（c）光电池基本特性注：负载电阻越小，光电流与照度的线性关系越好，且线性范围越宽。注：负载电阻越小，光电流与照度的线性关系越
7、好，且线性范围越宽。 光谱特性：光电池的光谱特性取决于材料。注:光电池的选用与光源结合。沈 阳 工 业 大 学5.光生伏特效应器件光生伏特效应器件-光电池光电池（c）光电池基本特性 温度特性 保当光电池作为测量元件时，最好能持温度恒定，或采取温度补偿措施。 频率特性输出电流随调制光频率变化的关系。 频率特性与材料、结构尺寸和使用条件等有关。沈 阳 工 业 大 学(a)结构5.光生伏特效应器件光生伏特效应器件-光电二极管光电二极管有光照时反偏PN结能带图结构符号与管芯截面伏安特性伏安特性(b)工作原理-工作在反向偏压下情况 和光电池相比，结面积小，频率特性特别好，电流普遍比光电池小，一般几微安到
8、几十微安。RLE电路 沈 阳 工 业 大 学5.光生伏特效应器件光生伏特效应器件-光电二极管光电二极管PIN结光电二极管结光电二极管 与一般光敏二极管的区别在于P区和N区之间增加了一层很厚的高电阻率的本征半导体（I）。同时将P层做得很薄。 由于P层很薄，大量的光子被较厚的I层吸收，激发较多的载流子形成光电流； 响应速度快，灵敏度高，线性好， 用于光通讯，光测量。沈 阳 工 业 大 学5.光生伏特效应器件光生伏特效应器件-光电三极管光电三极管ce达林顿光敏管当集电极加上正电压，基极开路时，集电结处于向偏置状态。(a)工作原理注：硅光电三极管有3CU系列(PNP)、3DU系列（NPN）沈 阳 工
9、业 大 学 光照特性5.光生伏特效应器件光生伏特效应器件-光电二、三极管光电二、三极管（c）基本特性线性适合检测等方面的应用。 近似线性，既可作线性转换元件，也可作开关元件。沈 阳 工 业 大 学（c）基本特性5.光生伏特效应器件光生伏特效应器件-光电二、三极管光电二、三极管 可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但对红外光的探测， 用锗管较为适宜。 光谱特性 伏安特性 三极管的偏压对光电流有明显的影响，偏压较小时，光电流随着偏压的增大而增大，偏压增大到一定程度时，光电流处于近似饱和状态。沈 阳 工 业 大 学100255020 30 40 50 60 7010 20 30 40 50 6
10、0 70 80100200300400温 度 / 暗电流 / mA光电流 / A温 度 / (a)(b)5.光生伏特效应器件光生伏特效应器件-光电二、三极管光电二、三极管（c）基本特性 温度特性 温度变化对光电流影响很小, 而对暗电流影响很大, 所以在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿, 否则将会导致输出误差。光敏晶体管沈 阳 工 业 大 学5.光生伏特效应器件光生伏特效应器件-光电二、三极管光电二、三极管（c）基本特性 频率特性100806040200110100100 k10 kRL1 kS / (%)f / kHz光敏晶体管光敏二极管光敏电阻 光敏三极管存在发射结电容和基区渡越时间，频率
11、特性较二极管差，减小负载电阻可以提高频率响应。沈 阳 工 业 大 学5.光生伏特效应器件光生伏特效应器件 光敏二极管的应用光敏二极管的应用 无光照时，光敏二极管反向截止，R1上的压降VA很小，T1和T2截止，继电器J不动作，路灯保持亮； 有光照时，光敏二极管反向电阻下降， VA上升T1和T2导通，J动作常闭端打开，路灯保持亮。白天灯灭，晚上灯亮，起到自动控制的作用。光电路灯控制电路光电路灯控制电路沈 阳 工 业 大 学5.光生伏特效应器件光生伏特效应器件-光控晶闸管光控晶闸管 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型双晶体管模型 b) 工作原理工作原理
12、 光控晶闸管结构与原理光控晶闸管结构与原理外形和电路符号 沈 阳 工 业 大 学5.光生伏特效应器件光生伏特效应器件-光电二、三极管光电二、三极管 光控晶闸管结构与原理光控晶闸管结构与原理 只要有足够强度的光源照射一下管子的受光窗口，它就立即成为通导状态，而后即使撤离光源也能维持导通，除非加在阳极和阴极之间的电压为零或反相，才能关闭。 沈 阳 工 业 大 学三种模式： 光伏型、光导型和场效应型灵敏度高，非线性较大线性应用 通过RG在栅上加负电压，无光照，管截止。有光照时，在栅源PN结处产生光生电动势，光生电流流过RG。6. 光敏场效应晶体管沈 阳 工 业 大 学7.光电耦合器件光隔离器 发光元
13、件和光电传感器封装在一个外壳内组合而成。 光电耦合器 以光为媒介进行耦合来传递电信号，可实现电隔离，在电气上实现绝缘耦合，因而提高了系统的抗干扰能力。沈 阳 工 业 大 学7.光电耦合器件 光电传感器光电传感器 光电转速传感器-透射、反射沈 阳 工 业 大 学8.电荷耦合器件使使源端源端半导体表面达到强反型的半导体表面达到强反型的栅压栅压。阈值电压阈值电压VT= VFB + VB + Vox源端源端强强反型时反型时的的VGS平带电压平带电压降在降在MOS结构上结构上的自建势的自建势oxoxFBCQVMS降在半导体上降在半导体上的压降，强反的压降，强反型时为型时为2f 降在栅氧化层降在栅氧化层上
14、的压降上的压降QBM/Cox沈 阳 工 业 大 学8.电荷耦合器件(a)栅压栅压UG较小时，较小时，MOS电容器处于耗尽状态。电容器处于耗尽状态。 (b)栅压栅压UG增大到开启电压增大到开启电压 Uth时时 ,半导体表面的费米能级高于禁带半导体表面的费米能级高于禁带中央能极中央能极, 半导体表面上的电子层称为反型层。半导体表面上的电子层称为反型层。 (a)光注入(b)电注入(c)硅本身热激发注入势阱中电荷产生方法：沈 阳 工 业 大 学8.电荷耦合器件存储与转移信息电荷。存储与转移信息电荷。(c) 在在CCD中电荷的转移必须按照确中电荷的转移必须按照确定的方向。定的方向。 （a）必须使）必须使
15、MOS电容阵列的排列足电容阵列的排列足 够紧密，以致相邻够紧密，以致相邻MOS电容的势电容的势阱相互沟通。阱相互沟通。(b) 控制相邻控制相邻MOC电容栅极电压高低电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处。势阱浅的地方流向势阱深处。 信号电荷的转换信号电荷的转换 CCD的基本功能的基本功能沈 阳 工 业 大 学特性参数特性参数8.电荷耦合器件(1)转移效率 当CCD中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，若Q1为转移一次后的电荷量，Q0为原始电荷，则转移效率定义为01QQ若转移损耗定义为1则电荷进行N次转移时，总转移效率为NNNQQ)1 (0要求转移效率必须达到99.9999.999%沈 阳 工 业 大 学特性参数特性参数8.电荷耦合器件(2)存贮时间与暗电流 暗电流起因于热激发产生的电子空穴对。暗电流把势阱填满需要的时间Ts为存贮时间dsJVCT0（3）工作频率 下限频率决定于少子寿命 上限频率决定于电荷转移速度 电荷的转移运动在电场作用下的漂移运动和浓度梯度产生的扩散运动，在电荷转移后期，热扩散起主要作用。cf3131f沈 阳 工 业 大 学沈 阳 工 业 大 学42 结束语结束语