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1、第第2 2章章 光电导器件光电导器件Photoconductive-光敏电阻光敏电阻(PC)利用具有光电导效应的材料利用具有光电导效应的材料（如（如SiSi、GeGe等本征半导体等本征半导体与杂质半导体，以及与杂质半导体，以及CdSCdS、CdSeCdSe、PbSPbS等）等）可以制成电导率可以制成电导率随入射光辐射量变化而变化的器件，这类器件被称为随入射光辐射量变化而变化的器件，这类器件被称为光电光电导器件或光敏电阻导器件或光敏电阻，简称简称PC。问题：什么是光电导效应？问题：什么是光电导效应？物质吸收了光子的能量产生本征吸收或杂质吸物质吸收了光子的能量产生本征吸收或杂质吸收，引起载流子浓度
2、的变化，从而改变了物质电导收，引起载流子浓度的变化，从而改变了物质电导率的现象称为光电导效应。率的现象称为光电导效应。2.1 2.1 光敏电阻的原理与结构光敏电阻的原理与结构2.2 2.2 光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性2.3 2.3 光敏电阻的变换电路光敏电阻的变换电路2.4 2.4 光敏电阻的应用实例光敏电阻的应用实例一、光敏电阻的材料及分类本征型光敏电阻：本征型光敏电阻：杂质型光敏电阻：杂质型光敏电阻：本征光电导探测器本征光电导探测器利用利用本征光电导本征光电导效应效应制成的器件，如硫化镉制成的器件，如硫化镉(CdSCdS)、碲镉、碲镉汞汞(Hg(Hg1-1-x xCdCdx xT
3、e)Te)、硫化铅、硫化铅(PbSPbS)等。一般等。一般在室温下工作，适用于可在室温下工作，适用于可见光和近红外见光和近红外辐射探测。辐射探测。杂质光电导探测器杂质光电导探测器利用利用杂质光电杂质光电导效应导效应制成的器件，如锗掺汞制成的器件，如锗掺汞(Ge:HgGe:Hg)、锗掺铜锗掺铜(Ge:CuGe:Cu)、和硅掺砷、和硅掺砷(Si:AsSi:As)等。等。通常通常必须在低温必须在低温下工作，常用于下工作，常用于中、中、远红外远红外辐射探测辐射探测 多晶光电导探测器多晶光电导探测器(自学自学)2.1 光敏电阻的原理与结构 2.1 光敏电阻的原理与结构 二二.光敏电阻的基本原理光敏电阻的
4、基本原理 图图2-12-1所示为光敏电阻的原理图与光敏电阻的符号，在均所示为光敏电阻的原理图与光敏电阻的符号，在均匀的具有光电导效应的半导体材料的两端加上电极便构成匀的具有光电导效应的半导体材料的两端加上电极便构成光光敏电阻敏电阻。当光敏电阻的两端加上适当光敏电阻的两端加上适当的偏置电压当的偏置电压U Ubbbb（如图如图2-12-1所示所示的电路）后，便有电流的电路）后，便有电流I Ip p流过，流过，用检流计可以检测到该电流。用检流计可以检测到该电流。三三.光敏电阻的基本结光敏电阻的基本结构构 光敏电阻在微弱辐射作用的情况下光电导灵敏度光敏电阻在微弱辐射作用的情况下光电导灵敏度Sg与与光敏
5、电阻两电极间距离光敏电阻两电极间距离l的平方成反比，参见的平方成反比，参见(1-85)式；式；在强辐射作用的情况下光电导灵敏度在强辐射作用的情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两与光敏电阻两电极间距离电极间距离l的二分之三次方成反比，参见的二分之三次方成反比，参见(1-87)式；都式；都与两电极间距离与两电极间距离 l 有关有关。1.1.结构结构 在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。2.三种结构形式三种结构形式梳型结构梳型结构 在玻璃基底上面蚀刻成互相交叉的梳状槽，在在玻璃基底上面蚀刻成互相交叉的梳状槽
