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1、3.2 光电导探测器 (PC-Photoconductive),某些物质吸收了光子的能量产生本征吸收或杂质吸收，从而改变了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（如硅、锗等本征半导体与杂质半导体，硫化镉、硒化镉、氧化铅等）可以制成电导随入射光度量变化的器件，称为光电导器件。最典型的光电导器件是光敏电阻。,3.2.1 光敏电阻的工作原理和结构 3.2.2 光敏电阻的特性参数 3.2.3 光敏电阻的变换电路 3.2.4 常用光敏电阻 3.2.5 小结 3.2.4 应用实例,3.2.1 光敏电阻的工作原理和结构,图示为光敏电阻的原理与器件符号图。在均匀的具有光电导效应的半导体
2、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Ubb后，当光照射到光电导体上，由光照产生的光生载流子在外加电场作用下沿一定方向运动，在电路中产生电流Ip，用检流计可以检测到该电流。,一。光敏电阻工作原理,光敏电阻演示,当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。,暗电流（越小越好）,光电导增益参见书上推导过程p173p175,M1的理解,光电导内增益,说明载流子已经渡越完毕，但载流子的平均寿命还未中止。这种现象可以这样理解：光生电子向正极运动，空穴向负极运动，可是空穴的移动可能被晶体缺陷和杂质形成的俘获中心陷阱所俘获。因此，当电子到达正极消失时，陷阱俘
3、获的正电中心（空穴）仍留在体内，它又会将负电极的电子感应到半导体中来，被诱导进来的电子又在电场中运动到正极，如此循环直到正电中心消失。这就相当放大了初始的光生电流。,如何提高M,光电导内增益,选用平均寿命长、迁移率大的半导体材料； 减少电极间距离； 加大偏压,参数选择合适时，M值可达102量级,光敏电阻 分类,本征型,掺杂型,入射光子的能量大于或等于半导体的禁带宽度时能激发电子空穴对,入射光子的能量大于或等于杂质电离能时就能激发电子空穴对,常用于可见光波段测试,常用于红外波段甚至远红外测试,常用光电导材料,每一种半导体或绝缘体都有一定的光电导效应，但只有其中一部分材料经过特殊处理，掺进适当杂质
4、，才有明显的光电导效应。现在使用的光电导材料有-族、-族化合物，硅、锗等，以及一些有机物。,光敏电阻的结构:在一块光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其它绝缘材料基板上，两端接电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。,二. 光敏电阻的基本结构,光敏面作成蛇形，电极是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。这种梳状电极可以保证有较大的受光表面，也可以减小电极之间距离，从而减小极间电子渡越时间，提高灵敏度。,（a）梳状结构：梳形电极间距很小，之间为光敏电阻材料，灵敏度高。 （b）蛇形结构：光敏面为蛇形，两侧为金属导电材料，并在其上设置电极。 （c）刻线式结构：在制备好
5、的光敏电阻衬基上刻出狭窄的光敏材料条，再蒸涂金属电极。,导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。 灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。,光敏电阻实物图,当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。,光电导效应：在光作用下使物体的电阻率改变的现象.,3.2.2 光敏电阻的主要特性参数,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。光敏电阻的基本特性参数包含光电导特性、时间响应、光谱响应、伏安特性与噪声特性等。,一、光谱响应率,光谱响应率表示在某
