第03章_光电导探测器

1、数码相机为什么能实现自动曝光？数码相机为什么能实现自动曝光？数码相机数码相机NIKON5第第0303章章 光电导探测器光电导探测器利用半导体光电导效应制成的器件称为利用半导体光电导效应制成的器件称为光电导探光电导探测器测器，简称，简称PC（Photoconductive）探测器又探测器又称为称为光敏电阻光敏电阻。 特点特点 ： 光谱响应：紫外远红外光谱响应：紫外远红外 工作电流大，可达数毫安工作电流大，可达数毫安 可测强光，可测弱光可测强光，可测弱光 灵敏度高，光电导增益大于灵敏度高，光电导增益大于1 1 无极性之分无极性之分光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoe

2、lectric Science and Engineering第第0303章章 光电导探测器光电导探测器3.1 3.1 材料结构原理材料结构原理3.2 3.2 主要特性参数主要特性参数3.4 3.4 偏置电路和应用偏置电路和应用3.1 3.1 材料结构原理材料结构原理3.1.1 3.1.1 材料及分类材料及分类、V V族化合物，硅、锗以及一些有机物等族化合物，硅、锗以及一些有机物等 本征型光敏电阻：本征型光敏电阻：杂质型光敏电阻：杂质型光敏电阻：)nm(12400ggEEhc)nm(12400EEhc注意杂质型：注意杂质型：1.常用常用N型型 2.极低温度下工作极低温度下工作 杂质型光敏电阻：

3、极低温度下工作杂质型光敏电阻：极低温度下工作? ? 以以N N型为例：型为例：EcEvEdEd Ec Ed EgEgEd2. 常温常温-杂质原子束缚电子杂质原子束缚电子或空穴已被热激发成自由态或空穴已被热激发成自由态作为暗电导率的贡献量。长作为暗电导率的贡献量。长波光照波光照,已无束缚电子或束缚已无束缚电子或束缚空穴供光激发用，即光电导空穴供光激发用，即光电导为零或很微弱。为零或很微弱。1.杂质原子浓度远比基质原杂质原子浓度远比基质原子浓度低得多。子浓度低得多。3.1 3.1 材料结构原理材料结构原理3.1.2 光照下的光电导响应过程光照下的光电导响应过程光电导的响应与光生载流子n成正比 曲线

4、的解释：3.1.2 3.1.2 光照下的光电导响应过程光照下的光电导响应过程 0000d( )( )( )dn tgr nn tpp trn pt 光照时：光照时：cc ( )(1e)t /n tg弱光（n(t) =p(t) p0） 初始条件：t =0，n(0) =0 增长率 产生率 复合率 热致产生率 3.1.2 3.1.2 光照下的光电导响应过程光照下的光电导响应过程光照时：光照时：cc( )(1e)t /ntgc01/()p为载流子寿命 t c ( )=gn3.1.2.3.1.2.光照下的光电导响应过程光照下的光电导响应过程光照时：光照时：光照停止时：光照停止时： 0000d( )0(

5、)( )dn tr nn tpp trn pt 0000d( )( )( )dn tgr nn tpp trn pt 增长率 产生率 复合率 热致产生率 光照停止时：光照停止时： 0000d( )0( )( )dn tr nn tpp trn pt cc ( )et /n tg初始条件：t =0，c (0)=gn 3.1.2.3.1.2.光照下的光电导响应过程光照下的光电导响应过程cc ( )(1e)t /n tg弱光照条件下光电导响应的两个基本结论： （1）响应时间（上升时间和下降时间） 等于载流子寿命且为常数（2）稳态光电导 与产生率成线性关系，即与辐射通量成正比cc ( )et /n t

6、g3.1.2.3.1.2.光照下的光电导响应过程光照下的光电导响应过程(a) 光照时 (b) 光照停止时 cc ( )(1e)t /n tg弱光照条件下光电导响应的两个基本结论： （1）响应时间（上升时间和下降时间） 等于载流子寿命且为常数（2）稳态光电导 与产生率成线性关系，即与辐射通量成正比强光照条件下：（讨论） 1 21 2 ( )tanh/n tg / rgrtcc ( )et /n tg3.1.2.3.1.2.光照下的光电导响应过程光照下的光电导响应过程阶跃光照时 0000d( )( )( )dn tgr nn tpp trn pt cc ( )(1e)t /n tg光电导响应：正弦

7、光照时 t0000dedjn tgr nn( t )pp( t )rn pt光电导响应：c022cc11gnn3.1.2.3.1.2.光照下的光电导响应过程光照下的光电导响应过程阶跃光照时cc ( )(1e)t /n tg光电导响应：正弦光照时光电导响应：c022cc11gnn上限截止频率： （频域） HCc12f响应时间： （时域）c光电导响应速度3.1.2.3.1.2.光照下的光电导响应过程光照下的光电导响应过程3.1.3 3.1.3 结构和原理结构和原理3.1 3.1 材料结构原理材料结构原理设样品为N型材料 任务：1.导出电流表达式pn c2zUeIhvl 在x处光生载流子浓度 ccy

