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文档简介

1、2021/2/71 第一节、光敏电阻的工作原理第一节、光敏电阻的工作原理 第二节、光敏电阻的主要特性参数第二节、光敏电阻的主要特性参数 第三节、几种常用的光敏电阻第三节、几种常用的光敏电阻 第四节、光敏电阻的基本偏置电路和噪声第四节、光敏电阻的基本偏置电路和噪声 第五节、应用举例第五节、应用举例 第五章第五章 半导体光电导器件半导体光电导器件 简称简称PCPC(PhotoconductivePhotoconductive)探测器)探测器 2021/2/72 光敏电阻定义光敏电阻定义:利用半导体材料的光电导效应制成利用半导体材料的光电导效应制成 的光电探测器。的光电探测器。 最典型的光电导器件是

2、光敏电阻最典型的光电导器件是光敏电阻 优点优点: 光谱响应宽光谱响应宽:紫外极远红外紫外极远红外 工作电流大工作电流大,可达数毫安可达数毫安 可测强光可测强光,可测弱光可测弱光 灵敏度高灵敏度高,光电导增益大于光电导增益大于1 偏置电压低偏置电压低,无极性之分无极性之分 缺点缺点: 强光照射下强光照射下,光电转换线性较差光电转换线性较差 光电弛豫过程较长光电弛豫过程较长 频率响应很低频率响应很低 2021/2/73 第一节、光敏电阻的工作原理第一节、光敏电阻的工作原理 1、工作原理及类型、工作原理及类型 2021/2/74 分类分类 本征型光敏电阻本征型光敏电阻: : 杂质型光敏电阻杂质型光敏

3、电阻: : )nm( 1240 0 gg EE hc )nm( 1240 0 EE hc 1.常用常用N型型(迁移率高迁移率高,性能稳定性能稳定) 2.极低温度下工作极低温度下工作 2021/2/75 暗电流与光电流暗电流与光电流 000 0 0 () 1 p d dd VAq np VAVVV I RL ALL L A 2 () nnpnpp p V L VAqnpqN VA I LL ; p n N N np A LA L 结论结论: :光电流与光电流与V,V,成正比成正比, ,与与L L2 2成反比成反比 N:N:单位时间产生单位时间产生 的电子空穴对数的电子空穴对数 2021/2/76

4、 蛇形蛇形: :减小减小L,L,但受光面但受光面 积不致太小积不致太小 2021/2/77 第一节、光敏电阻的工作原理第一节、光敏电阻的工作原理 第二节、光敏电阻的主要特性参数第二节、光敏电阻的主要特性参数 第三节、几种常用的光敏电阻第三节、几种常用的光敏电阻 第四节、光敏电阻的基本偏置电路和噪声第四节、光敏电阻的基本偏置电路和噪声 第五节、应用举例第五节、应用举例 第五章第五章 半导体光电导器件半导体光电导器件 2021/2/78 第二节、光敏电阻的主要特性参数第二节、光敏电阻的主要特性参数 一、光电导增益一、光电导增益(M) 二、光谱响应率二、光谱响应率 三、时间常数三、时间常数 四、光电

5、特性与四、光电特性与值值 五、前历效应五、前历效应 六、温度特性六、温度特性 2021/2/79 一、光电导增益一、光电导增益(M) 定义定义:光电导受光照工作时光电导受光照工作时,外部光电流与光电子外部光电流与光电子 形成的内部电流(形成的内部电流(qN)之间的比值)之间的比值: 内部光电流内部光电流 N为单位时间内产生(涌出)的载流子数量为单位时间内产生(涌出)的载流子数量,这里这里 以内部光电流命名以内部光电流命名,但并无电流的方向性但并无电流的方向性 量子效率量子效率 表示一个光子所能产生的电子表示一个光子所能产生的电子-空穴对数空穴对数 P I M qN 2021/2/710 222

6、 p nnppnnppnp I VVV MMM qNLLL 电子增益系数电子增益系数 空穴增益系数空穴增益系数 另一表示形式另一表示形式 n n n M t p p p M t tn,tp为载流子在两极间渡越时间为载流子在两极间渡越时间 11 () p n np npnpdr MMM ttttt dr t为载流子两极间有效渡越时间为载流子两极间有效渡越时间 2021/2/711 二、光谱响应率二、光谱响应率 定义定义:特定波长下特定波长下,输出光电流(电压)与入输出光电流(电压)与入 射辐射通量之比。射辐射通量之比。 ( ) ( ) ( ) p I q SM hC ( )( ) ( ) p d

7、r IqMq hht 2021/2/712 三、时间常数三、时间常数 一般对于光脉冲信号用响应时间一般对于光脉冲信号用响应时间来描述来描述 对于正弦调制的光信号则用频率响应来描述对于正弦调制的光信号则用频率响应来描述 截至频率截至频率:幅值下降到零频时的幅值下降到零频时的0.707,功率为零频功率为零频 时的一半。时的一半。 1 2 f 2021/2/713 Lp0iLip0p00 = (/) i RRRCRCRC 光电导探测器总的响应时间由探测器本身响应时间光电导探测器总的响应时间由探测器本身响应时间 决定决定 ,与外接负载电阻大小无关。与外接负载电阻大小无关。 光电导的响应时间由载流子产生

