光電檢測(cè)c6課件講述

1、光電檢測(cè)技術(shù),第5章光電導(dǎo)器件,自由電子所占能帶,不存在電子所占能帶,價(jià)電子所占能帶,hυ≧Eg,當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，若這個(gè)光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，且光輻射能量又足夠強(qiáng),光電材料價(jià)帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。,,光敏電阻演示,當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，光生電子—空穴對(duì)增加，阻值減小，電流增大。,暗電流（越小越好）,,光電導(dǎo)與光電流,光敏電阻兩端加電壓（直流或交流）．無(wú)光照時(shí)，阻值（暗電阻）很大，電流（暗電

2、流）很小；光照時(shí)，光生載流子迅速增加，阻值（亮電阻）急劇減少．在外場(chǎng)作用下，光生載流子沿一定方向運(yùn)動(dòng)，形成光電流（亮電流）。光電流：亮電流和暗電流之差；I光 = IL - Id光電導(dǎo)：亮電導(dǎo)和暗電導(dǎo)之差；g = gL - gd光敏電阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是說(shuō)暗電流要小，亮電流要大，這樣光敏電阻的靈敏度就高。,無(wú)光照，暗電導(dǎo)率光照下電導(dǎo)率,光生載流子濃度,電導(dǎo)率正比于載流

3、子濃度及其遷移率的乘積,載流子的遷移率,附加光電導(dǎo)率,簡(jiǎn)稱光電導(dǎo)光電導(dǎo)相對(duì)值要制成附加光電導(dǎo)相對(duì)值高的光敏電阻應(yīng)使p0和n0小，因此光敏電阻一般采用禁帶寬度大的材料或在低溫下使用。,當(dāng)光照穩(wěn)定時(shí)，光生載流子的濃度為無(wú)光照時(shí)，光敏電阻的暗電流為光照時(shí)，光敏電阻的光電流為,在光輻射作用下，假設(shè)每單位時(shí)間產(chǎn)生N個(gè)電子－空穴對(duì)，他們的壽命分別是τn和τp。那么光輻射激發(fā)增加的電子和空穴濃度分別為：,光電導(dǎo)體的非

4、平衡載流子壽命τ越長(zhǎng)，遷移率μ越大。光電導(dǎo)體的光電流就越高。而且，光電導(dǎo)體的光電流還與電極間距L的平方成反比。,光電導(dǎo)體的光電流與電極間距L的平方成反比,利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)制成的器件。典型的光電導(dǎo)器件為光敏電阻。,光敏電阻的原理是半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)，只有能量（hν）大于材料禁帶寬度（Eg）的光子，才能使材料產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)。每一種半導(dǎo)體或絕緣體都有一定的光電導(dǎo)效應(yīng)，但只有其中一部分材料經(jīng)過(guò)特殊處理，摻進(jìn)適當(dāng)雜質(zhì)，才有明顯的光電導(dǎo)

5、效應(yīng)。現(xiàn)在使用的光電導(dǎo)材料有Ⅱ-Ⅵ族、Ⅲ-Ⅴ族化合物，硅、鍺等，以及一些有機(jī)物。,光敏電阻器按其制作材料的不同可分為多晶光敏電阻器和單晶光敏電阻器，還可分為硫化鎘（CdS）光敏電阻器、硒化鎘(CdSe) 光敏電阻器、硫化鉛(PbS) 光敏電阻器、硒化鉛(PbSe) 光敏電阻器、銻化銦(InSb) 光敏電阻器等多種。,光敏電阻的分類,光敏電阻器可以根據(jù)光敏電阻器的制作材料和光譜特性來(lái)分類。,按光敏電阻器的制作材料分類,光敏電阻器按

6、其光譜特性可分為可見(jiàn)光光敏電阻器、紫外光光敏電阻器和紅外光光敏電阻器。,按光譜特性分類,可見(jiàn)光光敏電阻器主要用于各種光電自動(dòng)控制系統(tǒng)、電子照相機(jī)和光報(bào)警器等電子產(chǎn)品中。包括硒、硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等 紫外光光敏電阻器主要用于紫外線探測(cè)儀器。包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等 紅外光光敏電阻器主要用于天文、軍事等領(lǐng)域的有關(guān)自動(dòng)控制系統(tǒng)中。主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛。銻化銦等光敏電阻器,常用光電導(dǎo)