6、，在槽内填入黄金或石墨等导电物质，在表面再敷上一槽内填入黄金或石墨等导电物质，在表面再敷上一层光敏材料。如图所示。层光敏材料。如图所示。2.三种结构形式三种结构形式蛇形结构 如图，光电导材料制成蛇形，光电导两侧为如图，光电导材料制成蛇形，光电导两侧为金属导电材料，并在其上设置电极。金属导电材料，并在其上设置电极。2.三种结构形式三种结构形式刻线结构刻线结构 在玻璃基片上镀制一层薄的金属箔，将其刻划在玻璃基片上镀制一层薄的金属箔，将其刻划成栅状槽，然后在槽内填入光敏电阻材料层后制成。成栅状槽，然后在槽内填入光敏电阻材料层后制成。其结构如下图所示。其结构如下图所示。2.三种结构形式三种结构形式四、
7、四、典型光敏电阻典型光敏电阻 1.CdS(1.CdS(硫化镉硫化镉)光敏电阻光敏电阻 CdSCdS光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应特光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率，它在性最接近人眼光谱光视效率，它在可见光波段可见光波段范围内的范围内的灵敏度最高，因此，被广泛地应用于灯光的自动控制，灵敏度最高，因此，被广泛地应用于灯光的自动控制，照相机的自动测光等。照相机的自动测光等。CdSCdS光敏电阻的峰值响应波长为光敏电阻的峰值响应波长为0.52m0.52m，CdSeCdSe光敏光敏电阻为电阻为0.72m0.72m，一般调整一般调整S S和和SeSe的比例，可使
8、的比例，可使CdCd（S S，SeSe）光敏电阻的峰值响应波长大致控制在光敏电阻的峰值响应波长大致控制在0.520.72m0.520.72m范围内。范围内。2.PbS(硫化铅)光敏电阻 PbSPbS光敏电阻是光敏电阻是近红外波段近红外波段最灵敏的光电导器件，最灵敏的光电导器件，因此，常用于火灾的探测等领域。因此，常用于火灾的探测等领域。PbS光敏电阻的光谱响应和比探测率等特性与工作温度有关，光敏电阻的光谱响应和比探测率等特性与工作温度有关，随着工作温度的随着工作温度的降低降低其峰值响应波长和长波限将向长波方向延伸，其峰值响应波长和长波限将向长波方向延伸，且比探测率且比探测率D*增加。增加。例如
9、，室温下的例如，室温下的PbS光敏电阻的光谱响应范围为光敏电阻的光谱响应范围为13.5m，峰值峰值波长为波长为2.4m，峰值比探测率峰值比探测率D*高达高达11011cmHzW-1。当温度降当温度降低到（低到（195K）时，光谱响应范围为时，光谱响应范围为14m，峰值响应波长移到峰值响应波长移到2.8m，峰值波长的比探测率峰值波长的比探测率D*也增高到也增高到21011cmHzW-1。3.InSb(锑化铟)光敏电阻 InSb光敏电阻是光敏电阻是35m光谱范围内的主要探测器件之光谱范围内的主要探测器件之一。一。InSb材料不仅适用于制造单元探测器件，也适宜制造材料不仅适用于制造单元探测器件，也适
