第二章-光电导器件分解.pptx

光电探测器是一种能够将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三个步骤：由入射光产生载流子；通过任何可行的电流增益机制，使载流子传导及倍增；电流与外部电路相互作用，以提供输出信号。第二章、光电导器件第二章、光电导器件 光电探测器在所工作的波长中具有高灵敏度、高响应速度及低噪声。另外，光电探测器必须轻薄短小、使用低电压或低电流，并具有高可靠度。光电导效应原理（半导体材料的体效应）光电导探测器 光照下改变自身的电阻率（光照愈强,器件自身的电阻愈小）光敏电阻（光导管）本征型光敏电阻 一般在室温下工作，适用于可见光和近红外辐射探测非本征型光敏电阻 通常在低温条件下工作，常用于中、远红外辐射探测为何？为何？光敏电阻的基本原理光敏电阻的基本原理在电路中的符号常见的光敏电阻有CdS、CdSe、PbS、InSb、HgxCd1-xTe（是由HgTe和CdTe两种材料混在一起的固溶体）用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制做很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，然后接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。光敏电阻的原理结构如右图所示。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。某些光敏电阻的增益甚至可高达106。一般光敏电阻的响应时间为10-3s10-10s，它们被大量应用于红外光侦测，尤其是波长大于几微米以上的区域。在第1章讨论光电导效应时发现，光敏电阻在微弱辐射作用的情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的平方成反比，参见（1-85）式；在强辐射作用的情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的二分之三次方成反比，参见（1-88）式；都与两电极间距离l有关。根据光敏电阻的设计原则可以设计出如图2-2所示的3种基本结构，图2-2（a）所示光敏面为梳形的结构。CdS和CdSe（2.42、1.7 ev）低造价、高可靠、长寿命、可见光辐射探测器 光电导增益比较高(103104)响应时间比较长(大约50ms)广泛用于自动化技术和摄影机中的光计量。PbS（常温下禁带宽度为0.41eV）近红外辐射探测器 波长响应范围在13.4m，峰值响应波长为2m 内阻（暗阻）大约为1M 响应时间约200s 广泛用于遥感技术和武器红外制导技术InSb(锑化铟，室温下禁带宽度为0.18eV)近红外辐射探测器，室温下，噪声大。在77k下,噪几种典型的光敏电阻几种典型的光敏电阻HgxCd1-xTe探测器 化合物本征型光电导探测器,它是由HgTe和CdTe两种 材料混在一起的固溶体,其禁带宽度随组分x呈线性变化 当x=0.2时响应波长为814m,工作温度77k，用液 氮致冷。声性能大大改善峰值响应波长为5m；响应时间短（大约5010-9s）适用于快速红外信号探测1)暗电阻、亮电阻 光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，或暗阻。此时流过的电流称为暗电流。例如MG41-21型光敏电阻暗阻大于等于0.1M。光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻或亮阻。此时流过的电流称为亮电流。MG4121型光敏电阻亮阻小于等于1k。亮电流与暗电流之差称为光电流。显然，光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大。这样光敏电阻的灵敏度就高。二、基本特性和参数二、基本特性和参数 2)光谱特性 对于不同波长的入射光，光敏电阻的相对灵敏度是不相同的。各种材料的光谱特性如下图所示。从图中看出，硫化镉的峰值在可见光区域，而硫化铅的峰值在红外区域，因此在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的结果。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。3)光电特性 光敏电阻的光电流与光照度之间的关系称为光电特性。如图2-3所示，光敏电阻的光电特性呈非线性。前面所讲的光电转换定律表达式是理想情况的转换关系式。考虑到许多实际因素，光敏电阻的光电特性并非呈线性 在1.5.1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（线性与非线性），式（1-84）与（1-87）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。