光电技术第3讲.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,主讲人,:,张建寰 教授,单 位,:,机电工程学院测控技术研究所,2012.04.21,光电技术第三讲,上节内容回顾,1,、辐射体分类及其温度表示,2,、辐射度参量与光度参数的关系,3,、半导体对光的吸收,物质对光吸收的一般规律,半导体对光吸收,4,、,光电效应,光电导效应,光生伏特效应,本节内容预告,1,、光电发射效应,2,、光电导器件,光敏电阻的原理与结构,光敏电阻的基本特性,光敏电阻的变换电路,光敏电阻的应用实例,光电发射效应,当物质中的电子吸收足够高的光子能量,电子将逸出物质表面成为真空中的自由电子这种现象称为光电发射效应或外光电效应,.,只有光子能量大于光电发射材料的光电发射阈值,才有电子飞出光电发射材料进入真空,.,导带,禁带,价带,对于金属材料有,:,对于半导体材料,导带中的电子,对于半导体材料,价带中的电子,对于半导体材料,光电发射长波限为,:,光电发射器件具有不同于内光电效应的特点,:,1,、光电发射器件中的导电电子可以在真空中运动，因此，可以通过电场加速电子运动的动能或通过电子的内倍增系统提高光电探测灵敏度，使它能够快速,探测极其微弱的光信号,，成为像增强器与变像器技术的基本单元。,2,、,易制作大的面积均匀的光电发射器件,，使其在光电成像器件方面有利，一般真空光电成像器件的,空间分辨率要高于半导体光电图像传感器,；,3,、光电发射器件需要高稳定的高压直流电源设备，使整个探测器体积庞大，功率损失大，不适于野外操作，造价高；,4,、光电发射器件的光谱响应范围一般不如半导体器件宽。,作业：,1,、试计算,100W,标准钨丝灯在,0.2sr,范围内的光通量；,2,、若甲乙两厂生产的光电器件在色温,2856K,标准钨丝灯下标定出的灵敏度分别为：,比较两厂的光电器件的灵敏度高低。,3,、已知本征硅材料的禁带宽度,1.2eV,，求本征吸收波长。,光电导器件,某些物质吸收光子的能量产生本征吸收或杂质吸收，从而改变物质电导率的现象，,称为物质的光电导效应,。,利用具有光电导效应的材料（本征半导体硅、锗等，杂质半导体、硫化镉、硒化镉、氧化铅等）可以制成电导率随入射光度量变化的器件，称为光电导器件或光敏电阻。,光敏电阻具有体积小、坚固耐用、价格低廉、光谱响应范围宽等优点，广泛应用于微弱辐射信号的探测领域。,光敏电阻的原理与结构,光敏电阻的基本原理,光敏电阻的原理图和符号如图所示。,在均匀具有光电导效应的半导体材料的两端加上电极，便构成光敏电阻。,当光敏电阻的两端加上适当的偏置电压后，便有电流流过，用检流计可以检测到该电流。改变照射到光敏电阻上的光度量（如照度），发现流过光敏电阻的电流发生变化，说明光敏电阻的阻值随照度变化。,分类：两大类，本征型半导体光敏电阻和杂质型半导体光敏电阻。,本征型半导体的电子要从价带跃迁到导带需要克服较大的禁带宽度，要吸较大的光子通量，才会形成自由电子空穴对。因此，本征型光敏电阻所能探测的光波长短于杂质型光敏电阻。,杂质型光敏电阻一般用于长波光的探测，例如红外波段、甚至远红外波段辐射探测。,光敏电阻的基本结构,光敏电阻在微弱辐射作用下，光电导灵敏度与光敏电阻两极间的距离的平方成反比。强辐射作用下，灵敏度与两电极间的二分之三次方成反比。因此灵敏度与两电极间的距离有较大的关系。,为提高灵敏度，应尽量缩短光敏电阻两电极间的距离。此为光敏电阻结构设计的基本原则。,三种结构的光敏电阻。,梳状电极,蛇形光敏面的,刻线式光敏材料加电极,典型的光敏电阻,CdS,光敏电阻,该电阻是最常见的光敏电阻，其光谱响应特性接近人眼的光谱光视效率,V(,),，可见其在可见光波段范围内的灵敏度最高，因此被广泛应用于灯光自动控制，以及照相机的自动测光等方面。,CdS,光敏电阻制备方法：蒸发、烧结或粘接,一般会将,CdS,与,CdSe,配合使用。或在,CdS,中加入,Cu,或,Cl,，使其同时具有本征和杂质半导体器件的特性。,使光敏电阻的探测范围向红外波段延伸，峰值响应波长也延长。,CdS,光敏电阻的峰值响应波长为,0.52um,，,CdSe,光敏电阻的峰值响应波长为,0.72um,，通过调整,S,和,Se,的配比，使光敏电阻的峰值响应变化，达到与人眼相近的波长。