6、一特定波长下，输出光电流(或电压)与入射辐射能量之比,光谱响应率为,由,和,多用相对灵敏度曲线表示。,在可见光区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线 1-硫化镉单晶 2-硫化镉多晶 3-硒化镉多晶 4-硫化镉与硒化镉混合多晶,由图可见，这几种光敏电阻的光谱特性曲线覆盖了整个可见光区，峰值波长在515600nm之间。因此可用于与人眼有关的仪器，例如照相机、照度计、光度计等。但它们的形状与V()曲线还不完全一致。如直接使用，与人的视觉还有一定的差距，所以必须加滤光片进行修正，使其特性曲线与V()曲线完全符合，这样即可得到与人眼视觉相同的效果。,二、光谱特性,在红外区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线,三
7、. 噪声特性,热噪声（1MHz）,产生复合噪声(1kHz1MHz),电流噪声（低频）,高频,低频,高频,低频,1、噪声及探测率,/f,热噪声,产生复合噪声,总噪声,f,fc,0,总噪声,2. 噪声对偏流的影响,四.伏安特性,加在光敏电阻两端的电压U与流过它的电流Ip的关系曲线，并称其为光敏电阻的伏安特性。,典型CdS光敏电阻的伏安特性曲线,图中的虚线为额定功耗线。使用光敏电阻时，应使电阻的实际功耗不超过额定值。从图上来说，就是不能使静态工作点居于虚线以内的区域。按这一要求在设计负载电阻时，应不使负载线与额定功耗线相交。,五、光电特性和值,光电特性：光电流与入射光通量（照度）的关系,1. 弱光照
8、射时：光电流与光通量（照度）成正比，即保持线性关系,式中gp称为光敏电阻的光电导, Sg为单位电场下的光电导灵敏度， E为光敏电阻的照度。,2. 强光照射时， 光电流与光通量（照度）成非线性。,为光电转换因子，是一个随光度量变化的指数,与材料和入射光强弱有关，对于硫化镉光电导体，在弱光照下1，在强光照下1/2，一般0.51。在通常的照度范围内(10-1104lx)，的值接近于1,如图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。,电阻照度关系曲线,在实际使用时，常常将光敏电阻的光电特性曲线改用如图所示的两种坐标框架特性曲线。其中(a)
9、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。,值为对数坐标下特性曲线的斜率。R1与R2分别是照度为E1和E2时光敏电阻的阻值。,六、前历效应,前历效应是指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种现象。前历效应有暗态前历与亮态前历之分。,暗态前历效应：是指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后表现为暗态。前历越长，光电流上升越慢。 其效应曲线如下图所示。一般，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重。,硫化镉光敏电阻的暗态前历效应曲线 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
10、后,亮态前历效应 指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，其效应曲线如下图所示。一般，亮电阻由高照度状态变为低照度状态达到稳定值时所需的时间要比由低照度状态变为高照度状态时短。,硫化镉光敏电阻亮态前历效应曲线,七、温度特性,光敏电阻的温度特性很复杂，在一定的照度下，亮电阻的温度系数（有正有负）,R1、R2分别为与温度T1、T2相对应的亮电阻。,光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。,右图所示为典型CdS（实线）与CdSe（虚线）光敏电阻在不同照度下的温度特性曲线。可以看出这两种光敏电阻的相对光电导率随温度的升高而下降，亮电阻变大。