（1-84）（1-87）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“恒定电压”作用下流过光敏电阻的电流Ip与作用到光敏电阻上的光照度E的关系曲线来描述。如图2-3所示的特性曲线反应了流过光敏电阻的电流Ip与入射光照度E间的变化关系，由图可见它是由直线性渐变到非线性的。在恒定电压的作用下，流过光敏电阻的光电流Ip为 式中Sg为光电导灵敏度，E为光敏电阻的照度。显然，当照度很低时，曲线近似为线性，Sg由式（1-85）描述；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，Sg由式（1-87）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（）来描述，并定义为光电转换因子。并将式（2-1）改为 可以看出光敏电阻不适宜做检测元件，这是光敏电阻的缺点之一，在自动控制中它常用做开关式光电传感器。Sg 与器件材料、尺寸、形状以及载流子的寿命有关；电压指数一般取值在1.01.2；照度指数取值约在0.51.0。在低偏压（几伏到几十伏），弱光照下，电压指数和照度指数通常都取1 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2-4所示为两种坐标框架的特性曲线，其中(a)为线性直角坐标系中光敏电阻的阻值R与入射照度EV的关系曲线，而(b)为对数直角坐标系下的阻值R与入射照度EV的关系曲线。如图2-4(b)所示的对数坐标系中光敏电阻的阻值R在某段照度EV范围内的光电特性表现为线性，即（2-2）式中的保持不变。值为对数坐标下特性曲线的斜率。即（2-3）R1与R2分别是照度为E1和E2时光敏电阻的阻值。4)伏安特性 在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与流过光敏电阻的电流之间的关系，称为伏安特性。光敏电阻两端电压为：为有光照时的亮电阻，当光照变化时，变为 ，电流 变为 ，上述两式相减，则有：式中负号表示光照增大，亮阻减小，电流增大。同时，电流变化，引起光敏电阻两端电压的变化：代入 得：当 时，上式有最大值，为有光照时的亮电阻，为负载电阻，称为匹配负载电阻，但是入射光功率在较大的动态范围内变化，保持匹配工作状态就比较难，此其缺点之二。缺点之三：光敏电阻的响应频率比较低，响应时间长。原因分析：忽略了极间电容的影响，当入射光功率变化频率较高时，等效电容不能省去。并且为了获得大的电流，L尺寸小，使得极间电容较大。以上分析了光敏电阻工作电流和电压，下面看一下其工作功率，讨论偏置电压V的选取。在一定光照下，光敏电阻上产生的热损耗功率为：每一个型号的光敏电阻有对应的额定功率 ，因此，代入 得偏置电压：在匹配条件下：可知，光敏电阻伏安特性近似直线，受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能超过最高工作电压，图中虚线为允许功耗曲线，由此可确定光敏电阻正常工作电压。由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不相同。附图1给出相对灵敏度，与光强变化频率f之间的关系曲线，可以看出硫化铅的使用频率比硫化光敏电阻的响应时间常数是由电流上升时间 和衰减时间 表示的。5)时间响应特性 光敏电阻的响应时间与入射光的照度、所加电压、负载电阻及照度变化前电阻所经历的时间（称为前历时间）等因素有关。6)频率特性当光敏电阻受到脉冲光照时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，光照突然消失时，光电流也不立刻为零。这说明光敏电阻有时延特性。补充补充前历效应前历效应 指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种现象。即测试前光敏电阻所处状态对光敏电阻特性的影响。暗态前历效应暗态前历效应：指光敏电阻测试或工作前处于暗态，：指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后光电流上升的缓慢程度。一般，当它突然受到光照后光电流上升的缓慢程度。一般，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重。工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重。1-黑暗放置3分钟后 2-黑暗放置60分钟后 3-黑暗放置24小时后亮态前历效应：亮态前历效应：光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与工作光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象。时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象。