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1、光电导器件第1页，本讲稿共27页 光光敏敏电电阻阻分分为为两两类类：本本征征型型光光敏敏电电阻阻和和掺掺杂杂型型光光敏敏电阻。电阻。两种两种类型类型光敏光敏电阻电阻能带能带图图为减少杂质为减少杂质能级上电子能级上电子的热激发，的热激发，常需要在常需要在低低温下工作温下工作。强调强调:从原理上说，从原理上说，P P型、型、N N型半导体均可制成光型半导体均可制成光敏电阻敏电阻。但是：但是：由于电子的迁移率比空穴大，而且由于电子的迁移率比空穴大，而且N N型半导体型半导体材料制成的光敏电阻性能较稳定，特性较好，故目前大都材料制成的光敏电阻性能较稳定，特性较好，故目前大都使用使用N N型半导体光敏电
2、阻。型半导体光敏电阻。EcEvEdEEcEvEg外电场方向外电场方向第2页，本讲稿共27页在外电场的作用下，光生载流子沿一定方向运动，在电路在外电场的作用下，光生载流子沿一定方向运动，在电路中形成电流。没有光照中形成电流。没有光照:阻值很大，电流较小；有光照阻值很大，电流较小；有光照:光生载光生载流子增加，阻值减小，电流增加。流子增加，阻值减小，电流增加。光光敏敏电电阻阻没没有有极极性性，纯纯粹粹是是一一个个电电阻阻器器件件，使使用用时时两两电电极极可可加加直直流流电电压压，也可加交流电压。也可加交流电压。当光电导体上加上电压，无光照时具有热激发载流子，当光电导体上加上电压，无光照时具有热激发
3、载流子，其相应的暗电导率为其相应的暗电导率为2 2.光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理有光照时，具有光生载流子出现，因此当有光照时，具有光生载流子出现，因此当光照稳定时，光照稳定时，亮电导率为亮电导率为迁移比迁移比由此可以得到光电导率为由此可以得到光电导率为 第3页，本讲稿共27页 有光照时产生的光生载流子浓度用有光照时产生的光生载流子浓度用n和和p表表示。示。光照稳定情况下的载流子浓度为光照稳定情况下的载流子浓度为在电场强度的作用下在电场强度的作用下,短路光电流密度为短路光电流密度为为量子为量子效率效率;V为为材料体积材料体积可以看出可以看出:由于光照的增加，电导率增加了，光电由于光照的增
4、加，电导率增加了，光电流也增加了。流也增加了。是什么意思是什么意思?g g为载流子产生率为载流子产生率第4页，本讲稿共27页N:单位时间产生的电子单位时间产生的电子-空穴对空穴对;寿命分别为寿命分别为?L L为光电导体长度为光电导体长度A为光电导体横截面面积为光电导体横截面面积 在在光光辐辐射射作作用用下下，由由于于光光照照增增加加的的电电子子和和空空穴穴浓浓度度，材材料的电导率增加料的电导率增加,增加多少呢增加多少呢?U为所加电压为所加电压无光照无光照:光敏电阻的暗电流光敏电阻的暗电流 由光电导率引起的光电流由光电导率引起的光电流结论结论:光敏电阻的光电流光敏电阻的光电流I Ip p与与L
5、L的平方成反比的平方成反比 光光电电导导率率UL第5页，本讲稿共27页结论结论:光敏电阻的光电流光敏电阻的光电流Ip与与L的平方成反比的平方成反比 设设计计光光敏敏电电阻阻时时为为了了减减小小电电极极间间的的距距离离L L，保保证证光光敏敏电电阻阻有足够的受光面积有足够的受光面积，一般采用下列结构，一般采用下列结构:二二 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数暗电流暗电流:在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻的电阻值，称为暗电阻.流过此电阻的电流流过此电阻的电流.光电流光电流+暗电流暗电流=亮电流亮电流亮电流亮电流:在室温条件下
