半导体光电检测器件-30分钟.pptx

一、一、光敏电阻光敏电阻（一）光敏电阻的结构及工作原理（一）光敏电阻的结构及工作原理光敏电阻又称光导管，光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，为纯电阻元件，其工作原其工作原理是理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。优点：灵敏度高，光谱响应范围宽优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。力强和寿命长等。不足：需外部电源，受温度影响，有电流时会发不足：需外部电源，受温度影响，有电流时会发热。热。当光照射到光电导体上时，若光电导体为当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半本征半导体材料导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。为实现能级的跃迁，大。为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度光导体材料的禁带宽度E Eg g，即，即 h hE Eg (eV)g (eV)，h h E Ei(eV)i(eV)式中式中和和入射光的频率和波长。入射光的频率和波长。用用E Ei i大的、大的、n n型材料型材料A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料光导电材料绝缘衬低绝缘衬低引线引线电极电极引线引线光电导体光电导体光电导体一般都做成薄层。为了获得高的光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，灵敏度，光敏电阻的电极一般采用光敏电阻的电极一般采用疏状图疏状图案案，结构结构见下图。见下图。它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。这种蒸镀金或铟等金属形成的。这种疏疏状电极，状电极，由于在间距很近的电极之间有可能由于在间距很近的电极之间有可能采用大采用大的灵敏面积的灵敏面积，所以，所以提高了光敏电阻的灵敏提高了光敏电阻的灵敏度。度。光敏电阻的光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响灵敏度易受湿度的影响，因此，因此要将导光电导体要将导光电导体严密封装严密封装在玻璃壳体中。在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能电压的作用下，用光照射就能改变电路中改变电路中电流的大小，电流的大小，其连线电路如下图所示。其连线电路如下图所示。光敏电阻具有光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区光谱响应可从紫外区到红外区范围内。范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜价格便宜，因此应用比较广泛。，因此应用比较广泛。（二）光敏电阻的主要（二）光敏电阻的主要参数和基本特性参数和基本特性（1 1）暗电阻、亮电）暗电阻、亮电阻、光电流阻、光电流暗电流暗电流Id：光敏电光敏电阻在室温条件下，阻在室温条件下，全暗（无光照射）全暗（无光照射）后后经过一定时间测量经过一定时间测量的电阻值，的电阻值，称为暗电称为暗电阻。阻。此时流过的电流为此时流过的电流为IdRGRLE 连线电路图连线电路图亮电流亮电流IL：光敏电阻在某一光照下的光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流。流过的电流。光电流光电流I光光：亮电流与暗电流之差。亮电流与暗电流之差。光敏电阻的暗电阻光敏电阻的暗电阻越大越大，而，而亮亮电阻越电阻越小小则性能越好。也就是说，暗电流越则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。灵敏度越高。实用的光敏电阻的暗电阻往往超过实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1M,甚至甚至高达高达100M，而亮电阻则在几，而亮电阻则在几k以下，暗以下，暗电阻与亮电阻之比在电阻与亮电阻之比在10102 210106 6之间，可见光之间，可见光敏电阻的灵敏度很高敏电阻的灵敏度很高（2）光照特性：）光照特性：下图表示下图表示CdS光敏电阻的光敏电阻的光照特性：在一定光照特性：在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同类型光敏电阻光照特性不同，但不同，但光照特性曲线在光照特性曲线在弱光弱光呈线性，在呈线性，在强光时呈非线性强光时呈非线性。因此它因此它不宜作定量检测元件，不宜作定量检测元件，这是光敏这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作统中用作光电开关光电开关。