8、 z ( )= ( )1 xn xg x(r )ehvl l0y zy z( )(1)xNg xr el lxhvl l3.1.3 3.1.3 结构和原理结构和原理在x处光生载流子浓度 ccy z ( )= ( )1 xn xg x(r )ehvl lx处的光电导率为 cnny z( )= ( )1 xxe n xe(r )ehvl l cny zcny zz( ) ( )(1)(1)xxJ xx Eer eEhvl lUer ehvl ll 漂移电流密度（A/m2）为 3.1.3 3.1.3 结构和原理结构和原理cny zcny zz( ) ( )(1)(1)xxJ xx Eer eEhvl

9、 lUer ehvl ll 漂移电流密度（A/m2）为 光电导探测器 平均光电流 yxyxcpn0000zzn c2z( )d d(1)d d(1)(1)xllllxylUIJ xx yer ex yhvl lleUrehvl pn c2zUeIhvl 3.1.3 3.1.3 结构和原理结构和原理光电导探测器 平均光电流 pn c2zUeIhvl 由此可得到两个结论：(1). 光电导探测器为受控恒流源 (2). 光电导探测器光敏面做成蛇形光敏面做成蛇形3.1.3 3.1.3 结构和原理结构和原理电压源：电压源：RSRL两者关系：两者关系： IS=ES/RS 例如，三极管例如，三极管h h参数等

10、效电路参数等效电路+i-ube+-ubTce+ci+icbebicrcebe+r-cece-u+biru+-beu补充知识补充知识2：受控受控电流源：电流源：光电导探测器 平均光电流 pn c2zUeIhvl (1). 光电导探测器为受控恒流源 微变等效电路 光电阻Rp0-平均光照时 光敏电阻的阻值U-光电阻Rp0上的分电压。利用该等效电路可方便地计算光电导探测器接受交变辐射时的输出信号。使用条件：光通量变化较小 3.1.3 3.1.3 结构和原理结构和原理光电导探测器 平均光电流 pn c2zUeIhvl (1). 光电导探测器为受控恒流源 (2). 光电导探测器光敏面做成蛇形光敏面做成蛇形

11、光电流Ip与长度lz的平方成反比 3.1.3 3.1.3 结构和原理结构和原理光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering光敏电阻结构示意图光敏电阻结构示意图 3.1.3 3.1.3 结构和原理结构和原理2.2.光电导增益光电导增益pn c2zUeIhvl p0eIMhvpcn2z/()IUMehvl 光电导探测器的内增益，也称为光电导增益 3.1.3 3.1.3 结构和原理结构和原理光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineeri

12、ng第第0303章章 光电导探测器光电导探测器3.1 3.1 材料结构原理材料结构原理3.2 3.2 主要特性参数主要特性参数3.3 3.3 偏置电路和应用偏置电路和应用3.2 3.2 主要特性参数主要特性参数1. 光电特性和光电特性和值值2. 2. 光电导灵敏度光电导灵敏度3. 3. 光谱特性光谱特性7. 7. 噪声特性噪声特性4. 4. 频率特性频率特性5. 5. 温度特性温度特性6. 6. 前历效应前历效应1. 1. 光电特性和光电特性和值值光敏电阻的光电流与入射光通量（光照度）光敏电阻的光电流与入射光通量（光照度）之间的关系称光电特性之间的关系称光电特性 USIgpSg比例系数，与材料

13、有关比例系数，与材料有关 为电压指数，为电压指数，1 0.51照度指数照度指数强光强光为为0.5弱光弱光为为1弱光线性弱光线性（测量）（测量）强光非线性强光非线性（控制）（控制） 2. 2. 光电导灵敏度光电导灵敏度UGUESIgpp弱光弱光 ，EUSIgp11GSEGSpgpg或光电导灵敏度：光电导灵敏度： S/1m，S/1x S/W，S/W/cm2 3.2 3.2 主要特性参数主要特性参数3. 3. 频率特性频率特性3.2 3.2 主要特性参数主要特性参数两个阶段： cep0iLip0ip00c(/)R/ RRCRCRC光电导探测器光电导探测器总的响应时间总的响应时间由探测器本身响应时间由

14、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。3. 3. 频率特性频率特性3.2 3.2 主要特性参数主要特性参数Load resistance RL/ 100 1k l0k 100kResponse time tr/ms 5.4 5.5 5.4 5.4CdSe光电导探测器： 光电导探测器光电导探测器总的响应时间总的响应时间由探测器本身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。3. 3. 频率特性频率特性3.2 3.2 主要特性参数主要特性参数引入等效电容 未引入等效电容 弛豫特性弛豫特性 总响应时间 ep0iL