11、,硫化镉的光电流I和温度T的关系,温度升高，亮电阻变大，电流变小,温度对光谱响应也有影响。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流I和温度T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波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。,温度改变光谱响应,一般n型半导体的EF位于Ei之上Ec之下的禁带中。 EF既与温度有关，也与杂质浓度ND有关： 一定温度下掺杂浓度越高，费米能级EF距导带底Ec越近； 如果掺杂一定，温度越高EF距Ec越远，也就是越趋向Ei。,Si中不同掺杂浓度条件下费米能级与温度的关系,八. 响应时间
12、和频率响应,光敏电阻的响应时间（又称为惯性）比其他光电器件要差些（惯性要大），频率响应要低些，而且具有特殊性。当用一个理想方波脉冲辐射照射光敏电阻时，光生电子要有产生的过程，光生电导率要经过一定的时间才能达到稳定。当停止辐射时，复合光生载流子也需要时间，表现出光敏电阻具有较大的惯性。 通常光敏电阻的响应时间与入射辐射的强弱有关，光照越强其时间常数越小，光照越弱其时间常数越大。下面分别讨论。,1. 弱辐射作用情况下的时间响应,t0,t=0,对于本征光电导器件在非平衡状态下光电导率和光电流I随时间变化的规律为,当t=时， =0.630，I=0.63Ie0；,定义r为光敏电阻的上升时间常数,停止辐射
13、时，入射辐射通量为,t=0,t0,光电导率和光电流随时间变化的规律为,显然，光敏电阻在弱辐射作用下的上升时间常数r与下降时间常数f近似相等。,当t=， =0.370，I=0.37Ie0；,定义f为下降时间常数,2. 强辐射作用情况下的时间响应,t0,t=0,光电导率和光电流变化的规律为,当t=时， =0.760，I=0.76Ie0；,定义r为光敏电阻的上升时间常数,停止辐射时，入射辐射通量为,t=0,t0,光电导率和光电流随时间变化的规律为,当t=， =0.50，I=0.5Ie0；,定义f为下降时间常数,频率响应特性,光敏电阻是依靠非平衡载流子效应工作的，非平衡载流子的产生与复合都有一个时间过
14、程，这个时间过程在一定程度上影响了光敏电阻对变化光照的响应。光敏电阻采用交变光照时，其输出将随入射光频率的增加而减小。,1-硒 2-硫化镉 3-硫化铊 4-硫化铅,f3dB,通常，CdS的响应时间在几十毫秒至几秒；CdSe的响应时间约为10-210-3s；PbS约为10-4s。由此可见，要达到稳定输出，频率响应不会超过10kHz，一般为1kHz。,增益带宽积意义：当一个器件制作完后，外加电压确定后，增益带宽积为常量。也就是说，光电导器件的频带宽度和光电增益是矛盾的，二者不可兼容，灵敏度高的光电导器件，频带必然窄。,忽视外电路时间常数影响时，响应时间等于光生载流子平均寿命,增益带宽积,3.2.3
15、 光敏电阻的变换电路,：探测器电阻,：偏置电阻（或负载电阻）,一、基本偏置的静态设计,1. 图解法,负载回路方程,伏安曲线,负载线,伏安特性,（缓变辐射）,2. 解析法,偏置电流,输出点电压,光敏电阻功耗,入射辐射变化时，偏置电阻RL两端的输出信号电流、电压变化为,？,电路参数确定后，输出信号变化与入射辐射量的变化成线性关系。,设入射于光敏电阻的辐射为调制辐射正弦，,基本偏置电路,二、基本偏置的动态设计,思考：用图解法如何分析？,输出的交流部分电流,输出的交流部分电压,检测微弱信号时需考虑器件的固有噪声：,热噪声、产生复合噪声及/f噪声,光敏电阻若接收调制辐射，其噪声的等效电路如图所示,考虑噪
16、声时的噪声等效电路,三、输出信号特性分析,令,从功率匹配和最大信噪比两个方面分析： VS和VB、RL的关系,推导：将式,对,求导，并令等式为零以求解,的最大值，即:,则仅,有极大值：,此时称为功率匹配，输出信号电压的变化也最大。,1. 功率匹配,VB是否能无穷大？,（1） VS与RL的关系,（定负载线斜率）,(2) VS和VB的关系 (由功耗线确定VB ),增大，,也随之增大，但功耗,也会增大，导致探测器损坏。,因此对应一定功耗存在一偏置电压最大值,例：PbS最大功耗为0.2W/cm2，使用时要低于比值0.1W/cm2,解：由,其中，,为探测器光敏面积（单位：平方厘米）,存在一个最佳偏流，其对