10、宜制造阵列红外探测器件。阵列红外探测器件。InSb光敏电阻在室温下的长波长可达光敏电阻在室温下的长波长可达7.5m，峰值波峰值波长在长在6m附近，比探测率附近，比探测率D*约为约为11011cmHzW-1。当温当温度降低到度降低到77K（液氮）时，其长波长由液氮）时，其长波长由7.5m缩短到缩短到5.5m，峰值波长也将移至峰值波长也将移至5m，恰为大气的窗口范围，峰值比恰为大气的窗口范围，峰值比探测率探测率D*升高到升高到21011cmHzW-1。4.Hg1-xCdxTe(碲镉汞碲镉汞)系列光电导探测器件系列光电导探测器件 Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件是目前所有红外探测器中性能最优良
11、最有前途的探测器件，尤其是对于48m大气窗口波段辐射的探测更为重要。Hg1-xCdxTe系列光电导体是由HgTe和CdTe两种材料的晶体混合制造的，其中x标明Cd元素含量的组分。在制造混合晶体时选用不同Cd的组分x，可以得到不同的禁带宽度Eg，便可以制造出不同波长响应范围的Hg1-xCdxTe探测器件。x x是是CdCd含量组分，变化范围含量组分，变化范围0.180.180.40.4，长波限为，长波限为3 330m30m x=0.2，光谱响应，光谱响应814m x=0.28，光谱响应，光谱响应35m x=0.39，光谱响应，光谱响应13m 2.2 光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性 1.光电
12、特性光电特性 光敏电阻为多数电子导电的光电敏感器件，它与其他光光敏电阻为多数电子导电的光电敏感器件，它与其他光电器件的特性的差别表现在它的基本特性参数上。光敏电阻的电器件的特性的差别表现在它的基本特性参数上。光敏电阻的基本特性参数包含基本特性参数包含光电导特性光电导特性、时间响应、光谱响应、伏安特时间响应、光谱响应、伏安特性与噪声特性性与噪声特性等。等。光敏电阻在黑暗的室温条件下，由于热激发产生的载流光敏电阻在黑暗的室温条件下，由于热激发产生的载流子使它具有一定的电导，该电导称为子使它具有一定的电导，该电导称为暗电导暗电导 。当有光照射在光敏电阻上时，它的电导将变大，这时的当有光照射在光敏电阻
13、上时，它的电导将变大，这时的电导称为电导称为光电导光电导。电导随光照量变化越大的光敏电阻就越灵敏。这个特性电导随光照量变化越大的光敏电阻就越灵敏。这个特性称为光敏电阻的称为光敏电阻的光电特性光电特性。在在1.6.1节讨论光电导效应时我们看到，光敏电阻在弱辐射节讨论光电导效应时我们看到，光敏电阻在弱辐射和强辐射作用下表现出不同的光电特性和强辐射作用下表现出不同的光电特性(线性与非线性线性与非线性)，式，式(1-84)与与(1-87)分别给出了它在弱辐射和强辐射作用下的光电分别给出了它在弱辐射和强辐射作用下的光电导与辐射通量的关系。导与辐射通量的关系。实际上，光敏电阻在弱辐射到强辐射的作用下，它的
14、光电实际上，光敏电阻在弱辐射到强辐射的作用下，它的光电特性可用在特性可用在“恒定电压恒定电压”作用下流过光敏电阻的电流作用下流过光敏电阻的电流Ip与作用与作用到光敏电阻上的光照度到光敏电阻上的光照度E的关系曲线来描述的关系曲线来描述.(1-84)(1-87)如图如图2-3所示的特性曲线反应了流过光敏电阻的电流所示的特性曲线反应了流过光敏电阻的电流Ip与入与入射光照度射光照度E间的变化关系，由图可见它是由直线性渐变到非线性间的变化关系，由图可见它是由直线性渐变到非线性的。的。在恒定电压的作用下，流过光敏电阻的光电流在恒定电压的作用下，流过光敏电阻的光电流Ip为为 式中式中Sg为光电导灵敏度，为光
