半导体光电检测器件及应用

半导体光电检测器件及应用第1页/共55页2探测器件热光电探测元件光电探测元件气体光电探测元件外光电效应内光电效应非放大型放大型光电导探测器光磁电效应探测器光生伏特探测器本征型掺杂型非放大放大型真空光电管充气光电管光电倍增管变像管摄像管像增强器光敏电阻红外探测器光电池光电二极管光电三极管光电场效应管雪崩型光电二极管第2页/共54页第2页/共55页33.1光敏电阻利用具有光电导效应的材料（如Si、Ge等本征半导体与杂质半导体，如CdS、CdSe、PbO）可以制成电导率随入射光辐射量变化而变化的器件，这类器件被称为光电导器件或光敏电阻。结构特点：体积小、坚固耐用、价格低廉、光谱响应范围宽，广泛应用于微弱辐射信号的检测技术领域。第3页/共54页第3页/共55页43.1.1、光敏电阻的结构及工作原理UbbIpIp金属电极光电导材料入射光光敏电阻原理及符号光敏电阻符号工作原理第4页/共54页第4页/共55页5UIp电极入射光当入射光子使半导体物质中的电子由价带跃升到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，因此电阻显著减小，电导增加，或连接电源和负载电阻，可输出电信号，此时可得出光电导g与光电流I光的表达式为：工作原理g=gL-gdI光=IL-Id第5页/共54页第5页/共55页6工作原理光敏电阻按半导体材料的不同可分为本征型和杂质型两种，本征型半导体光敏电阻常用于可见光长波段检测，杂质型常用于红外波段至远红外波段光辐射的检测。光敏电阻设计的基本原则光敏电阻在弱光辐射下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的平方成反比，在强辐射作用下Sg与l的二分之三次方成反比，因此在设计光敏电阻时，尽可能地缩短光敏电阻两极间距离。光电流Ip=ΔσSU/L第6页/共54页第6页/共55页7光敏电阻的基本结构12321-光电导材料；2-电极；3-衬底材料绝缘基底光电导体膜第7页/共54页第7页/共55页8三种形式⑴梳状式玻璃基底上蒸镀梳状金属膜而制成；或在玻璃基底上面蚀刻成互相交叉的梳状槽，在槽内填入黄金或石墨等导电物质，在表面再敷上一层光敏材料。如图所示。绝缘基底光电导体膜第8页/共54页第8页/共55页9⑵刻线式在玻璃基片上镀制一层薄的金属箔，将其刻划成栅状槽，然后在槽内填入光敏电阻材料层后制成。其结构如下图所示。注意：与梳状式的区别第9页/共54页第9页/共55页10⑶涂膜式在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成。其结构如右下图所示。2、光敏电阻在电路中的符号第10页/共54页第10页/共55页11工作性能特点：光谱响应范围相当宽。可见光、红外、远红外、紫外区域工作电流大，可达数毫安。所测光电强度范围宽，既可测弱光，也可测强光灵敏度高，光电增益可以大于1无选择极性之分，使用方便。缺点：

强光下光电线性度较差，弛豫时间过长，频率特性差。第11页/共54页第11页/共55页12注意：灵敏度与光电增益的区别（1）灵敏度是光电导体在光照下产生光电导能力的大小。（2）增益指在工作状态下，各参数对光电导效应的增强能力。材料特性结构参数第12页/共54页第12页/共55页13光敏电阻的种类及应用主要材料：Si、Ge、II-VI族和III-V族化合物，以及一些有机物。分紫外光、可见光、红外及远红外敏感的光敏电阻。应用：照相机、光度计、光电自动控制、辐射测量、能量辐射、物体搜索和跟踪、红外成像和红外通信等技术方面制成的光辐射接收器件。第13页/共54页第13页/共55页143.1.2、光敏电阻特性参数1、光电特性光敏电阻的光电流I光与输入辐射照度有下列关系式：其中：I光为光电流，I光=IL-Id；