,CdS,光敏电阻一般制成蛇形光敏面结构。,表一列出了该光敏电阻的特性参数。,PbS,光敏电阻,是近红外波段最灵敏的光电导器件。,采用蒸发或化学沉积方法制备，多制成厚度为,um,量级的多晶或单晶膜。,PbS,的峰值响应波长在,2um,，常用于火灾等探测。,PbS,的响应范围及比探测率等特性与工作温度有关，随着工作温度的降低，其峰值响应波长和长波限向长波方向移动，且比探测率增加。,室温下：,1-3.5um,峰值 波长为,2.4um,195K,时，,1-4um,峰值波长达到,2.8um,InSb,光敏电阻,波长范围为,3-5um,的主要探测器件之一，,单晶材料制备，工艺成熟，切片，磨片，抛光后，腐蚀减薄。,大面积器件适合制作成阵列,室温下长波限可达,7.5um,，峰值波长在,6um,77K,时，长波限缩短至,5.5um,，峰值波长也移至,5um,。恰 为大气窗口。,Hg1-xCdxTe,系列光电导探测器件,该系探测器件是目前所有红外探测器件中性能最优良且最有前途的探测器件，尤其是对于,4-8um,的大气窗口探测更为重要。,该材料是由,HgTe,和,CdTe,两种材料制备的，其中,x,标明,Cd,元素含量的成分多少。不同的含量可以得到不同的禁带宽度，从而制造出不同波长响应的探测器件。,光敏电阻的基本特性,光敏电阻为多数电子导电的光电敏感器件，其特性与其他光电器件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括光电特性，伏安特性，温度特性，时间响应，噪声特性等。,光电特性,暗电导：光敏电阻在黑暗室温条件下，由于热激发产生载流子使其具有一定的电导。,暗电导一般很小,光电导：当有光照射光敏面上时，电导将变大，称为光电导,光敏电阻的光电特性,:,电导随光照量变化越大的光敏电阻，其灵敏度越高，这个特性称为光敏电阻的光电特性,除两种极端光照条件,:,弱和强外，还有一般照射条件下，电导随光照变化的情况。,可用在恒定电压下流过光敏电阻的电流与作用其上的光照度,E,的关系曲线来描述。,由线性渐变为非线性。,恒压下，光电流为：,弱辐射条件下，,r=1,，强辐射时,r=0.5,，r,为光电转换因子。,伏安特性,光敏电阻的本质是电阻，符合欧姆定律，因此具有与普通电阻相似的伏安特性，但是它电阻值是随入射光量的变而变化的。,测出不同光照条件下加在光敏电阻两端电压,U,与流过其电流,I,的关系曲线，称为光敏电阻的伏安特性曲线。,虚线为允许功耗线或额定功耗线，使用时，设计光敏电阻的变换电路时，使光敏电阻工作在虚线范围内。,温度特性,光敏电阻为多数载流子导电的光电器件。温度特性复杂。,温度特性与光电导材料有密切关系。不同材料的光敏电阻有不同的温度特性。,图中为,CdS,和,CdSe,光敏电阻在不同照度下的温度特性曲线。以室温的相对光电导率为,100%,，观测光敏电阻的相对光电导率随温度变化关系。可以看出，光敏电阻的相对光电导率随温度升高而下降，光电响应特性随着温度的变化较大。,因此在温度变化较大的场合，应采取制冷措施。,降低或控制光敏电阻的工作温度是提高光敏电阻工作稳定性的有效办法。对红外波长红外辐射探测的领域更为重要。,时间响应,光敏电阻的时间响应又称为惯性，比其他光电器件要差，即惯性大些。频率响应低一些。,当用一个理想方波脉冲照射光敏电阻时，光生电子要有产生的过程，光生电导率要经过一定时间才能达到稳定，当停止辐射时，复合光生载流子也需要时间消失，因此表现出较大的惯性。,噪声特性,热噪声：光敏电阻内载流子的热运动产生的噪声称为热噪声或称,Johson,噪声,产生复合噪声：光敏电阻的产生复合噪声与其平均电流有关,低频噪声：光敏电阻会在偏置电压作用下产生信号光电流，由于光敏层内微粒 的不均匀性，或体内存有杂质，会产生微火花放电现象，从而引起电爆脉冲，是低频噪声的来源。,光敏电阻的光谱响应,与光敏材料的禁带宽度、杂质电离能、材料掺杂比与掺杂浓度等因素有关。,光敏电阻的变换电路,光敏电阻的阻值或电导随入射辐射量的变化而改变，因此，可以用光敏电阻将光学信息变换为电学信息。但电阻或电导值的变化信息不能直接被人所接受，须将电阻或电导值的变化转为电流或电压信号输出，完成该转换工作的电路称为光敏电阻的偏置电路或变换电路。,基本偏置电路,