6、，光敏电阻在一定照度下的阻值，在室温条件下，光敏电阻在一定照度下的阻值，称为该光照下的亮电阻称为该光照下的亮电阻,流过此电阻的电流流过此电阻的电流.光敏电阻的特性参数有哪些光敏电阻的特性参数有哪些?光电导灵敏度光电导灵敏度;光电导增益光电导增益;量子效率量子效率;光谱响应光谱响应率与光谱响应曲线率与光谱响应曲线;响应时间和频率特性响应时间和频率特性;前历效应前历效应;光电特性和温度特性等光电特性和温度特性等.强调：强调：一般光敏电阻的暗电阻在一般光敏电阻的暗电阻在10M以上，光照以上，光照后显著降低，亮电阻和暗电阻比值在后显著降低，亮电阻和暗电阻比值在10-2-10-6之间，比值越小光敏电阻的
7、灵敏度越高。之间，比值越小光敏电阻的灵敏度越高。第6页，本讲稿共27页1.光电导灵敏度光电导灵敏度Sggp:光电导光电导，单位为西门子单位为西门子S S（-1-1）。）。E：照度：照度，单位为勒克斯（，单位为勒克斯（lx）。）。Sg:单位为西门子单位为西门子/勒克斯（勒克斯（S/lx）或）或Sm2/W。gP称为光敏电阻的光电导称为光敏电阻的光电导按灵敏度定义按灵敏度定义若考虑暗电导产生的电流时，则流过光敏电阻的电流为若考虑暗电导产生的电流时，则流过光敏电阻的电流为 式中式中,I为亮电流；为亮电流；Ip为光电流；为光电流；Id为暗电流；为暗电流；gd为暗电导；为暗电导；g为亮电导。为亮电导。响应
8、量与输响应量与输入量之比入量之比所以若考虑暗电流时光敏电阻的光电导为所以若考虑暗电流时光敏电阻的光电导为第7页，本讲稿共27页2.2.光电导增益光电导增益 光电导增益光电导增益M:表示长度为表示长度为L L的光敏电阻两端加上电压的光敏电阻两端加上电压U后，后，由光照产生的光生载流子在电场作用下所形成的外部由光照产生的光生载流子在电场作用下所形成的外部光电流与光电子形成的内部电流光电流与光电子形成的内部电流(qN)之间的比值之间的比值 光敏电阻光敏电阻电子增益系数电子增益系数:空穴增益系数空穴增益系数:载流子的渡越时间载流子的渡越时间:在半导体中，电子和空穴的寿命是相同的，都等于载流在半导体中，
9、电子和空穴的寿命是相同的，都等于载流子的平均寿命子的平均寿命，即，即nP，所以，所以本征型光敏电阻本征型光敏电阻的增益的增益系数可写成系数可写成:第8页，本讲稿共27页 光电导器件的量子效率光电导器件的量子效率:表示每个入射光子所释放的表示每个入射光子所释放的平均电子数。平均电子数。无量纲无量纲:它表示单它表示单位时间内每入射一个位时间内每入射一个光子所能引起的载流光子所能引起的载流子数子数 3.3.量子效率量子效率 硅和锗光敏电阻的硅和锗光敏电阻的量子效率量子效率-的关系曲线的关系曲线 假设入射的单色辐射功率假设入射的单色辐射功率()能产生能产生N个载流子，则量个载流子，则量子效率子效率第9
10、页，本讲稿共27页 高增益系数的光敏电阻的电极间距很小，使得光敏电高增益系数的光敏电阻的电极间距很小，使得光敏电阻集光面积太小阻集光面积太小,使得光谱响应率使得光谱响应率1A/W1A/W而不实用。而不实用。延长载流子寿命虽然能提高增益因数，但却降低了响延长载流子寿命虽然能提高增益因数，但却降低了响应速度；应速度；可见可见:在光敏电阻中，增益与响应速度是相矛盾的两个量在光敏电阻中，增益与响应速度是相矛盾的两个量 增大增益系数可提高的光谱响应率增大增益系数可提高的光谱响应率4.4.光谱响应率与光谱响应曲线光谱响应率与光谱响应曲线 光光谱谱响响应应率率表表示示在在某某一一特特定定波波长长下下，输输出
11、出光光电电流流(或或电电压压)与入射辐射能量之比。与入射辐射能量之比。输出光电流输出光电流 第10页，本讲稿共27页5.5.响应时间和频率特性响应时间和频率特性 光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流需要一定时间，光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流需要一定时间，这个时间叫响应时间。这个时间叫响应时间。通常材料突然受光照到稳定通常材料突然受光照到稳定状态时光生载流子浓度的变化规状态时光生载流子浓度的变化规律为律为 P0 0为稳态为稳态光生载流子光生载流子浓度浓度响应时间反映了光敏电阻的惰性，响应时间长响应时间反映了光敏电阻的惰性，响应时间长说明光敏电阻对光的变化反应慢或惰性大。说明光敏电阻对