E为照度，γ为光照指数，与材料的入射光强弱有关，对CdS光电导体，弱光照射下γ=1，强光下γ=0.5；

U为光敏电阻两端所加电压，α为电压指数，与光电导体和电极材料间接触有关，欧姆接触时α=1，非欧姆接触时α=1.1-1.2Sg为光电导灵敏度，单位S/lx第14页/共54页第14页/共55页15OI光ECdS的光电特性对CdS光电导体，弱光照射下γ=1，强光下γ=0.5；为什么？

光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）第15页/共54页第15页/共55页2、伏安特性（输出特性）

一定光照下，光敏电阻的光电流与所加电压关系即为伏安特性。允许的功耗线O10电压V/VI光/mA510050100lx10lx250mW光敏电阻的伏安特性

光敏电阻为一纯电阻，符合欧姆定律，曲线为直线。但对大多数半导体，电场强度超过时，不再遵守欧姆定律。而CdS在100V时就不成线性了。

第16页/共54页第16页/共55页173、温度特性

光敏电阻为多数载流子导电的光电器件，具有复杂的温度特性。不同材料的光敏电阻温度特性不同。书25页中图3-5中为CdS和CdSe光敏电阻不同照度下的温度特性曲线。可以看出温度升高可以导致材料光电导率的下降。实际中往往采用控制光敏电阻工作的温度的办法提高工作稳定性。第17页/共54页第17页/共55页

换句话说，温度的变化，引起温度噪声，导致光敏电阻灵敏度、光照特性、响应率等都发生变化。为了提高灵敏度，必须采用冷却装置，尤其是杂质型半导体对长波长红外辐射检测领域更为重要。温度特性第18页/共54页第18页/共55页4、前历效应

指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种现象。即测试前光敏电阻所处状态对光敏电阻特性的影响。

暗态前历效应：指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后光电流上升的快慢程度。一般地，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重，光电流上升越慢。1-黑暗放置3分钟后

2-黑暗放置60分钟后

3-黑暗放置24小时后第19页/共54页第19页/共55页20

亮态前历效应：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。前历效应第20页/共54页第20页/共55页5、频率特性

光敏电阻的时间常数较大，所以其上限频率f上低，只有PbS光敏电阻的工作频率特性达到几千赫兹。当E=0.11lx时，光敏电阻tr=1.4s，

E=10lx时，光敏电阻tr=66mS,E=100lx时，光敏电阻tr=6mS。

同时，时间特性与输入光的照度、工作温度有明显的依赖关系。4123O1f/Hz相对输出0.41051010.20.60.81021031041-Se；2-CdS；3-TlS；4-PbS第21页/共54页第21页/共55页226、时间响应

光敏电阻的时间常数较大，惯性大，时间响应比其它光电器件差。频率响应低。时间特性与光照度、工作温度有明显的依赖关系。Τ’rΤ’fEtOi(%)tO1006337τrτf矩形光脉冲10lx100lx第22页/共54页第22页/共55页237、光谱特性相对灵敏度与波长的关系可见光区光敏电阻的光谱特性