012345I/mA L/lx10002000（3）增益）增益G G=U/L2（4）灵敏度）灵敏度(a)光电导灵敏度光电导灵敏度 Sg=g/E=gA/由欧姆定律，得由欧姆定律，得 I=SgEU(b)电阻灵敏度电阻灵敏度 SR=(Rd-R亮亮)/RdR/Rd(c)比灵敏度比灵敏度 S比比=SI/U=I光光/（U）（6 6）伏安特性伏安特性 在一定照度下，加在光敏电阻两在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。特性。801002040604080120160200240 /m312相相对对灵灵敏敏度度1硫化镉硫化镉2硒化镉硒化镉3硫化铅硫化铅图图中中曲曲线线1 1、2 2分分别别表表示示照照度度为为零零及及照照度度为为某某值值时时的的伏伏安安特特性性。由由曲曲线线可可知知，在在给给定定偏偏压压下下,光光照照度度较较大大，光光电电流流也也越越大大。在在一一定定的的光光照照度度下下，所所加加的电的电压越大，光电流越压越大，光电流越大，而且大，而且无饱和现无饱和现象。象。但是电压不能但是电压不能无限地增大，因为无限地增大，因为任何光敏电阻都受任何光敏电阻都受额定功率、最高工额定功率、最高工作电压和额定电流作电压和额定电流50100150200 U/V02040 I/A的的限限制制。超超过过最最高高工工作作电电压压和和最最大大额额定定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏电流，可能导致光敏电阻永久性损坏（7）频率特性）频率特性当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要流要经过一段时间才能达到稳定值，经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的零，这就是光敏电阻的延时特性延时特性。由。由于不同材料的光敏，于不同材料的光敏，电阻延时特性不电阻延时特性不同，所以它们的频率特性也不同，如同，所以它们的频率特性也不同，如图。图。硫化铅的使用频硫化铅的使用频率比硫化镉高得率比硫化镉高得多，但多，但多数光敏多数光敏电阻的延时都比电阻的延时都比较大较大，所以，它，所以，它不能用在要求快不能用在要求快速响应的场合。速响应的场合。20406080100I/%f/Hz010102103104硫化铅硫化铅硫化镉硫化镉（8）稳定性）稳定性图中曲线图中曲线1、2分别表示两种型号分别表示两种型号CdS光光敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，由于由于体内机构工作不稳定，以及电阻体内机构工作不稳定，以及电阻体与其介质的作用还没有达到平衡体与其介质的作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的。但在人为地所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、光照及加负载情况下，加温、光照及加负载情况下，经一至经一至二周的老化，性能可达稳定。二周的老化，性能可达稳定。光敏电光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上些样品阻值上升，有些样品升，有些样品阻值下降，阻值下降，但最后但最后到一个稳定值后达到一个稳定值后达就不再变了。这就就不再变了。这就是光敏电阻的主要是光敏电阻的主要优点。优点。光敏电阻的使用寿光敏电阻的使用寿命在密封良好、使命在密封良好、使用合理的情况下，几乎是用合理的情况下，几乎是无限长无限长的。的。I/%4080120160210400 800 1200（9）温度特性）温度特性其性能其性能(灵敏度、暗电阻灵敏度、暗电阻)受温度的影受温度的影响较大。随着响较大。随着温度的升高，其暗电阻温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降和灵敏度下降，光谱特性曲线的，光谱特性曲线的峰值峰值向波长短向波长短的方向的方向移动移动。硫化镉的光电。硫化镉的光电流流I I和温度和温度T T的关系如图所示。有时为的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用可利用制冷器制冷器使光敏电阻的温度降低。使光敏电阻的温度降低。I/A100150200-50-1030 5010-30 T/C8020406010001.02.03.04.0/mI/mA+20 C-20 C（1010）噪声）噪声当工作频率当工作频率f1kHz时，主要为时，主要为1/f 噪声。噪声。当当1kHzf=1MHz时，主要为热噪声。时，主要为热噪声。二、光电池二、光电池 光电池是一种利用光生伏特效应制成的不光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加偏压就能将光能转化成电能的光电器需加偏压就能将光能转化成电能的光电器件。简单的说，其本质就是一个件。简单的说，其本质就是一个PNPN结。结。