8、与复合运动决定光电导的响应时间由载流子产生与复合运动决定, 即为光生载流子平均寿命即为光生载流子平均寿命所决定。所决定。 zongp0iL i0 =(/) 0 RRR CC 等效电容等效电容C0一般画出一般画出,因为不适用于因为不适用于RL和和Ri很小的很小的 情况情况,因为器件的时间特性并不随外电路而变因为器件的时间特性并不随外电路而变 通常通常Ci远小于远小于C0 p00 RC 2021/2/714 四、光电特性与四、光电特性与值值 定义定义:光电流与入射光通量之间的关系光电流与入射光通量之间的关系 弱光照射时弱光照射时,光电流和光通量关系呈线性光电流和光通量关系呈线性 照射光变强时照射光

9、变强时,和和tdr发生变化发生变化,光电流和光通光电流和光通 量关系呈非线性量关系呈非线性,可表示为可表示为: Sg光电导灵敏度光电导灵敏度,照度指数。照度指数。=0.51。 ( ) ( ) p dr Iq ht ( ) Pg IS VE ( ) Pg IS V 2021/2/715 弱光照时弱光照时,为为 =1时时,称为直线性光电导称为直线性光电导; 强光照时强光照时,为为 =0.5,称为非线性光电导称为非线性光电导 2021/2/716 亮电流亮电流: ( ) Pgp IS VEg V pgg gS ES () pdpdgd IIIg Vg VS Eg VgV pd ggg 1 1 ( )

10、 lglglg p Pg pg V R IS E RSE =1时时, gp称为光敏电阻光电导称为光敏电阻光电导 2021/2/717 前历效应前历效应 定义定义:测试前光敏电阻所处的状态(无或有光照)对测试前光敏电阻所处的状态(无或有光照)对 光敏电阻后续测量的影响。光敏电阻后续测量的影响。 短(暗)态前历效应短(暗)态前历效应 无光照放置无光照放置3分钟分钟-1lx照度测不同时刻阻值照度测不同时刻阻值- R0/R测 测 时间时间(S)125101520306090 阻值阻值(K)6.5 65.5 5.2 5.2 5.2 5.2 5.1 5.0 2021/2/718 中(亮)态前历效应中(亮)

11、态前历效应 无光照放置一天无光照放置一天-100lx照度测阻值照度测阻值R1 1000lx放置放置15分钟分钟- 100lx照度测阻值照度测阻值R2 (R2-R1)/R1 元件编号元件编号123456 R12.745.062.252.421.452.23 R22.895.242.392.61.482.31 (R2-R1)/R1% 5.53.66.27.423.6 2021/2/719 温度特性温度特性 温度的变化温度的变化,导致其长波限、峰值响应波长、响应导致其长波限、峰值响应波长、响应 率等都发生变化。率等都发生变化。 为了提高灵敏度为了提高灵敏度,必须采用冷却装置必须采用冷却装置,尤其是杂

12、质尤其是杂质 型半导体受温度影响更明显。型半导体受温度影响更明显。 2021/2/720 第一节、光敏电阻的工作原理第一节、光敏电阻的工作原理 第二节、光敏电阻的主要特性参数第二节、光敏电阻的主要特性参数 第三节、几种常用的光敏电阻第三节、几种常用的光敏电阻 第四节、光敏电阻的基本偏置电路和噪声第四节、光敏电阻的基本偏置电路和噪声 第五节、应用举例第五节、应用举例 第五章第五章 半导体光电导器件半导体光电导器件 2021/2/721 第三节、几种常用的光敏电阻第三节、几种常用的光敏电阻 硫化镉硫化镉(CdS) .CdS是是可见光区可见光区最灵敏光电导器件最灵敏光电导器件,CdS 的响应波长范围

13、的响应波长范围0.30.8微米微米,峰值波长峰值波长0.52 微米微米,接近人眼最敏感的波长。接近人眼最敏感的波长。 .CdS光敏电阻的亮暗电导比在光敏电阻的亮暗电导比在10lx照度照度 上可达上可达1011(一般为(一般为106),响应度为响应度为50A/lm, 响应时间为响应时间为ms s。 .广泛地用于自动控制灯光广泛地用于自动控制灯光,自动调焦和自自动调焦和自 动相机中动相机中 2021/2/722 硫化铅硫化铅(PbS) .PbS光敏电阻是光敏电阻是近红外区近红外区最灵敏的光电导探测最灵敏的光电导探测 器件。器件。 响应波长范围响应波长范围:1.03.5微米微米,峰值响应波长为峰值响