光谱特性曲线覆盖了整个可见光区，峰值波长在515～600nm之间。尤其硫化镉（2）的峰值波长与人眼的很敏感的峰值波长（555nm）是很接近的，因此可用于与人眼有关的仪器。1-Se；2-CdS；3-TlS；4-PbS第23页/共54页第23页/共55页24光谱特性红外区光敏电阻的光谱特性注明：此特性与所用材料的光谱响应、制造工艺、掺杂浓度和使用的环境温度有关。第24页/共54页第24页/共55页251、常用光敏电阻CdS光敏电阻：峰值响应波长0.52um，掺铜或氯时峰值波长变长，光谱响应向红外区延伸，其亮暗电导比在10lx照度上可达1011(一般约为106)，其时间常数与入射光强度有关，100lx下可达几十毫秒。是可见光波段最灵敏的光敏电阻。PbS光敏电阻：响应波长在近红外波段，室温下响应波长可达3um，峰值探测率Dλ*=1.5Χ1011cm·Hz1/2/w。缺点主要是响应时间太长，室温条件下100-300uS。内阻约为1MΩ，锑化铟（InSb）光敏电阻：长波限7.5um，内阻低（约50Ω），峰值探测率Dλ*=1.2Χ1011cm·Hz1/2/w。时间常数0.02uS。零度时探测率可提高2-3倍。碲镉汞HgCdTe系列光敏电阻。其性能优良，最有前途的光敏电阻。不同的Cd组分比例，可实现1-3um,3-5um,8-14um的光谱范围的探测。例如Hg0.8Cd0.2Te响应在大气窗口8-14um，峰值波长10.6um，Hg0.72Cd0.28Te响应波长在3-5um.碲锡铅（PbSnTe）系列光敏电阻：不同的锡组分比例，响应波长不同。主要用在8-10um波段探测，但探测率低，应用不广泛。3.1.3、光敏电阻的应用电路第25页/共54页第25页/共55页2、基本偏置电路RPURLULI

忽略暗电导Gd(暗电阻很大)：

G=Gp=SgE或G=SgΦ

即对R求导得到负号表示电阻是随输入辐射的增加而减小。当光通量变化时，电阻变化ΔRp，电流变化ΔI，即有：

即第26页/共54页第26页/共55页272、基本偏置电路URLULI输出电压第27页/共54页第27页/共55页281、火焰检测报警器R12kΩ中心站放大器VDW6VR2200kΩR3PbSC168nFC268uFR43.9MΩR5820kΩR71kΩR832kΩR63.9kΩR9150kΩC44.7nF+C3100uFV1V2V3PbS光敏电阻：Rd=1MΩ,Rl=0.2MΩ，峰值波长2.2um。恒压偏置电路高输入阻抗放大电路Vo第28页/共54页第28页/共55页29快门按钮驱动单元UthURUth=???UR=???+_ARp210kΩRp110kΩR2300ΩR15.1kΩC11uFMVDVRCdSUbb2、照相机电子快门第29页/共54页第29页/共55页303、照明灯的光电控制电路CKVDRCdS常闭灯~220V半波整流测光与控制执行控制第30页/共54页第30页/共55页313.1.4、光敏电阻使用的注意事项测光的光源光谱特性与光敏电阻的光敏特性相匹配。要防止光敏电阻受杂散光的影响。要防止使光敏电阻的电参数(电压,功耗)超过允许值。根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。一般,数字信息传输:亮电阻与暗电阻差别大，光照指数γ大的光敏电阻。模拟信息传输:则以选用γ值小、线性特性好的光敏电阻。第31页/共54页第31页/共55页32分类按用途太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低）测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等）按材料

硅光电池：光谱响应宽，频率特性好

硒光电池：波谱峰值位于人眼视觉内薄膜光电池：CdS增强抗辐射能力紫光电池：PN结非常薄：0.2-0.3µm,短波峰值600nm3.2光电池第32页/共54页第32页/共55页33

光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加偏压就能将光能转化成电能的光电器件。3.2.1光电池的基本结构和工作原理1、金属-半导体接触型（硒光电池）基本结构2、PN结型几个特征：

1、栅状电极

2、受光表面的保护膜

3、上、下电极的区分符号第33页/共54页第33页/共55页343.2.2硅光电池的特性参数1、光照特性伏安特性由光电池的电流方程：

Rs很小，可忽略，上式变为：RsRLVDIpI+ILRLVDILIp=Sg·E第34页/共54页第34页/共55页光电池伏安特性曲线1、伏安特性无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。曲线与电压轴交点称为开路电压VOC，与电流轴交点称为短路电流ISC。第35页/共54页第35页/共55页361、光照特性负载电流ILERL1RL2RL3RL4RL4RL5RL=∞RL=0Voc1Voc5Isc1Isc2Isc3Isc4Is当IL=0时一般Ip>>Is,