15、电导灵敏度，E为光敏电为光敏电阻的照度。显然，当照度很低时，曲阻的照度。显然，当照度很低时，曲线近似为线性，线近似为线性，Sg由式由式(1-85)描述；描述；随照度的增高，线性关系变坏，当照随照度的增高，线性关系变坏，当照度变得很高时，曲线近似为抛物线形，度变得很高时，曲线近似为抛物线形，Sg由由式式(1-87)描述。描述。光敏电阻的光电特性可用一个随光度量变化的指数伽玛光敏电阻的光电特性可用一个随光度量变化的指数伽玛()来描述，并定义来描述，并定义为光电转换因子为光电转换因子。并将式并将式(2-1)改为改为 光电转换因子在弱辐射作光电转换因子在弱辐射作用的情况下为用的情况下为1(=1)，随着
16、入射辐射的增强，随着入射辐射的增强，值减小，当入射辐射很强值减小，当入射辐射很强时时值值降低到降低到0.5。在实际使用时，常常将光敏电阻的光电特性曲线改用如图在实际使用时，常常将光敏电阻的光电特性曲线改用如图2-4所示的特性曲线。图所示的特性曲线。图2-4所示为两种坐标框架的特性曲线，所示为两种坐标框架的特性曲线，其中其中(a)为为线性线性直角坐标系中光敏电阻的阻值直角坐标系中光敏电阻的阻值R与入射照度与入射照度EV的关系曲线，而的关系曲线，而(b)为为对数对数直角坐标系下的阻值直角坐标系下的阻值R与入射照度与入射照度EV的关系曲线的关系曲线。如图如图2-4(b)所示的对数坐标系中光敏电阻的阻
17、值所示的对数坐标系中光敏电阻的阻值R在某在某段段照度照度EV范围内的光电特性表现为线性，即范围内的光电特性表现为线性，即(2-2)式中的式中的保持保持不变。不变。值为对数坐标下特性曲线的斜率。即值为对数坐标下特性曲线的斜率。即 （2-3）R R1 1与与R R2 2分别是照度为分别是照度为E E1 1和和E E2 2时光敏电阻的阻值。时光敏电阻的阻值。2.伏安特性伏安特性 光敏电阻的本质是电阻，光敏电阻的本质是电阻，符合欧姆定律符合欧姆定律。因此，它具有与。因此，它具有与普通电阻相似的伏安特性，但是它的电阻值是随入射光度量而普通电阻相似的伏安特性，但是它的电阻值是随入射光度量而变化的。变化的。
18、利用图利用图2-1所示的电路可以所示的电路可以测出在不同光照下加在光敏电测出在不同光照下加在光敏电阻两端的电压阻两端的电压U与流过它的电与流过它的电流流Ip的关系曲线，并称其为光的关系曲线，并称其为光敏电阻的伏安特性敏电阻的伏安特性。图图2-5所示为典型所示为典型CdS光敏电阻的伏安特性曲线光敏电阻的伏安特性曲线。3.温度特性温度特性 光敏电阻为多数载流子导电的光电器件，具有复杂的温度光敏电阻为多数载流子导电的光电器件，具有复杂的温度特性。特性。图图2-6所示为典型所示为典型CdS与与CdSe光敏电阻在不同照度下的温度特性曲光敏电阻在不同照度下的温度特性曲线。以室温线。以室温（25）的）的相对
19、光电导相对光电导率为率为100%，观测光敏电阻的相对光观测光敏电阻的相对光电导率随温度的变化关系，可以看出电导率随温度的变化关系，可以看出光敏电阻的相对光电导率随温度的升光敏电阻的相对光电导率随温度的升高而下降，光电响应特性随着温度的高而下降，光电响应特性随着温度的变化较大。变化较大。温度的变化，引起温度噪声，导致其温度的变化，引起温度噪声，导致其灵敏度、光照特性、响应率等都发生变化。灵敏度、光照特性、响应率等都发生变化。为了提高灵敏度，必须采用冷却装置，尤其为了提高灵敏度，必须采用冷却装置，尤其是杂质型半导体受温度影响更明显。是杂质型半导体受温度影响更明显。4.时间响应时间响应 光光敏敏电电