7、材料,光敏電阻的結(jié)構(gòu),,光敏電阻器外形、電路符號(hào)a) 外形 b) 電路符號(hào),1. 光電導(dǎo)靈敏度Sg,光敏電阻的主要特性,按靈敏度定義（響應(yīng)量與輸入量之比），可得Sg=Gp/EGp：光電導(dǎo)，單位為西門(mén)子S（Ω-1）。E：照度，單位為勒克斯（lx）。Sg:單位為西門(mén)子/勒克斯（S/lx）或Sm2/W。,光電導(dǎo)體的非平衡載流子壽命τ越長(zhǎng)，遷移率μ越大。光電導(dǎo)體的靈敏度（光電流或光電增益）就越高。而且，光電導(dǎo)體的

8、靈敏度還與電極間距L的平方成反比。,,面積 S,,,,,長(zhǎng)度 L,2. 光電導(dǎo)增益,加上電壓U后，由光照產(chǎn)生的光生載流子在電場(chǎng)作用下所形成的外部的光電流與光電子形成的內(nèi)部電流(qN)之間的比值。,,面積 S,,,,,長(zhǎng)度 L,3 量子效率,輸出的光電子數(shù)N(λ）與入射的光子數(shù)Np(λ）之比:,4 光譜響應(yīng)率與光譜響應(yīng)曲線,,光譜響應(yīng)率表示在某一特定波長(zhǎng)下，輸出光電流（電壓）與入射輻射能量之比。,增大增益系數(shù)可以增加光譜響應(yīng)率，但同時(shí)減小

9、電極間距，使得采光面積減小而不實(shí)用；延長(zhǎng)載流子的壽命可以增加光譜響應(yīng)率。但會(huì)降低向應(yīng)速度。增益與響應(yīng)速度相互矛盾，常用光敏電阻光譜響應(yīng)率為1A/W。,波長(zhǎng)較長(zhǎng)，吸收系數(shù)減小，量子效率降低，響應(yīng)率降低；波長(zhǎng)減小，吸收系數(shù)增大，量子效率升高，響應(yīng)率升高；波長(zhǎng)繼續(xù)減小，吸收系數(shù)進(jìn)一步增大，材料表面光生載流子密度升高，致使復(fù)合增加，光生載流子壽命降低，響應(yīng)率升高量子效率降低，響應(yīng)率降低。,光譜特性多用相對(duì)靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線表示。從這

10、種曲線中可以直接看出靈敏范圍、峰值波長(zhǎng)位置和各波長(zhǎng)下靈敏度的相對(duì)關(guān)系。,1-硫化鎘單晶  2-硫化鎘多晶  3-硒化鎘多晶4-硫化鎘與硒化鎘混合多晶,在可見(jiàn)光區(qū)靈敏的幾種光敏電阻的光譜特性曲線,硫化鎘單晶、硫化鎘與硒化鎘混合多晶，硫化鎘多晶、硒化鎘多晶等幾種光敏電阻的光譜特性曲線覆蓋了整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)，峰值波長(zhǎng)在515～600nm之間。這與人眼的光譜光視效率V(λ)曲線的范圍和峰值波長(zhǎng)（555nm）是很接近的

11、，因此可用于與人眼有關(guān)的儀器，例如照相機(jī)、照度計(jì)、光度計(jì)等。不過(guò)它們的形狀與V(λ)曲線還不完全一致。如直接使用，與人的視覺(jué)還有一定的差距，所以必須加濾光片進(jìn)行修正，使其特性曲線與V(λ)曲線完全符合，這樣即可得到與人眼視覺(jué)相同的效果。,在紅外區(qū)靈敏的幾種光敏電阻的光譜特性曲線,5. 光電特性,光電流與照度的關(guān)系稱為光電特性。光敏電阻光電特性如下：Ip(λ)=SgEγUαIp：光電流E：照度α：電壓指數(shù)Sg：光電導(dǎo)靈敏度