镉高的多。但多数光敏电阻的时延都较大，因此不能用在要求快速响应的场合，这是光敏电阻的一个缺陷。附图1 光敏电阻的频率特性 1-PbS 2-CdS7)温度特性光敏电阻和其他半导体器件一样，受温度影响较大，当温度升高时，它的暗电阻会下降。温度的变化对光谱特性也有很大影响。附图2是硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线。从图中可以看出，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此，有时为了提高灵敏度，或为了能接受远红外光而采取降温措施。附图2 PbS的光谱温度特性在有光照时，光敏电阻的阻值随温度变化而变化的变化率,在弱光照和强光照时都较大,而中等光照时,则较小。例：CdS光敏电阻的温度系数在10lx照度时约为0；照度高于10lx时，温度系数为正；小于10lx时，温度系数反而为负；照度偏离10lx愈多，温度系数也愈大。另外，当环境温度在0+60的范围内时，光敏电阻的响应速度几乎不变；而在低温环境下，光敏电阻的响应速度变慢。例如，-30时的响应时间约为+20时的两倍。光敏电阻的允许功耗,随着环境温度的升高而降低。要防止使光敏电阻的电参数(电压、功耗)超过允许值；根据不同用途,选用不同特性的光敏电阻。用于测光的光源光谱特性必须与光敏电阻的光敏特 性匹配;要防止光敏电阻受杂散光的影响;8)使用注意事项三、光敏电阻的变换电路三、光敏电阻的变换电路1 1、基本偏置电路（略）、基本偏置电路（略）设在某照度Ev下，光敏电阻的阻值为R，电导为g，流过偏置电阻RL的电流为IL 用微变量表示 而，dR=d(1/g)=(-1/g2)dg dg=S dE 因此 22gv设iL=dIL，ev=dEv，则 加在光敏电阻上的电压为R与RL对电压Ubb的分压，即UR=Ubb R/(R+RL)，因此，光电流的微变量为 将式（2-22）代入式（2-21）得（2-21）（2-22）（2-20）（2-23）dR=d(1/g)=(-1/g2)dg dg=S dE偏置电阻RL两端的输出电压为 从式（2-24）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ev）成线性关系。（2-24）2 2、恒流电路、恒流电路 在简单偏置电路中，当RLR时，流过光敏电阻的电流基本不变，此时的偏置电路称为恒流电路。然而，光敏电阻自身的阻值已经很高，再满足恒流偏置的条件就难以满足电路输出阻抗的要求，为此，可引入如图2-13所示的晶体管恒流偏置电路。稳压管DW将晶体三极管的基极电压稳定，即UB=UW，流过晶体三极管发射极的电流Ie 为（2-25）在晶体管恒流偏置电路中输出电压Uo为 求微分得 将 代入（2-27）得（2-27）（2-26）或 显然，恒流偏置电路的电压灵敏度SV为（2-28）（2-29）（2-30）3 3 3 3、恒压电路、恒压电路、恒压电路、恒压电路 利用晶体三极管很容易构成光敏电阻的恒压偏置电路。如图2-14所示为典型的光敏电阻恒压偏置电路。光敏电阻在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电流Ie近似相等。因此，恒压偏置电路的输出电压为 取微分，则得到输出电压的变化量为 dUo=RcdIc=RcdIe=RcSgUwdE 4 4 4 4 、例题、例题、例题、例题 例例2-1 2-1 在如图2-13所示的恒流偏置电路中，已知电源电压为12V，Rb为820，Re为3.3k，三极管的放大倍率不小于80，稳压二极管的输出电压为4 V，光照度为40lx时输出电压为6V，80 lx时为8V。（设光敏电阻在30到100lx之间的值不变）（1）输出电压为7伏的照度为多少勒克司？（2）该电路的电压灵敏度（V/lx）。解解 根据已知条件，流过稳压管DW的电流满足稳压二极管的工作条件满足稳压二极管的工作条件（1）根据题目给的条件，可得到不同光照下光敏电阻的阻值 将Re1与Re2值代入值计算公式，得到光照度在4080lx之间的值 输出为7V时光敏电阻的阻值应为 此时的光照度可由值计算公式获得 E3=54.48（lx）（2）电路的电压灵敏度SV 例例2-22-2 在如图2-14所示的恒压偏置电路中，已知DW为2CW12型稳压二极管，其稳定电压值为6V，设Rb=1k，RC=510,三极管的电流放大倍率不小于80，电源电压Ubb=12V，当CdS光敏电阻光敏面上的照度为150lx时恒压偏置电路的输出电压为10V,照度为300lx时输出电压为8V,试计算输出电压为9V时的照度（设光敏电阻在100500lx间的值不变）为多少lx？照度到500lx时的输出电压为多少？解解 分析电路可知，流过稳压二极管的电流满足2CW12的稳定工作条件，三极管的基极被稳定在6V。