20、阻阻的的时时间间响响应应(又又称称为为惯惯性性)比比其其他他光光电电器器件件要要差差(惯惯性性要要大大)些些，频频率率响响应应要要低低些些，而而且且具具有有特特殊殊性性。当当用用一一个个理理想想方方波波脉脉冲冲辐辐射射照照射射光光敏敏电电阻阻时时，光光生生电电子子要要有有产产生生的的过过程程，光光生生电电导导率率要要经经过过一一定定的的时时间间才才能能达达到到稳稳定定。当当停停止止辐辐射射时时，复合光生载流子也需要时间，表现出光敏电阻具有较大的惯性。复合光生载流子也需要时间，表现出光敏电阻具有较大的惯性。光敏电阻的惯性与入射辐射信号的强弱有关，下面分别讨光敏电阻的惯性与入射辐射信号的强弱有关，
21、下面分别讨论。论。(1).弱辐射作用情况下的时间响应弱辐射作用情况下的时间响应 t0t=0(2-4)(2-5)当当t=r时时，=0.630，I=0.63Ie0；r定义为光敏电阻的上升时间常数定义为光敏电阻的上升时间常数 停止辐射时，入射辐射通量停止辐射时，入射辐射通量e与时间的关系为与时间的关系为t=0t0光电导率和光电流随时间变化的规律为光电导率和光电流随时间变化的规律为 对于本征光电导器件在非平衡状态下光电导率对于本征光电导器件在非平衡状态下光电导率和和光光电流电流I随时间变化的规律为随时间变化的规律为 光电导率和光电流随时间变化的规律为光电导率和光电流随时间变化的规律为（2-6）（2-7
22、）显然，光敏电阻在弱辐射作用显然，光敏电阻在弱辐射作用下的上升时间常数下的上升时间常数r与下降时与下降时间常数间常数f近似相等近似相等。(2).强辐射作用情况下的时间响应强辐射作用情况下的时间响应 t=0t0（2-8）t0t=0（2-9）光敏电阻电导率的变化规律为光敏电阻电导率的变化规律为 其光电流的变化规律为其光电流的变化规律为（2-10）（2-11）停止辐射时光电导率和光电流停止辐射时光电导率和光电流的变化规律可表示为的变化规律可表示为 5.噪声特性噪声特性 光敏电阻的主要噪声有热噪声、产生复合和低频噪声光敏电阻的主要噪声有热噪声、产生复合和低频噪声(或称或称1/f 噪声噪声)。(1)(1
23、)热噪声热噪声(2)(2)产生复合噪声产生复合噪声(3)(3)低频噪声低频噪声(电流噪声电流噪声)总噪声总噪声6.光谱响应光谱响应 光敏电阻的光谱响应主要由光敏材料禁带宽度、杂质电离光敏电阻的光谱响应主要由光敏材料禁带宽度、杂质电离能、材料掺杂比与掺杂浓度等因素有关。能、材料掺杂比与掺杂浓度等因素有关。光敏电阻的特点光敏电阻的特点1、优点：光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小无极性使用方便等优点，所以应用广泛。此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。2、缺点：响应时间长、频率特性差、强光线性差、受温度影响大、型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并且由于
24、光照特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电信号的传感元件。2.3 光敏电阻的变换电路光敏电阻的变换电路2.3.1 基本偏置电路基本偏置电路 设在某照度设在某照度Ev下，光敏电阻的阻值为下，光敏电阻的阻值为R，电导为电导为g，流流过偏置电阻过偏置电阻RL的电流为的电流为IL 用微变量表示用微变量表示 而，而，dR=-R2Sg dE 因此因此 2 而，而，dR=-R2Sg dE 因此因此 设设iL=dIL，ev=dEv，则则 加在光敏电阻上的电压为加在光敏电阻上的电压为R与与RL对电压对电压Ubb的分压，的分压，即即UR=R/(R+RL)Ubb，因此，光电流的微变量为因此，光电