12、光的变化反应慢或惰性大。第11页，本讲稿共27页 定义：定义：光生载流子浓度上升到稳态值的光生载流子浓度上升到稳态值的63%63%所需的时间为所需的时间为上升响应时间上升响应时间停止光照后光生载流子浓度的变化为停止光照后光生载流子浓度的变化为 光照停止后，光生载流子下降到稳定值的光照停止后，光生载流子下降到稳定值的37%37%时所需时所需的时间为下降时间。的时间为下降时间。当输入光功率按正弦规律变化时，光生载流子浓度随光当输入光功率按正弦规律变化时，光生载流子浓度随光调制频率变化的关系为调制频率变化的关系为 上升时间和下降时间相等，同等于载流子寿命。上升时间和下降时间相等，同等于载流子寿命。第
13、12页，本讲稿共27页 输出光电流与输出光电流与调制调制频频率的关系率的关系具有具有低通特性低通特性 四种不同材料光敏电阻四种不同材料光敏电阻的频率响应曲线的频率响应曲线 1:硒硒2:硫化镉硫化镉3:硫化砣硫化砣4:硫化铅硫化铅第13页，本讲稿共27页实验证明：当所加实验证明：当所加电压一定时，光电电压一定时，光电流和照度关系曲线流和照度关系曲线 6.6.前历效应前历效应前历效应：前历效应：指光敏电阻的响应特性与工作前的指光敏电阻的响应特性与工作前的“历历史史”有关的一种现象。有关的一种现象。前历效应：前历效应：暗态前历效应、亮态前历效应暗态前历效应、亮态前历效应第14页，本讲稿共27页暗态前
14、历效应暗态前历效应：指光敏电：指光敏电阻测试（阻测试（工作工作）前处于暗态，）前处于暗态，当它突然受到光照后所表现出当它突然受到光照后所表现出的一些现象的一些现象?亮态前历效应亮态前历效应：指光敏：指光敏电阻测试（电阻测试（工作工作）前已处于）前已处于亮态，当照度与工作时所要亮态，当照度与工作时所要达到的照度不同时，达到稳达到的照度不同时，达到稳定值所需时间存在滞后现象定值所需时间存在滞后现象由低照度变为高照度由低照度变为高照度状态状态.长长?由高照度变为低照由高照度变为低照度状态度状态.短短?现象现象:暗态前历越长，光电暗态前历越长，光电流上升越慢流上升越慢硫化镉光敏电阻的暗态硫化镉光敏电阻
15、的暗态前历效应曲线前历效应曲线 亮态前历亮态前历现象测试结果图现象测试结果图,其其中中E2是要达到的照度。是要达到的照度。1:3min2:1h3:24h第15页，本讲稿共27页 为照度指数为照度指数:在弱光照时为在弱光照时为1 1，称线性光电导；，称线性光电导；在强在强光照时为光照时为0.50.5，为非线性光电导；，为非线性光电导；一般情况下在一般情况下在0.50.5l l之间。之间。Sg 是光电导灵敏度，它与光敏电阻材料有关；是光电导灵敏度，它与光敏电阻材料有关；U为外为外加电源电压；加电源电压；为入射光通量；为入射光通量；E为入射光照度；为入射光照度；7.7.光电特性和光电特性和值值 光敏
16、电阻的光电流与入射光通量之间的关系称光电特性光敏电阻的光电流与入射光通量之间的关系称光电特性光敏电阻的光电特性一般用下列关系式决定光敏电阻的光电特性一般用下列关系式决定:当弱光照时当弱光照时?当强光照时当强光照时?讨论两种情况讨论两种情况:弱光照时弱光照时:和和tdr不变，光电流和光照成正比不变，光电流和光照成正比强光照时强光照时:与光子浓度有关与光子浓度有关，tdr因电子浓度变因电子浓度变大而变化变，光电流和光照呈非线性大而变化变，光电流和光照呈非线性第16页，本讲稿共27页硫化镉单晶温度特性曲线硫化镉单晶温度特性曲线:硫化镉多晶温度特性曲线硫化镉多晶温度特性曲线:硫化铅光敏电阻在冷却硫化铅