设光照度为150lx时的输出电流为I1，与光敏电阻的阻值R1，则 同样,照度为300lx时流过光敏电阻的电流I2与电阻R2为R2=676 由于光敏电阻在100到500lx间的值不变，因此该光敏电阻的值应为 当输出电压为9V时，设流过光敏电阻的电流为I3，阻值为R3，则 R3=900 代入值的计算公式便可以计算出输出电压为9V时的入射照度E3E3=225(lx)由值的计算公式可以得到500lx时的阻值R4及三极管的输出电流I4为 R4=405 I4=13(mA)而此时的输出电压UO为 UO=UbbI4Rc=5.4(V)即，在500lx的照度下恒压偏置电路的输出电压为5.4V。四、光敏电阻的应用实例 1 1、照明灯的光电控制电路、照明灯的光电控制电路 如图2-15所示为一种最简单的由光敏电阻作光电敏感器件的照明灯光电自动控制电路。它由3部分构成：半波整流滤波电路 测光与控制的电路 执行电路 设使照明灯点亮的光照度为EV 继电器绕组的直流电阻为RJ，使继电器吸合的最小电流为Imin，光敏电阻的光电导灵敏度为Sg，暗电导go=0，则 显然，这种最简单的光电控制电路还有很多缺点，还需要改进。在实际应用中常常要附加其他电路，如楼道照明灯常配加声控开关或微波等接近开关使灯在有人活动时照明灯才被点亮；而路灯光电控制器则要增加防止闪电光辐射或人为的光源（如手电灯光等）对控制电路的干扰措施。2 2、火焰探测报警器、火焰探测报警器 图2-16所示为采用光敏电阻为探测元件的火焰探测报警器电路图。PbS光敏电阻的暗电阻的阻值为1M，亮电阻的阻值为0.2M(辐照度1mw/cm2下测试)，峰值响应波长为2m，恰为火焰的峰值辐射光谱。3 3、照相机电子快门、照相机电子快门 图2-17所示为利用光敏电阻构成的照相机自动曝光控制电路，也称为照相机电子快门。电子快门常用于电子程序快门的照相机中，其中测光器件常采用与人眼光谱响应接近的硫化镉(CdS)光敏电阻。照相机曝光控制电路是由光敏电阻R、开关K和电容C构成的充电电路，时间检出电路(电压比较器)，三极管T构成的驱动放大电路，电磁铁M带动的开门叶片（执行单元）等组成。在初始状态，开关K处于如图所示的位置，电压比较器的正输入端的电位为R1与RW1分电源电压Ubb所得的阈值电压Vth（一般为11.5V），而电压比较器的负输入端的电位VR近似为电源电位Ubb，显然电压比较器负输入端的电位高于正输入端的电位，比较器输出为低电平，三极管截止，电磁铁不吸合，开门叶片闭合。当按动快门的按钮时，开关K与光敏电阻R及RW2构成的测光与充电电路接通，这时，电容C两端的电压UC为0，由于电压比较器的负输入端的电位低于正输入端而使其输出为高电平，使三极管T导通，电磁铁将带动快门的叶片打开快门，照相机开始曝光。快门打开的同时，电源Ubb通过电位器RW2与光敏电阻R向电容C充电，且充电的速度取决于景物的照度，景物照度愈高光敏电阻R的阻值愈低，充电速度愈快。VR的变化规律可由电容C的充电规律得到 VR=Ubb1exp(t/)式中为电路的时间常数=（RW2+R）C 光敏电阻的阻值R与入射的光照度EV有关 当电容C两端的电压UC充电到一定的电位（VRVth）时，电压比较器的输出电压将由高变低，三极管T截止而使电磁铁断电，快门叶片又重新关闭。快门的开启时间t可由下式推出 t=（RW2+R）C ln Ubb/Vth 思考题与习题思考题与习题2.3 设某只CdS光敏电阻的最大功耗为30mW，光电导灵敏度Sg=0.5106S/lx，暗电导g0=0。试问当CdS光敏电阻上的偏置电压为20V时的极限照度为多少lx？2.4 在如图所示的照明灯控制电路中，用上题所给CdS光敏电阻作光电传感器，若已知继电器绕组的电阻5k，继电器的吸合电流为2mA，电阻器R=1k时，问为使继电器吸合所需要的照度为多少lx？要使继电器在3lx时吸合，问应如何调整电阻器R？2.5 设某光敏电阻在100lx的光照下的阻值为2k，且，已知它在90120lx范围内的=0.9，试求该光敏电阻在110lx光照下的阻值？2.6 已知某光敏电阻在500lx的光照下的阻值为550，而在700lx的光照下的阻值为450，试求该光敏电阻在550lx和600lx光照下的阻值？2.7 在如图所示的电路中，已知Rb=820，Re=3.3k，UW=4V，光敏电阻为RP，当光照度为40lx时输出电压为6V，80 lx时为9V。（设该光敏电阻在30到100lx之间的值不变）试求：1)输出电压为8伏时的照度为多少？2)若Re增加到6k，输出电压仍然为8伏，问此时的照度为多少？3)若光敏面上的照度为70lx，问Re=3.3k与Re=6k时的输出电压各为多少？4)该电路在输出8V时的电压灵敏度为多少？光敏电阻的应用举例光敏电阻的应用举例把光敏电阻装在大门上汽车灯光能照到的地方，把带动大门的电动机接在继电器的电路中，那么夜间汽车开到大门前，灯光照射光敏电阻时，继电器接通电动机电路，电动机带动大门打开。全方位跟踪太阳的电子装置该装置的阳光探测头由一块凸透镜、5只光敏电阻、控制电路板和一个圆筒组成。光控光控 LED LED 灯灯暗通电路暗通电路明通电路明通电路光敏电阻防盗报警光敏电阻防盗报警