12、U：光敏電阻兩端所加的電壓γ：光照指數(shù),γ與材料和入射光強(qiáng)弱有關(guān)，對(duì)于硫化鎘光電導(dǎo)體，在弱光照下γ＝1，在強(qiáng)光照下γ＝1/2，一般γ＝0.5～1。α與光電導(dǎo)體和電極材料之間的接觸有關(guān)，歐姆接觸時(shí)α＝1，非歐姆接觸時(shí)α=1.1～1.2。,硫化鎘光敏電阻在弱光照下，Ip與E具有良好的線性關(guān)系，在強(qiáng)光照下則為非線性關(guān)系，其它光敏電阻也有類似的性質(zhì)。如果電壓指數(shù)α＝1，在弱光照下有Ip=SgEU,6. 溫度特性,光敏電阻的溫度特性很復(fù)雜，

13、在一定的照度下，亮電阻的溫度系數(shù)α有正有負(fù)，R1、R2分別為與溫度T1、T2相對(duì)應(yīng)的亮電阻。,硫化鎘光敏電阻的溫度特性曲線a) 硫化鎘單晶  b) 硫化鎘多晶,溫度對(duì)光譜響應(yīng)也有影響。一般說(shuō)，光譜特性主要決定于材料，材料的禁帶寬度越窄則對(duì)長(zhǎng)波越敏感，但禁帶很窄時(shí)，半導(dǎo)體中熱激發(fā)也會(huì)使自由載流子濃度增加，使復(fù)合運(yùn)動(dòng)加快，靈敏度降低。因此，采取冷卻靈敏面的辦法來(lái)提高靈敏度往往是很有效的。,硫化鉛光敏電阻在冷卻情況下相

14、對(duì)光譜靈敏度的變化,7. 頻率特性,光敏電阻是依靠非平衡載流子效應(yīng)工作的，非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合都有一個(gè)時(shí)間過(guò)程，這個(gè)時(shí)間過(guò)程在一定程度上影響了光敏電阻對(duì)變化光照的響應(yīng)。光敏電阻采用交變光照時(shí)，其輸出將隨入射光頻率的增加而減小。,1-硒  2-硫化鎘  3-硫化鉈  4-硫化鉛,幾種光敏電阻的頻率特性曲線,8. 伏安特性,在一定的光照下，加到光敏電阻兩端的電壓與流過(guò)光敏電阻的亮電流之間的關(guān)系稱

15、為光敏電阻的伏安特性，常用曲線表示。,光敏電阻的伏安特性曲線,圖中的虛線為額定功耗線。使用光敏電阻時(shí)，應(yīng)不使電阻的實(shí)際功耗超過(guò)額定值。從圖上來(lái)說(shuō)，就是不能使靜態(tài)工作點(diǎn)居于虛線以內(nèi)的區(qū)域。按這一要求，在設(shè)計(jì)負(fù)載電阻時(shí)，應(yīng)不使負(fù)載線與額定功耗線相交。,已知CdS光敏電阻光電導(dǎo)靈敏度Sg=0.5×10-6s/lx，暗電導(dǎo)為g0=0，若給CdS光敏電阻加偏置電壓10V, 此時(shí)CdS光敏電阻的極限照度為200lx，求該電阻的最大功耗？,

16、前歷效應(yīng)是指光敏電阻的時(shí)間特性與工作前“歷史”有關(guān)的一種現(xiàn)象。前歷效應(yīng)有暗態(tài)前歷與亮態(tài)前歷之分。,9. 前歷效應(yīng),暗態(tài)前歷效應(yīng)是指光敏電阻測(cè)試或工作前處于暗態(tài)，當(dāng)它突然受到光照后表現(xiàn)為暗態(tài)前歷越長(zhǎng)，光電流上升越慢。一般，工作電壓越低，光照度越低，則暗態(tài)前歷效應(yīng)就越重。,硫化鎘光敏電阻的暗態(tài)前歷效應(yīng)曲線1-黑暗放置3分鐘后  2-黑暗放置60分鐘后3-黑暗放置24小時(shí)后,亮態(tài)前歷效應(yīng)是指光敏電阻測(cè)試或工作前已處于亮態(tài)，當(dāng)照度