17、应最高信噪比，信噪比较大时所对应的偏压要比最大可加电压VBmax小 。,2. 信噪比最佳时偏置条件的确定,g-r 噪声,1/f 噪声,偏置电流,输出点信号电压,在满足功耗的前提下，根据系统要求综合考虑信号幅度和信噪比。,最佳偏压的确定,分析：流过探测器的电流近似恒定电流，与Rd无关,不随光辐射的变化而变化。,1. 恒流偏置,四、光电导探测器三种偏置方式,特点：信号受探测器电阻影响严重！,例：高阻PC探测器的恒流偏置电路,课本p276图4.12,如果采用左图简单的恒流偏置电路要求RLRd，又要IL较大，则VB要求很高电压。 例：VB（RLRd）IL=(500K+100K)0.5mA=300 V,
18、例：锑化铟（InSb）PC探测器（77K）的恒流偏置电路,2.恒压偏置,分析：探测器上的电压近似等于VB，与Rd无关，基本恒定，与光辐射变化无关。但流过探测器的偏流不恒定，随Rd变化。,特点：输出信号电压不受探测器电阻Rd的影响!,例：硫化铅（PbS）PC探测器的恒压偏置,课本p276图4.14,课本p276图4.13,特点：与上两种偏置比较，当Rd变化时探测器上的功率变化最小(恒功率的来源)。 输出信号电压的变化也最大（如前分析）。,3. 恒功率偏置（匹配偏置）,功率匹配,例：锑化铟（InSb）光电导探测器（77K）的匹配偏置电路,由偏置电压源（12V）和R1，DW1,R2,R3以及C1构成
19、的稳压滤波电路提供稳定的偏置电压。探测器暗阻（77K时）为1.8k，RL亦为1.8k，构成匹配偏置。注意该处的稳压管DW2用来保护探测器，使之两端电压不超过额定值。,4. 三种偏置方式比较,（1）从响应度和偏置电压源方面比较,恒流偏置（RLRd，取RL=10Rd),匹配偏置（RL = Rd）,恒压偏置（RLRd，取RL=Rd/10）,响应度: 恒流偏置匹配偏置恒压偏置,由于恒流偏置需要很高的VB，在实用中可采用匹配偏置而获得与恒流偏置相当的响应度。,偏置电压: 恒流偏置匹配偏置恒压偏置,（2）从放大器输出的S/N比较,当探测器与放大器系统的噪声以放大器的非热噪声（1/f噪声, g-r噪声）和前
20、放的In为主时，信噪比与偏置方式无关（即与RL无关）。,当系统以探测器的热噪声和前放的En为主时：,恒流偏置S/N匹配偏置S/N恒压偏置S/N。,5小结 （1）PC探测器一定要加偏置电路。 （2）设计偏置电路时（确定VB和RL ），首先要根据所用探测器的信号噪声及S/N输出对偏置电流IL的关系曲线选定IL值。通常在S/N最大值范围内选取。 （3）选定IL值，再根据系统情况选择偏置方式来确定RL值。 一般按 S/N大为准则，优先选用恒流偏置，即RL Rd（一般为RL10Rs），无必要或不便采用恒流偏置时，可用恒压和匹配偏置。 选用恒压偏置时，一般使10RLRd，其信号输出幅值稳定，受Rd变化影响
21、小。 对于高阻探测器（ Rd一般大于1M），一般不采用恒流偏置（偏压要相当高），同时如对响应时间也有较高要求，则RL就不能选大，而常采用恒压偏置或匹配偏置。 （4）根据VB IL （RL+Rs），在Rd，RL，IL已定下，算出VB值，且满足VBVBmax，否则需重新设计选定。,判断电路的偏置方式,3.2.4 常用光敏电阻,光谱响应范围宽， 测光范围宽， 灵敏度高， 无极性之分, 价格便宜, 强光照射下线性较差，频率特性也较差。,光敏电阻的重要特点是：,光敏电阻按光谱范围可分为紫外、可见光、红外；按晶体结构分为单晶和多晶；按制作工艺分为薄膜烧结型和真空蒸发型。,几种常用的光敏电阻,光敏电阻,紫外
22、,硫化镉(CdS)和硒化镉(CdSe),可见,硫化铊(TiS)、硫化镉(CdS)和硒化镉(CdSe),红外,硫化铅(PbS)、碲化铅(PbTe)、 锑化铟(InSb)、碲汞镉（Hg1-xCdxTe）,光敏电阻常用光电导材料,一、CdS光敏电阻,CdS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，它在可见光波段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，照相机的自动测光等。,CdS光敏电阻的峰值响应波长为0.52m，CdSe光敏电阻为0.72m，一般调整S和Se的比例，可使Cd（S，Se）光敏电阻的峰值响应波长大致控制在0.520.72m范围内。,CdS光敏电阻