14、应波长为2.4微微 米米,峰值探测率峰值探测率: D*=1.5*1011cm.Hz0.5/W 冷却到干冰温度冷却到干冰温度195K时时,光谱响应范围为光谱响应范围为1.04.0 微米微米,峰值波长延伸到峰值波长延伸到2.8微米微米,归一化探测率可提高归一化探测率可提高 一个数量级。一个数量级。 .缺点缺点:响应时间长响应时间长,室温条件下为室温条件下为100300 ms.低低 温下温下(77K)可达几十可达几十ms。 2021/2/723 锑化铟锑化铟lnSb 室温下长波限可达室温下长波限可达7.5微米微米,峰值探测率峰值探测率 D*=1.2*109cm.Hz0.5/W ,时间常数为时间常数为

15、2*10-2 微秒。冷却到微秒。冷却到77K(液氨)时(液氨)时,长波限减少长波限减少 到到5.5微米微米,响应时间为响应时间为1微秒。这时微秒。这时InSb光光 敏电阻所对应的峰值波长刚好在大气窗口敏电阻所对应的峰值波长刚好在大气窗口 35微米光谱范内微米光谱范内,因此得到广泛应用。因此得到广泛应用。 2021/2/724 碲镉汞碲镉汞Hg1-xCdxTe光敏电阻光敏电阻: a、它是目前所有探测器中性能最优良最有、它是目前所有探测器中性能最优良最有 前途的探测器前途的探测器,尤其对尤其对8-14微米大气窗口波微米大气窗口波 段的探测。段的探测。 b、它由化合物、它由化合物CdTe和和HgTe

16、两种材料的混两种材料的混 合晶体制备而成。由于合晶体制备而成。由于Cd组分(组分(X量量 mol物质的量)不同物质的量)不同,得到不同的得到不同的Eg值。值。X变变 化范围化范围1.8-0.4,对应探测长波限对应探测长波限3-30微米微米 2021/2/725 碲锡铅系列光敏电阻碲锡铅系列光敏电阻 a、由、由PbTe和和SnTe两种材料的混合晶体制两种材料的混合晶体制 备。备。Eg变化范围不大变化范围不大,只能制造出长波限大只能制造出长波限大 于于2.5um的探测器的探测器. b、能工作在、能工作在814微米波段微米波段,但探测率但探测率D*低低, 应用不广泛。应用不广泛。 2021/2/72

17、6 第一节、光敏电阻的工作原理第一节、光敏电阻的工作原理 第二节、光敏电阻的主要特性参数第二节、光敏电阻的主要特性参数 第三节、几种常用的光敏电阻第三节、几种常用的光敏电阻 第四节、光敏电阻的基本偏置电路和噪声第四节、光敏电阻的基本偏置电路和噪声 第五节、应用举例第五节、应用举例 第五章第五章 半导体光电导器件半导体光电导器件 2021/2/727 第四节、光敏电阻的基本偏置电路第四节、光敏电阻的基本偏置电路 和噪声和噪声 基本偏置电路基本偏置电路 Lb IRUU max PIUP 科科1414 2021/2/728 对应的输出电流电压对应的输出电流电压 pL b RR U I p 2 pL

18、b R RR U I US RR R I g b 2 pL 2 p USR RR R RIU g bL 2 pL 2 p LL p 2 pp 11 pg g R GS RR S 2021/2/729 1 1恒流偏置电路恒流偏置电路 RLRP 几种典型偏置电路几种典型偏置电路 pL b RR U I L b R U I 由于由于RL较大较大,偏置电压通常在偏置电压通常在100V以上以上,为降为降 低电源电压低电源电压,通常采用晶体管作恒流器件通常采用晶体管作恒流器件 2021/2/730 特点特点: 信噪比高弱信号检测信噪比高弱信号检测 2021/2/731 2 2恒压偏置电路恒压偏置电路 RL

19、RP 特点特点: 输出信号与光敏电阻无关更换输出信号与光敏电阻无关更换 Lb IRUU b UU USRU g bLL USR RR R U g bL2 pL 2 p L 2021/2/732 bbe p R UUU 2021/2/733 3 3恒功率偏置电路恒功率偏置电路 RL=RP, 2 b max 1 224 b LLb LL UU PI VU RR 不同光照不同光照(1 12 2) )对应不同对应不同R RP P (R (RP1 P1R Rp2 p2) ) 12Lpp RR R得到最大得到最大VVL L 2021/2/734 噪声噪声 热噪声热噪声+产生产生-复合噪声复合噪声+1/f噪

20、声噪声 产生复合噪声产生复合噪声 1/f噪声噪声 热噪声热噪声 )2(1 4 2 0 2 2 fN fI in 21 nf B I if f 2 nr 4 pL pL RR ikTf RR 2222 nngrnfnt iiii 总噪声总噪声 2021/2/735 减小噪声方法减小噪声方法 高频调制减小噪声高频调制减小噪声 制冷降低热噪声制冷降低热噪声 选择最佳偏流选择最佳偏流 f100Hzf100Hz 1/f1/f噪声为主噪声为主 100Hzf1000Hz100Hzf1000Hzf1000Hz 热噪声为主热噪声为主 2021/2/736 第一节、光敏电阻的工作原理第一节、光敏电阻的工作原理 第二节、光敏电阻的主要特性参数第二节、光敏电阻的主要特性参数 第三节、几种常用的光敏电阻第三节、几种常用的光敏电阻

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