17、與工作時(shí)所要達(dá)到的照度不同時(shí)，所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象，其效應(yīng)曲線如下圖所示。一般，亮電阻由高照度狀態(tài)變?yōu)榈驼斩葼顟B(tài)達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)所需的時(shí)間要比由低照度狀態(tài)變?yōu)楦哒斩葼顟B(tài)時(shí)短。,硫化鎘光敏電阻亮態(tài)前歷效應(yīng)曲線,光敏電阻的特點(diǎn),光譜響應(yīng)范圍寬，尤其是對(duì)紅光和紅外輻射有較高的響應(yīng)度；偏置電壓低，工作電流大；動(dòng)態(tài)范圍寬，既可測(cè)強(qiáng)光，也可測(cè)弱光；光電導(dǎo)增益大，靈敏度高；光敏電阻無(wú)極性，使用方便。,(1)在可見(jiàn)光中，一般選用靈敏度和穩(wěn)定

18、性較好的硫化鎘光敏電阻。(2)在紅外光下，可選用靈敏度高且頻率特性好的硒化鎘光敏電阻。(3)對(duì)于近紅外光，應(yīng)選用硫化鉛，硒化鉛等光敏電阻。,光敏電阻器的選用及檢測(cè),光譜響應(yīng)范圍選擇：,(1)用一黑紙片將光敏電阻的透光窗口遮住，此時(shí)萬(wàn)用表的指針基本保持不動(dòng)，阻值接近無(wú)窮大。此值越大說(shuō)明光敏電阻性能越好。若此值很小或接近為零，說(shuō)明光敏電阻已燒穿損壞。(2)將一光源對(duì)準(zhǔn)光敏電阻的透光窗口，此時(shí)萬(wàn)用表的指針應(yīng)有較大幅度的擺動(dòng)，阻值

19、明顯減小。此值越小說(shuō)明光敏電阻性能越好。若此值很大甚至無(wú)窮大，表明光敏電阻內(nèi)部開(kāi)路損壞。(3)將光敏電阻透光窗口對(duì)準(zhǔn)入射光線，用小黑紙片在光敏電阻的遮光窗上部晃動(dòng)，使其間斷受光，此時(shí)萬(wàn)用表指針應(yīng)隨黑紙片的晃動(dòng)而左右擺動(dòng)。如果指針始終停在某一位置不隨紙片晃動(dòng)而擺動(dòng)，說(shuō)明光敏電阻的光敏材料已經(jīng)損壞。,用萬(wàn)用表粗測(cè)光敏電阻器步驟：,光敏電阻的使用,光敏電阻的重要特點(diǎn)是，光譜響應(yīng)范圍寬，測(cè)光范圍寬，靈敏度高，無(wú)極性之分。但由于材料不同，在性

20、能上差別較大。使用中應(yīng)注意.,1）當(dāng)用于模擬量測(cè)量時(shí)，因光照指數(shù)γ與光照強(qiáng)弱有關(guān)，只有在弱光照下光電流與入射輻射通量成線性關(guān)系。    2）用于光度量測(cè)試儀器時(shí)，必須對(duì)光譜特性曲線進(jìn)行修正，保證其與人眼的光譜光視效率曲線符合。    3）光敏電阻的光譜特性與溫度有關(guān)，溫度低時(shí)，靈敏范圍和峰值波長(zhǎng)都向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，可采取冷卻靈敏面的辦法來(lái)提高光敏電阻在長(zhǎng)波區(qū)的靈敏度。,4）光

21、敏電阻的溫度特性很復(fù)雜，電阻溫度系數(shù)有正有負(fù)，一般說(shuō)，光敏電阻不適于在高溫下使用，溫度高時(shí)輸出將明顯減小，甚至無(wú)輸出。    5）光敏電阻頻帶寬度都比較窄，在室溫下只有少數(shù)品種能超過(guò)1000Hz，而且光電增益與帶寬之積為一常量，如要求帶寬較寬，必須以犧牲靈敏度為代價(jià)。    6）設(shè)計(jì)負(fù)載電阻時(shí)，應(yīng)考慮到光敏電阻的額定功耗，負(fù)載電阻值不能很小。