23、的光敏面常为蛇形光敏面结构。,二.PbS光敏电阻,PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件。特别是在2m附近的红外辐射的探测灵敏度很高，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，随着工作温度的降低其峰值响应波长和长波长将向长波方向延伸，且比探测率D*增加。 例如，室温下的PbS光敏电阻的光谱响应范围为13.5m，峰值波长为2.4m，峰值比探测率D*高达11011cmHzW-1。当温度降低到（195K）时，光谱响应范围为14m，峰值响应波长移到2.8m，峰值波长的比探测率D*也增高到21011cmHzW-1。,三.InSb光敏电阻,InSb光敏电
24、阻是35m光谱范围内的主要探测器件之一。,InSb材料不仅适用于制造单元探测器件，也适宜制造阵列红外探测器件。,InSb光敏电阻在室温下的长波长可达7.5m，峰值波长在6m附近，比探测率D*约为11011cmHzW-1。当温度降低到77K（液氮）时，其长波长由7.5m缩短到5.5m，峰值波长也将移至5m，恰为大气的窗口范围，峰值比探测率D*升高到21011cmHzW-1。,四. Hg1-xCdxTe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H
25、gTe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。一般组分x的变化范围为0.180.4，长波长的变化范围为130m。,实例一,Infrared detector module with preamp,P4245,实例二,PbS photoconductive detector,P9217-03,3.2.5 小结,光电导探测器具有内增益M特性， M与材料器件性质和外加电场大小有关。 当用于模拟量测量时，因光照指数与光照强弱有关，只有在弱光照下光电流与
26、入射辐射通量成线性关系。 用于光度量测试仪器时，必须对光谱特性曲线进行修正，保证其与人眼的光谱光视效率曲线符合。 光敏电阻的光谱特性与温度有关，温度低时，灵敏范围和峰值波长都向长波方向移动，可采取冷却灵敏面的办法来提高光敏电阻在长波区的灵敏度。,光敏电阻的温度特性很复杂，电阻温度系数有正有负，一般说，光敏电阻不适于在高温下使用，温度高时输出将明显减小，甚至无输出。 光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下只有少数品种能超过1kHz，而且光电增益与带宽之积为一常量，如要求带宽较宽，必须以牺牲灵敏度为代价。 设计负载电阻时，应考虑到光敏电阻的额定功耗，负载电阻值不能很小。 进行动态设计时，应意识到光敏电
27、阻的前历效应。,怎样检查光敏电阻的好坏,光敏电阻的好坏可用万用表测量。当没有光照在光敏电阻上时，光敏电阻的阻值应在1M以上，当有较强光照在光敏电阻上时，光敏电阻的阻值应在10k以下。一般光敏电阻的电阻值不受光照时是受光照射时的1001000倍。,用万用表测量光敏电阻的好坏,3.2.6 应用举例,一、照明灯的光电控制电路,如图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（整流二极管D和滤波电容C）,测光与控制的电路（限流电阻R、光敏电阻及继电器绕组）,执行电路（继电器的常闭触头）,设使照明灯点亮的光照度为EV ，继电器绕组的直流电阻为
28、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。,二、火焰探测报警器,图示为采用光敏电阻为探测元件的火焰探测报警器电路。PbS光敏电阻的暗电阻的阻值为1M，亮电阻的阻值为0.2M(幅照度1mw/cm2下测试)，峰值响应波长为2.2m，恰为火焰的峰值辐射光谱。,三、照相机电子快门,图所示为利用光敏电阻构成的照
29、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
30、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,