光电信号检测第三章第一部分光电二极管剖析

光电信号检测第三章第一部分光电二极管剖析第一页，共59页。第三章

半导体光电检测器件及应用3.1光敏电阻3.2光生伏特器件--光电池3.3光电二极管与光电三极管3.4发光器件3.5光电耦合器件3.6光电位置敏感器件3.7光热辐射检测器件3.8各种光电检测器件的性能比较第二页，共59页。3.1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。第三页，共59页。3.1.1、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四页，共59页。UIp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第五页，共59页。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。第六页，共59页。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七页，共59页。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。第八页，共59页。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。第九页，共59页。3.1.2、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/lxOI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）第十页，共59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。3.1.2、光敏电阻特性参数允许的功耗线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。

第十一页，共59页。3.1.2、光敏电阻特性参数3、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。第十二页，共59页。3.1.2、光敏电阻特性参数

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。温度特性第十三页，共59页。3.1.2、光敏电阻特性参数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小时后第十四页，共59页。

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。3.1.2、光敏电阻特性参数前历效应第十五页，共59页。3.1.2、光敏电阻特性参数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第十六页，共59页。3.1.2、光敏电阻特性参数6、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第十七页，共59页。3.1.2、光敏电阻特性参数7、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。第十八页，共59页。3.1.2、光敏电阻特性参数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。第十九页，共59页。1、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二十页，共59页。2、基本偏置电路3.1.3、光敏电阻的应用电路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温度的增加而减小。当光通量变化时，电阻变化ΔRp，电流变化ΔI，即有：

即第二十一页，共59页。2、基本偏置电路3.1.3、光敏电阻的应用电路URLULI输出电压第二十二页，共59页。3.1.3、光敏电阻的应用电路1、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第二十三页，共59页。快门按钮驱动单元UthURUth=???UR=???+_ARp210kΩRp110kΩR2300ΩR15.1kΩC11uFMVDVRCdSUbb3.1.3、光敏电阻的应用电路2、照相机电子快门第二十四页，共59页。3、照明灯的光电控制电路3.1.3、光敏电阻的应用电路CKVDRCdS常闭灯~220V半波整流测光与控制执行控制第二十五页，共59页。3.1.4、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。第二十六页，共59页。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光电池第二十七页，共59页。

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二十八页，共59页。3.2.2硅光电池的特性参数1、光照特性伏安特性硅光电池工作在第四象限，若工作在反偏置状态，则伏安特性将近伸到第三象限。由光电池的电流方程：

Rs很小，可忽略，上式变为：RsRLVDIpI+ILRLVDILIp=Sg·E第二十九页，共59页。1、光照特性3.2.2硅光电池的特性参数负载电流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时第三十页，共59页。1、Voc，Isc与E的关系：

当IL=0，RL=∞时一般Ip>>Is,且Ip=Sg·E

3.2.2硅光电池的特性参数用于光电池检测当V=0，RL=0时，第三十一页，共59页。2、Isc与E和RL的关系：3.2.2硅光电池的特性参数RL=120ΩRL=2.4kΩRL=12kΩE/lxJ/uA·mm2

当RL=0时，

Isc=Ip=Sg·E

当RL不为0时RLVDIL

为什么RL的增加会使光电流减小？第三十二页，共59页。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。3.2.2硅光电池的特性参数第三十三页，共59页。2、输出特性3.2.2硅光电池的特性参数RL/Ω0100200300400500Voc/VIsc/mA400200

010080400PLVocILRMUL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。第三十四页，共59页。3、光谱特性3.2.2硅光电池的特性参数第三十五页，共59页。4、温度特性3.2.2硅光电池的特性参数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。第三十六页，共59页。3.2.3硅光电池的应用1、光电池用作太阳能电池把光能直接转化成电能，需要最大的输出功率和转化效率。即把受光面做得较大，或把多个光电池作串、并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站等无输电线路地区的电源供给。2、光电池用作检测元件利用其光敏面大，频率响应高，光电流与照度线性变化，适用于开关和线性测量等。第三十七页，共59页。光电池与外电路的连接方式3.2.3硅光电池的应用-10VVociC3DG62CR×21kΩ硅三极管的放大光电流电路-10VVociC3AX42CR锗三极管的放大电路1kΩ光电池作缓变信号检测时的的变换电路举例第三十八页，共59页。硅三极管放大光电流的电路+4VVociC3DG7A2CR1kΩ2AP7100Ω3.2.3硅光电池的应用+_Δ∞VocRf2CR采用运算放大器的电路光电池的变换电路举例第三十九页，共59页。1．太阳电池电源

太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交流负载供电，则加一个直流－交流变换器，太阳电池电源系统框图如图。逆变器

交流负载

直流负载太阳能电池电源系统阻塞二极管

调节控制器太阳电池方阵第四十页，共59页。第四十一页，共59页。(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四十二页，共59页。BG2BG1+12VCJR1R2(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。第四十三页，共59页。(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。第四十四页，共59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。第四十五页，共59页。220VC1路灯CJD-108V200μF200μFC2C3100μFR1R3R5R7R4R6R7R2J470kΩ200kΩ10kΩ4.3kΩBG1280kΩ25kΩ57kΩ10kΩ路灯自动控制器BG2BG3BG42CR第四十六页，共59页。光电二极管的分类：按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列以P-Si为衬底。2CU系列的光电二极管只有两条引线，而2DU系列光电二极管有三条引线。3.3光电二极管与光电三极管第四十七页，共59页。3.3光电二极管与光电三极管光电二极管与光电池的特性比较基本结构相同，由一个PN结；光电二极管的光敏面小，结面积小，频率特性好，虽然光生电动势相同,但光电流普遍比光电池小,为数微安。掺杂浓度：光电池约为1016-1019/cm3，硅光电二极管1012~1013/cm3，电阻率：光电池0.1-0.01Ω/cm，光电二极管1000Ω/cm。光电池零偏压下工作，光电二极管反偏压下工作。光电二极管的类型：硅、锗、PIN、APD第四十八页，共59页。3.3光电二极管与光电三极管光电二极管的工作原理NP光+_外加反向偏压符号第四十九页，共59页。光电二极管的基本结构3.3光电二极管与光电三极管N环极前极N+N+P后极环型光电二极管的结构前级后级环级VARLhν等效电路第五十页，共59页。光电二极管的伏安特性IUOE2>E1>E0E0E1E3加正向偏压时，表现为单向导电性。作为光敏二极管使用时，需要加反向偏压，当有光照时会产生光电流，且光电流远大于反向饱和电流。反向偏压可以减小载流子的渡越时间和二极管的极间电容。反向偏压较小时反向电压达到一定值时。uiO暗电流E=200lxE=400lx第五十一页，共59页。光电二极管的光谱特性1、光敏二极管在较小负载电阻下，光电流与入射光功率有较好的线性关系。2、光敏二极管的响应波长与GaAs激光管和发光二极管的波长一致，组合制作光电耦合器件。3、光电二极管结电容很小，频率响应高，带宽可达100kHz。第五十二页，共59页。光电二极管的温度特性