改 5半导体光电导器件

1、 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 光敏电阻定义：利用半导体材料的光电导效应制光敏电阻定义：利用半导体材料的光电导效应制成的光电探测器。成的光电探测器。 最典型的光电导器件是光敏电阻最典型的光电导器件是光敏电阻 优点

2、：优点： 光谱响应宽：紫外极远红外光谱响应宽：紫外极远红外 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 偏置电压低，无极性之分偏置电压低，无极性之分 缺点：缺点： 强光照射下，光电转换线性较差强光照射下，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 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：杂质型光敏电阻：)nm(12400ggEEhc)nm(12400EEhc1.常用常

3、用N型型(迁移率高，性能稳定迁移率高，性能稳定) 2.极低温度下工作极低温度下工作 暗电流与光电流暗电流与光电流 00000()1pdddVAq npVAVVVIRL ALLL A2()nnpnpppVLVAqnpqNVAILL ;pnNNnpA LA L 结论：光电流与结论：光电流与V V，成正比，与成正比，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蛇形：减小蛇形：减小L L，但受光，但受光面积不致太小面积不致太小 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

4、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、温度特性一、光电导增益一、光电导增益(M) 定义：光电导受光照工作时，外部光电流与光电定义：光电导受光照工作时，外部光电流与光电子形成的内部电流（子形成的内部电流（qN）之间的比值：

5、）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，这里为单位时间内产生（涌出）的载流子数量，这里以内部光电流命名，但并无电流的方向性以内部光电流命名，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PIMqN222pnnppnnppnpIVVVMMMqNLLL 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nnnMtpppMttn,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()pnnpnpnpdrMMMtttttdrt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

6、间二、光谱响应率二、光谱响应率 定义：特定波长下，输出光电流（电压）定义：特定波长下，输出光电流（电压）与入射辐射通量之比。与入射辐射通量之比。( )( )( )pIqSMhC( )( )( )pdrIqMqhht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：幅值下降到零频时的截至频率：幅值下降到零频时的0.707，功率为零，功率为零频时的一半。频时的一半。12fLp 0iLip 0p 00= (/)iRRRCRCRC 光电导探测器总的响应时间由探测器本身响

7、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。zongp0iLi0=(/)0RRRCC等效电容等效电容C0一般画出，因为不适用于一般画出，因为不适用于RL和和Ri很小的很小的情况，因为器件的时间特性并不随外电路而变情况，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C0p00RC四、光电特性与四、光电特性与值值 定义：光电流与入射光通量之间的关系定义：光电流与入射光通量之

8、间的关系弱光照射时，光电流和光通量关系呈线性弱光照射时，光电流和光通量关系呈线性照射光变强时，照射光变强时，和和tdr发生变化，光电流和发生变化，光电流和光通量关系呈非线性，可表示为：光通量关系呈非线性，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。( )( )pdrIqht( )PgIS VE( )PgIS V 弱光照时，为弱光照时，为 =1时，称为直线性光电导；时，称为直线性光电导； 强光照时，为强光照时，为 =0.5，称为非线性光电导，称为非线性光电导 亮电流：亮电流：( )PgpIS VEg VpgggS ES()pdpdgdIIIg Vg VS Eg V

9、gVpdggg11( )lglglgpPgpgVRIS ERSE =1时，时，gp称为光敏电阻光电导称为光敏电阻光电导前历效应前历效应 定义：测试前光敏电阻所处的状态（无或有光照）定义：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。对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中（亮）态前历效应中（亮）态前历效应无光照放置一天无光照放置一天-100l

10、x照度测阻值照度测阻值R11000lx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123456R12.745.062.252.421.452.23R22.895.242.392.61.482.31(R2-R1)/R1%5.53.66.27.423.6温度特性温度特性 温度的变化，导致其长波限、峰值响应波长、响温度的变化，导致其长波限、峰值响应波长、响应率等都发生变化。应率等都发生变化。 为了提高灵敏度，必须采用冷却装置，尤其是杂为了提高灵敏度，必须采用冷却装置，尤其是杂质型半导体受温度影响更明显。质型半导体受温度影响更明显。 第一节、光敏电阻的

11、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的响应波长范围的响应波长范围0.30.8微米，峰值波微米，峰值波长长0.52微米，接近人眼最敏感的波长。微米，接近人眼最敏感的波长。.CdS光敏电阻的

12、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，自动调焦和广泛地用于自动控制灯光，自动调焦和自动相机中自动相机中 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，峰值响应波长为微米，峰值响应波长为2.4微米，峰值探测率微米，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

13、应范围为1.04.0微米，峰值波长延伸到微米，峰值波长延伸到2.8微米，归一化探测率可微米，归一化探测率可提高一个数量级。提高一个数量级。 .缺点：响应时间长，室温条件下为缺点：响应时间长，室温条件下为100300 ms.低温下低温下(77K)可达几十可达几十ms。 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2*10-2微秒。冷却到微秒。冷却到77K（液氨）时，长波限减少（液氨）时，长波限减少到到5.5微米，响应时间为微米，响应时间为1微秒。这时微秒。这时InSb光敏电阻所对应的峰值

14、波长刚好在大气窗口光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，因此得到广泛应用。微米光谱范内，因此得到广泛应用。 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，尤其对前途的探测器，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，得到不同的物质的量）不同，得到不同的Eg值。值。X变化范围变化范围1.8-0.4，对应探测长波限，

15、对应探测长波限3-30微微米米 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，只能制造出长波限变化范围不大，只能制造出长波限大于大于2.5um的探测器的探测器.b、能工作在、能工作在814微米波段，但探测率微米波段，但探测率D*低，应用不广泛。低，应用不广泛。 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、

16、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LbIRUUmaxPIUP科科1414对应的输出电流电压对应的输出电流电压pLbRRUIp2pLbRRRUI USRRRIg b2pL2pUSRRRRRIUg bL2pL2pLLp2pp11pggRGS RR S 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pLbRRUILbRUI 由于由于RL较大，偏置电压通常在较大，偏置电压通常在100V以上，为以上，为降低电源电压，通常采用晶体管作恒流器件降低电

17、源电压，通常采用晶体管作恒流器件特点特点: 信噪比高弱信号检测信噪比高弱信号检测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LbIRUUbUU USRUgbLLUSRRRRUgbL2pL2pLbbepRUUU3 3恒功率偏置电路恒功率偏置电路RL=RP, 2bmax1224bLLbLLUUPI VURR不同光照不同光照(1 12 2) )对应不同对应不同R RP P (R(RP1P1RRp2p2) )12LppRR R得到最大得到最大VVL L噪声噪声 热噪声热噪声+产生产生-复合噪声复合噪声+1/f噪声噪声产生复合噪声产生复合噪声1

18、/f噪声噪声热噪声热噪声)2(1 42022fNfIin21nfB Iiff2nr4pLpLRRikTfRR2222nngrnfntiiii总噪声总噪声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f100Hzf100Hz1/f1/f噪声为主噪声为主100Hzf1000Hz100Hzf1000Hzf1000Hz热噪声为主热噪声为主 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