15、0i(/) ()RR RCCcep0iLip0ic(/)R/ RRCRC探测器弛豫特性反映在电路两个时间3. 3. 频率特性频率特性 最高频率最高频率 104HZ10KHZ响应时间响应时间 ms量级量级3.2 3.2 主要特性参数主要特性参数响应时间： 1. 光电 载流子平均寿命 （较大） 2. 外接电路的时间常数 （可忽略）光电导探测器的频率特性差，不适于接收高频光信号。C4. 4. 光谱特性光谱特性 峰值波长在峰值波长在515600nm，接近，接近555nm，可用于与，可用于与人眼人眼有关的仪器，例如照相机、照度计、光度计有关的仪器，例如照相机、照度计、光度计等，加滤光片进行修正等，加滤光

16、片进行修正 3.2 3.2 主要特性参数主要特性参数可见光区可见光区灵敏的几种光敏电阻灵敏的几种光敏电阻 4. 4. 光谱特性光谱特性红外区红外区灵敏的几种光敏电阻灵敏的几种光敏电阻3.2 3.2 主要特性参数主要特性参数4. 4. 光谱特性光谱特性3.2 3.2 主要特性参数主要特性参数每一种器件都有特定的光谱响应波段。常用的光电导探测器组合起来后可以覆盖从可见光、近红外、中红外延伸至极远红外波段的光谱响应范围 常用光电导探测器的光谱响应示意图可见光近红外中红外远红外近中紫外波长增大5. 5. 噪声特性噪声特性光敏电阻噪声：光敏电阻噪声：ffcIfeMIRfkTiiii442nf2ngr2n

17、r2n减小噪声途径：减小噪声途径：光调制技术光调制技术致冷致冷合理偏置电路合理偏置电路3.2 3.2 主要特性参数主要特性参数总结：总结： 常用光电导探测器常用光电导探测器 光电导探测器波长响应范围光电导探测器波长响应范围按工作波长：按工作波长： 按材料分，两大类型：按材料分，两大类型：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电阻紫外光响应紫外光响应可见光响应可见光响应红外光响应红外光响应紫外光紫外光可见光可见光红外极远红外光红外极远红外光碲镉汞碲镉汞(HgCdTe)系列光敏电阻系列光敏电阻Hg1-xCdxTe 合金法：合金法：CdTe HgTe x是是Cd含量组分含量组分x=0

18、.2，光谱响应，光谱响应814m x=0.28，光谱响应，光谱响应35m x=0.39，光谱响应，光谱响应13m 工工作作温温度度 光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering3.3 3.3 偏置电路偏置电路1 1基本偏置电路及直流参数的计算基本偏置电路及直流参数的计算2 2几种典型的偏置电路几种典型的偏置电路3 3光敏电阻应用举例光敏电阻应用举例3.3.1 3.3.1 基本偏置电路及直流参数的计算基本偏置电路及直流参数的计算为使器件正常工作，提供合适的电流或者电压。为使器件正常工作，提供合适的电流或者电压。

19、TRb+VCCcR偏置电路偏置电路: :例如：例如：意义：意义：1.1.提高探测灵敏度提高探测灵敏度2.2.降低噪声降低噪声3.3.提高频率响应提高频率响应偏置电压偏置电压偏置电阻偏置电阻3.3 3.3 偏置电路偏置电路基本偏置电路基本偏置电路: :直流参数计算直流参数计算:1）. 计算计算Ub, RL2）. 计算计算 对应的输出电压对应的输出电压3.3 3.3 偏置电路偏置电路3.3.1 3.3.1 基本偏置电路及直流参数的计算基本偏置电路及直流参数的计算1）. 计算计算Ub, RLLbIRUUmaxPIUPmax2bL4PUR3.3 3.3 偏置电路偏置电路2）. 计算计算 对应的输出电压

20、对应的输出电压pLbRRUIp2pLbRRRUI USRRRIg b2pL2pUSRRRRRIUg bL2pL2pLLSRGg p13.3 3.3 偏置电路偏置电路1 1恒流偏置电路恒流偏置电路 RLRP pLbRRUILbRUI USRRRIg b2pL2pRRUSIg 2Lpb特点特点: 信噪比高弱信号检测信噪比高弱信号检测3.3 3.3 偏置电路偏置电路3.3.2 3.3.2 几种典型偏置电路几种典型偏置电路2 2恒压偏置电路恒压偏置电路RLRP 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3.3 3.3 偏置电路偏置电路3.3.2 3.3.2 几种典型偏置电路几种典

21、型偏置电路LbIRUUbUU USRUgbLLUSRRRRUgbL2pL2pL恒压偏置电路恒压偏置电路RLRP RRUSIg 2Lpb如何增大输出信号？如何增大输出信号？光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering恒流偏置电路恒流偏置电路恒压偏置电路恒压偏置电路3.3 3.3 偏置电路偏置电路光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering数码相机为什么能实现自动曝光？数码相机为什么能实现自动曝光？数码相机数码相机NIKON53光电导探测器噪声主要包括：光电导探测器噪声主要包括： 热噪声、热噪声、g-r噪声和噪声和1f噪声噪声本章小结：本章小结：1利用半导体光电导效应制成的器件称为光电导探测器：利用半导体光电导效应制成的器件称为光电导探测器： 本征光电导探测器本征光电导探测器和和杂质光电导探测