表示电子表示电子表示空穴表示空穴由节点定律，得由节点定律，得（二）特性参数（二）特性参数1 1输出特性输出特性（1 1）伏安特性）伏安特性由（由（2 24545）式，当）式，当I=0=0时，得开路电压时，得开路电压V=0 时，得短路电流时，得短路电流ISC=IL=SL(2)输出特性输出特性最大输出功率最大输出功率负载功率：负载功率：PL=VI=I2L RL当当RL=0,V=0 ,PL=0当当RL趋于无穷大时，趋于无穷大时，I=0 ,PL=0有最大的有最大的Pmax ,得负载电阻得负载电阻RLROPt（一）结构原理（一）结构原理1、金属、金属-半导体接触型（硒光电池）半导体接触型（硒光电池）2、PN结型结型 结型光电池，是在结型光电池，是在N型（或型（或P型）半导体表面上型）半导体表面上扩散一层扩散一层P型（或型（或N型）杂质，形成型）杂质，形成PN结。结。（二）分类（二）分类（1）按基底材料分类）按基底材料分类 2DR（P型型Si为基底）为基底）2CR（N型型Si为基底）为基底）（2 2）按结构分类按结构分类 阵列式：分立的受光面阵列式：分立的受光面 象限式：参数相同的独立光电池象限式：参数相同的独立光电池 硅蓝光电池：硅蓝光电池：PNPN结距受光面很近结距受光面很近 阵列式阵列式 象限式象限式（3 3）按用途分类）按用途分类 太阳能光电池：用作电源（效率高，成太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低）本低）测量用光电池：探测器件（线性、灵测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等）敏度高等）（4 4）按材料分类）按材料分类 硅光电池：光谱响应宽，频率特性好硅光电池：光谱响应宽，频率特性好 硒光电池：波谱峰值位于人眼视觉内硒光电池：波谱峰值位于人眼视觉内 薄膜光电池：薄膜光电池：CdS 增强抗辐射能力增强抗辐射能力 紫光电池：紫光电池：PN结结 0.20.3 m，短波峰值：短波峰值：600nm（三）符号及电路（三）符号及电路 符号符号 连接电连接电 等效电路等效电路（四）特性参数（四）特性参数1、光照特性、光照特性2、输出电流与负载大小的关系、输出电流与负载大小的关系3、伏安特性、伏安特性 光电流与电压的关系光电流与电压的关系5、光谱特性、光谱特性 电路电流随波长变化情况电路电流随波长变化情况 取决于所用材料与工艺取决于所用材料与工艺6、温度特性、温度特性（五）应用（五）应用1、光电池用作太阳能电池光电池用作太阳能电池 把光能直接转化成电能，需要最大把光能直接转化成电能，需要最大的输出功率和转化效率。即把受光面的输出功率和转化效率。即把受光面做得较大，或做得较大，或把多个光电池作串、并把多个光电池作串、并联组成电池组，联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站等无输电线路地可作为卫星、微波站等无输电线路地区的电源供给。区的电源供给。2、光电池用作检测元件光电池用作检测元件 利用其光敏面大，利用其光敏面大，频率响应高，频率响应高，光光电流与照度电流与照度线性变化线性变化，适用于作，适用于作 （1）光开关）光开关（2）线性测量）线性测量(如光电读数、光栅测量、如光电读数、光栅测量、激光准直）等激光准直）等三、光敏二极管三、光敏二极管1、与普通二极管相比、与普通二极管相比共同点：一个共同点：一个PN结，单向导电性结，单向导电性不同点：不同点：（1）受光面大，）受光面大，PN结面积更大，结面积更大，PN结深结深度较浅度较浅（2）表面有防反射的）表面有防反射的SiO2保护层保护层（3）外加负偏压）外加负偏压 2、与光电池相比、与光电池相比共同点：均为一个共同点：均为一个PN结，利用光生伏特结，利用光生伏特效应，效应，SiO2保护膜保护膜不同点：不同点：（1）结面积比光电池的小，）结面积比光电池的小，频率特性好频率特性好（2）光生电势与光电池相同，但）光生电势与光电池相同，但电流比光电流比光电池小电池小（3）可在零偏压下工作，）可在零偏压下工作，更常在反偏压下更常在反偏压下工作工作3 3、性能参数、性能参数 光照下光照下PNPN结电压与光电流之间关系结电压与光电流之间关系（1）伏安特性）伏安特性反向偏压与光电流之间的关系反向偏压与光电流之间的关系（2）光照特性）光照特性 光电流与照度的关系光电流与照度的关系 15V15V反向偏压时的光照特性曲线反向偏压时的光照特性曲线（3）频率特性）频率特性 是半导体光电器件中最好的一种，是半导体光电器件中最好的一种，与下列因素有关：与下列因素有关：结电容（小于结电容（小于20F)和杂散电容和杂散电容光生载流子在薄层中的扩散时间及光生载流子在薄层中的扩散时间及PN结中的漂移时间结中的漂移时间 要提高频率响应必须做到以下几点：要提高频率响应必须做到以下几点：合理的结面积合理的结面积（小的结面积可使（小的结面积可使Cj减小，减小，但相同光照下，光电流也较小）；但相同光照下，光电流也较小）；尽可能大的耗尽层厚度；尽可能大的耗尽层厚度；适当加大使用电压；适当加大使用电压；减小结构所造成的分布电容。减小结构所造成的分布电容。4、电路、电路光敏二极管的输出电路及等效电路：光敏二极管的输出电路及等效电路：由等效图可知：由等效图可知：计算上限频率计算上限频率光敏二极管等效电路光敏二极管等效电路5、光敏二极管的分类、光敏二极管的分类按材料分类：按材料分类：硅光敏二极管硅光敏二极管 锗光敏二极管锗光敏二极管 化合物光敏二极管化合物光敏二极管按结的特性：按结的特性：PN结（扩散层、耗尽层）结（扩散层、耗尽层）PIN结结 异质结异质结 肖特基结肖特基结光敏三极管光敏三极管