17、光敏电阻在冷却情况下相对光谱灵敏度的变情况下相对光谱灵敏度的变化情况化情况:光敏电阻的温度特性比较复杂，在一定的照度下，亮光敏电阻的温度特性比较复杂，在一定的照度下，亮电阻的温度系数电阻的温度系数:8 8温度特性温度特性温度对光谱响应也有影响温度对光谱响应也有影响:光谱特性主要决定于材料的禁光谱特性主要决定于材料的禁带宽度，禁带宽度越窄对长波越敏感，但禁带很窄时，半导带宽度，禁带宽度越窄对长波越敏感，但禁带很窄时，半导体中热激发会使自由载流子浓度增加，使复合运动加快，灵体中热激发会使自由载流子浓度增加，使复合运动加快，灵敏度降低。敏度降低。式中，式中，R R1 1、R R2 2分别为与温度分别
18、为与温度T T1 1、T T2 2 相对应的亮电阻。相对应的亮电阻。可见可见,采取冷却灵敏面的采取冷却灵敏面的方法方法,可提高灵敏度。可提高灵敏度。结论结论:温度低时，灵敏范温度低时，灵敏范围和峰值波长都向长波方向移围和峰值波长都向长波方向移动。动。一般规定在一般规定在100lx100lx下测试下测试第17页，本讲稿共27页三三 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声1.1.偏置电路偏置电路图中图中:Rp为光敏电阻，为光敏电阻，RL为负载电阻，为负载电阻，Ub为偏置电压，为偏置电压，UL为负载电阻两端电压。为负载电阻两端电压。在一定光照范围内光敏电阻阻值不随所加电压改变，而在一定光照
19、范围内光敏电阻阻值不随所加电压改变，而是取决于输入光照是取决于输入光照E，忽略暗电导时，忽略暗电导时 结结论论：电电阻阻值值随随光光照照度度的的增增加加而而减减小小RLRPUbIUL第18页，本讲稿共27页 实线：实线：不同光照下光敏电阻的不同光照下光敏电阻的伏安特性曲线和负载线。伏安特性曲线和负载线。保证：保证：光敏电阻在任何光照下光敏电阻在任何光照下因不因过热而损坏！因不因过热而损坏！结论结论:光通量光通量变化时，流过变化时，流过光敏电阻电流和两端电压都在变。光敏电阻电流和两端电压都在变。虚线：虚线：光敏电阻的极限功耗光敏电阻的极限功耗曲线曲线;光敏电阻的功耗为光敏电阻的功耗为P=IU，实
20、际使用时要求，实际使用时要求P=IURP 表明表明:负载电流与光敏电阻无关负载电流与光敏电阻无关,近似保持常数近似保持常数I=?RLRPUbIUL 负载电流随着光通量的变化关系式为：负载电流随着光通量的变化关系式为：说明：说明：输出信号电流与光敏输出信号电流与光敏电阻和负载电阻的比值有关，电阻和负载电阻的比值有关，与偏置电压正比。与偏置电压正比。恒流偏置电路特点恒流偏置电路特点优点：电压信噪比高，适用于高灵敏度测量；优点：电压信噪比高，适用于高灵敏度测量；缺点：负载很大，光敏电阻正常工作的偏置电压达缺点：负载很大，光敏电阻正常工作的偏置电压达100V，使用，使用起来不方便；可用晶体管实现恒流。
21、起来不方便；可用晶体管实现恒流。第20页，本讲稿共27页 定义：定义：光敏电阻上的电压保持不变的电路为光敏电阻上的电压保持不变的电路为恒压偏置电路恒压偏置电路(2).恒压偏置恒压偏置满足条件满足条件:RLRP 表明表明:光敏电阻上的电压近似等于光敏电阻上的电压近似等于UbUL=?RLRPUbIUL 负载上的信号电压为：负载上的信号电压为：说明：说明：输出信号电压与光敏电阻无关，输出信号电压与光敏电阻无关，与电导的相对变化有关。与电导的相对变化有关。优点：优点：电路需更换光敏电阻时，对电路初始状态影响不明显电路需更换光敏电阻时，对电路初始状态影响不明显第21页，本讲稿共27页(3).恒功率偏置恒
22、功率偏置满足条件满足条件:RL=RP 表明表明:负载匹配时负载匹配时,光敏电阻输出的电功率光敏电阻输出的电功率最大。最大。P=?RLRPUbIUL 注意：注意：当两个光通量相差几个数量级时当两个光通量相差几个数量级时,相应的光电阻也相相应的光电阻也相差很大差很大,此时想此时想要要保持阻抗匹配，是相当困难的。保持阻抗匹配，是相当困难的。经过分析计算知，当经过分析计算知，当RL=?负载上可以得到最大的电压变化负载上可以得到最大的电压变化几何平均数几何平均数（Geometric mean）第22页，本讲稿共27页例题，若负载电阻例题，若负载电阻RL=1M，光敏电阻的亮电阻为，光敏电阻的亮电阻为1M，