当RL=0时，Isc=Ip=Sg·E下面看两个关系：当E=0时反向电流随光照度的增加而上升第36页/共54页第36页/共55页371、Voc，Isc与E的关系：

当IL=0，RL=∞时一般Ip>>Is,且Ip=Sg·E

用于光电池检测当V=0，RL=0时，第37页/共54页第37页/共55页382、Isc与E和RL的关系：RL=120ΩRL=2.4kΩRL=12kΩE/lxJ/uA·mm2

当RL=0时，

Isc=Ip=Sg·E

当RL不为0时RLVDIL第38页/共54页第38页/共55页39光电池光照特性特征：1、Voc与光照E成对数关系；典型值在0.45-0.6V。作电源时，转化效率10%左右。最大15.5-20%。2、Isc与E成线性关系，常用于光电池检测，Isc典型值

35-45mA/cm2。2、RL越小，线性度越好，线性范围越宽。3、光照增强到一定程度，光电流开始饱和，与负载电阻有关。负载电阻越大越容易饱和。第39页/共54页第39页/共55页2、输出特性RL/Ω0100200300400500Voc/VIsc/mA400200

010080400PLULILRMUL随RL的增大而增大，直到接近饱和。RL小时IL趋近于短路电流Isc。在RL=RM时，有最大输出功率，RM称为最佳负载。光电池作为换能器件时要考虑最大输出问题，跟入射光照度也有关。作为测量使用，光电池以电流使用。短路电流Isc与光照度成线性关系，RL的存在使IL随光照度非线性的增加。RL增大，线性范围越来越小。第40页/共54页第40页/共55页413、光谱特性硅光电池响应波长0.4-1.1微米，峰值波长0.8-0.9微米。硒光电池响应波长0.34-0.75微米，峰值波长0.54微米。第41页/共54页第41页/共55页424、温度特性Voc具有负温度系数，其值约为2-3mV/度。Isc具有正温度系数，但随温度升高增长的比例很小，约为10-5-10-3mA/度总结：当光电池接收强光照时要考虑温度升高的影响。如硅光电池不能超过200度。第42页/共54页第42页/共55页光电池的应用1、光电探测器件利用光电池做探测器有频率响应高，光电流随光照度线性变化等特点。2、将太阳能转化为电能实际应用中，把硅光电池经串联、并联组成电池组。第43页/共54页第43页/共55页44(a)光电追踪电路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2

图(a)为光电地构成的光电跟踪电路，用两只性能相似的同类光电池作为光电接收器件。当入射光通量相同时，执行机构按预定的方式工作或进行跟踪。当系统略有偏差时，电路输出差动信号带动执行机构进行纠正，以此达到跟踪的目的。光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路第44页/共54页第44页/共55页45BG2BG1+12VCJ

R1R2(b)光电开关

图(b)所示电路为光电开关，多用于自动控制系统中。无光照时，系统处于某一工作状态，如通态或断态。当光电池受光照射时，产生较高的电动势，只要光强大于某一设定的阈值，系统就改变工作状态，达到开关目的。第45页/共54页第45页/共55页46(c)光电池触发电路R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW

图(c)为光电池触发电路。当光电池受光照射时，使单稳态或双稳态电路的状态翻转，改变其工作状态或触发器件(如可控硅)导通。第46页/共54页第46页/共55页+12V5G23(d)光电池放大电路C3-12VWR1R2R3R4R5C1C218765432图(d)为光电池放大电路。在测量溶液浓度、物体色度、纸张的灰度等场合，可用该电路作前置级，把微弱光电信号进行线性放大，然后带动指示机构或二次仪表进行读数或记录。

在实际应用中，主要利用光电池的光照特性、光谱特性、频率特性和温度特性等，通过基本电路与其它电子线路的组合可实现或自动控制的目的。第47页/共54页第47页/共55页硅太阳能电池硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为23%,而规模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为15%。多晶硅半导体材料的价格比较低廉,但是由于它存在着较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。第48页/共54页第