25、流的微变量为 将式（将式（2-22）代入式（）代入式（2-21）得）得（2-21）（2-22）（2-20）（2-23）偏置电阻偏置电阻RL两端的输出电压为两端的输出电压为 从式（从式（2-24）可以看出，当电路参数确定后，输出电压信号与）可以看出，当电路参数确定后，输出电压信号与弱辐射入射辐射量（照度弱辐射入射辐射量（照度ev）成线性关系成线性关系。（2-24）a a恒流偏置电路恒流偏置电路负载电流与光敏电阻无关，近似负载电流与光敏电阻无关，近似保持常数。保持常数。RLR b b 恒压偏置电路恒压偏置电路光敏电阻上的电压保持不变。光敏电阻上的电压保持不变。RLR 负载电流与光敏电阻无关，近似负
26、载电流与光敏电阻无关，近似保持常数。保持常数。特点：输出信号电流取决于光敏电阻和负载电阻的比特点：输出信号电流取决于光敏电阻和负载电阻的比值，与偏置电压成正比；电压信噪比高，适于弱信号值，与偏置电压成正比；电压信噪比高，适于弱信号检测。检测。b b 恒压偏置电路恒压偏置电路RLRP 特点特点:输出信号与光敏电阻无关输出信号与光敏电阻无关 便于检测电路时光敏电阻的便于检测电路时光敏电阻的更换更换光敏电阻上的电压保持不变。光敏电阻上的电压保持不变。1 1、照明灯的光电控制电路、照明灯的光电控制电路CKVDRCdS常闭常闭灯灯220V半波整流半波整流测光与控制测光与控制执行控制执行控制3.3.33.
27、3.3光敏电阻的应用实例光敏电阻的应用实例 数码相机为什么能实现自动曝光？数码相机为什么能实现自动曝光？3.3.33.3.3光敏电阻的应用实例光敏电阻的应用实例 3.3.3应用电路举例应用电路举例2.2.光敏电阻用于照相机自动曝光电路光敏电阻用于照相机自动曝光电路：光照强：光照强：曝光时间短曝光时间短光照弱：光照弱：曝光时间长曝光时间长3 3、火焰检测报警器、火焰检测报警器3光电导探测器噪声主要包括：光电导探测器噪声主要包括：热噪声、热噪声、g-r噪声和噪声和1f噪声噪声本章小结：本章小结：1利用半导体光电导效应制成的器件称为光电导探测器：利用半导体光电导效应制成的器件称为光电导探测器：本征光
28、电导探测器和杂质光电导探测器本征光电导探测器和杂质光电导探测器 光谱响应范围可从紫外远红外波段光谱响应范围可从紫外远红外波段2光电流光电流Ip=(e/hv)M，M内增益，与器件材料、性质内增益，与器件材料、性质和外加电场大小有关和外加电场大小有关4上限截止频率上限截止频率fc或响应时间或响应时间，与光电导探测器的光生，与光电导探测器的光生载流子的平均寿命有关。响应频率仅在几兆赫的数量级。载流子的平均寿命有关。响应频率仅在几兆赫的数量级。5偏置电路：恒流电路、恒压电路、交流等效电路偏置电路：恒流电路、恒压电路、交流等效电路习题习题3-9指导：指导：3-9 如图如图324所示的电路，耦合电容所示的电路，耦合电容C足够大，在交流回路足够大，在交流回路中其容抗可以忽略不计。光敏电阻中其容抗可以忽略不计。光敏电阻Rp的参数为的参数为Sg=210-5 Slx，10-3 s，Rl4k，R2=2k，Ub=50V，暗电阻，暗电阻Rd=1M，若光敏电阻所受的光照度为：，若光敏电阻所受的光照度为：e=(16+4sint)1x.(1)画出等效电路图；画出等效电路图；(2)求通过求通过R2电流的有效值；电流的有效值；(3)求输出电压求输出电压Uo的有效值的有效值;(4)求上限截止频率求上限截止频率fHC。习题习题3-9指导：指导：