23、Pmax=0.1W/cm2，当光敏面积为，当光敏面积为0.01cm2时，求最大偏置电压？时，求最大偏置电压？解：设光敏电阻的亮电阻为解：设光敏电阻的亮电阻为Rg，偏置电压为偏置电压为U,根据题意有根据题意有RLRgUiUL功率匹配时有功率匹配时有RL=Rg，因此有因此有代入已知数有：代入已知数有：第23页，本讲稿共27页该系列光敏电阻是目前该系列光敏电阻是目前所有探测器中性能最优所有探测器中性能最优良和最有前途的光敏电良和最有前途的光敏电阻。它有阻。它有CdTe CdTe 和和HgTeHgTe两种材料混合而成，两种材料混合而成，CdCd的含量不同敏感范围不的含量不同敏感范围不同。同。该系列光敏
24、电阻的探测该系列光敏电阻的探测率较低，用的较少。它率较低，用的较少。它由由PbTe PbTe 和和SnTeSnTe两种材两种材料混合而成，料混合而成，SnSn的含量的含量不同不同,峰值波长和长波峰值波长和长波限也跟着改变。限也跟着改变。(1).(1).硫化镉硫化镉(CdS)光敏电阻光敏电阻1.1.常见光敏电阻及其特点常见光敏电阻及其特点(2).(2).硫化铅硫化铅(PbS)光敏电阻光敏电阻 (3).(3).锑化铟锑化铟(InSb)光敏电阻光敏电阻(4).(4).碲镉汞系列光敏电阻碲镉汞系列光敏电阻(5).(5).碲锡铅碲锡铅(PbSnTe)系列光敏电阻系列光敏电阻 峰值波长为峰值波长为0.52
25、0.52微米，微米，是可见光段内最灵敏是可见光段内最灵敏的光电导器件，主要的光电导器件，主要用于灯控，自动调焦，用于灯控，自动调焦，自动相机中。自动相机中。是近红外波段是近红外波段最灵敏的光电最灵敏的光电导器件导器件。室温下长波限室温下长波限为为7.57.5微米，微米，四四 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第24页，本讲稿共27页 光光敏敏电电阻阻常常用用来来制制作作光光控控开开关关，例例如如照照相相机机自自动动曝光电路和路灯自动控制电路曝光电路和路灯自动控制电路 J220VRDCCdS灯灯常闭常闭分析工作原理分析工作原理2.2.光敏电阻的应用光敏电阻的应用 电路两部分组成电路两部分组
26、成：电阻电阻R、电容、电容C和二极管和二极管D组成半波整流滤波电组成半波整流滤波电路；路；CdS光敏电阻和继光敏电阻和继电器电器J组成控制电路。组成控制电路。(1).(1).路灯自动控制电路路灯自动控制电路原理图原理图无光照时无光照时?有光照时有光照时?路灯接在继电器路灯接在继电器J的的常闭触点上常闭触点上第25页，本讲稿共27页看出看出:当电源电压当电源电压Ucc、检测电压检测电压UT、电容、电容C及及Rw2确定时，曝光时间只与光确定时，曝光时间只与光敏电阻的阻值有关，而阻敏电阻的阻值有关，而阻值与景物光强有关，从而值与景物光强有关，从而实现了在不同的亮度下的实现了在不同的亮度下的自动曝光。
27、自动曝光。R1K-+AC+UCC1FMgJ RCdSRw210kRw110kR23305.6k3DG6Rw1用于调节快用于调节快门曝光时间门曝光时间Rw2用于亮度高时调用于亮度高时调节快门曝光时间节快门曝光时间K为快门按钮为快门按钮UT2.照相机自动曝光电路照相机自动曝光电路电路三部分组成：电路三部分组成：RC充电电路充电电路;时间检时间检测电路测电路(电压比较器电压比较器A););驱动电路组成。测驱动电路组成。测光器件采用硫化镉光光器件采用硫化镉光敏电阻敏电阻.作业作业：p984-1,4-3,4-4,4-5分析工作原理分析工作原理ENDUR快门动作前快门动作前?快门动作后快门动作后?Mg为快门电磁吸铁为快门电磁吸铁第26页，本讲稿共27页RLRPUbIUL返回返回19第27页，本讲稿共27页