1、光電檢測技術,第5章光電導器件,自由電子所占能帶,不存在電子所占能帶,價電子所占能帶,hυ≧Eg,當光照射到光電導體上時，若這個光電導體為本征半導體材料，且光輻射能量又足夠強,光電材料價帶上的電子將被激發(fā)到導帶上去，使光導體的電導率變大。,,光敏電阻演示,當光敏電阻受到光照時，光生電子—空穴對增加，阻值減小，電流增大。,暗電流（越小越好）,,光電導與光電流,光敏電阻兩端加電壓（直流或交流）．無光照時，阻值（暗電阻）很大，電流（暗電

2、流）很??；光照時，光生載流子迅速增加，阻值（亮電阻）急劇減少．在外場作用下，光生載流子沿一定方向運動，形成光電流（亮電流）。光電流：亮電流和暗電流之差；I光 = IL - Id光電導：亮電導和暗電導之差；g = gL - gd光敏電阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是說暗電流要小，亮電流要大，這樣光敏電阻的靈敏度就高。,無光照，暗電導率光照下電導率,光生載流子濃度,電導率正比于載流

3、子濃度及其遷移率的乘積,載流子的遷移率,附加光電導率,簡稱光電導光電導相對值要制成附加光電導相對值高的光敏電阻應使p0和n0小，因此光敏電阻一般采用禁帶寬度大的材料或在低溫下使用。,當光照穩(wěn)定時，光生載流子的濃度為無光照時，光敏電阻的暗電流為光照時，光敏電阻的光電流為,在光輻射作用下，假設每單位時間產生N個電子－空穴對，他們的壽命分別是τn和τp。那么光輻射激發(fā)增加的電子和空穴濃度分別為：,光電導體的非

4、平衡載流子壽命τ越長，遷移率μ越大。光電導體的光電流就越高。而且，光電導體的光電流還與電極間距L的平方成反比。,光電導體的光電流與電極間距L的平方成反比,利用半導體光電導效應制成的器件。典型的光電導器件為光敏電阻。,光敏電阻的原理是半導體的光電導效應，只有能量（hν）大于材料禁帶寬度（Eg）的光子，才能使材料產生光電導效應。每一種半導體或絕緣體都有一定的光電導效應，但只有其中一部分材料經過特殊處理，摻進適當雜質，才有明顯的光電導

5、效應。現在使用的光電導材料有Ⅱ-Ⅵ族、Ⅲ-Ⅴ族化合物，硅、鍺等，以及一些有機物。,光敏電阻器按其制作材料的不同可分為多晶光敏電阻器和單晶光敏電阻器，還可分為硫化鎘（CdS）光敏電阻器、硒化鎘(CdSe) 光敏電阻器、硫化鉛(PbS) 光敏電阻器、硒化鉛(PbSe) 光敏電阻器、銻化銦(InSb) 光敏電阻器等多種。,光敏電阻的分類,光敏電阻器可以根據光敏電阻器的制作材料和光譜特性來分類。,按光敏電阻器的制作材料分類,光敏電阻器按

6、其光譜特性可分為可見光光敏電阻器、紫外光光敏電阻器和紅外光光敏電阻器。,按光譜特性分類,可見光光敏電阻器主要用于各種光電自動控制系統(tǒng)、電子照相機和光報警器等電子產品中。包括硒、硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等 紫外光光敏電阻器主要用于紫外線探測儀器。包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等 紅外光光敏電阻器主要用于天文、軍事等領域的有關自動控制系統(tǒng)中。主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛。銻化銦等光敏電阻器,常用光電導

7、材料,光敏電阻的結構,,光敏電阻器外形、電路符號a) 外形 b) 電路符號,1. 光電導靈敏度Sg,光敏電阻的主要特性,按靈敏度定義（響應量與輸入量之比），可得Sg=Gp/EGp：光電導，單位為西門子S（Ω-1）。E：照度，單位為勒克斯（lx）。Sg:單位為西門子/勒克斯（S/lx）或Sm2/W。,光電導體的非平衡載流子壽命τ越長，遷移率μ越大。光電導體的靈敏度（光電流或光電增益）就越高。而且，光電導體的

8、靈敏度還與電極間距L的平方成反比。,,面積 S,,,,,長度 L,2. 光電導增益,加上電壓U后，由光照產生的光生載流子在電場作用下所形成的外部的光電流與光電子形成的內部電流(qN)之間的比值。,,面積 S,,,,,長度 L,3 量子效率,輸出的光電子數N(λ）與入射的光子數Np(λ）之比:,4 光譜響應率與光譜響應曲線,,光譜響應率表示在某一特定波長下，輸出光電流（電壓）與入射輻射能量之比。,增大增益系數可以增加光譜響應率，但同時減小

9、電極間距，使得采光面積減小而不實用；延長載流子的壽命可以增加光譜響應率。但會降低向應速度。增益與響應速度相互矛盾，常用光敏電阻光譜響應率為1A/W。,波長較長，吸收系數減小，量子效率降低，響應率降低；波長減小，吸收系數增大，量子效率升高，響應率升高；波長繼續(xù)減小，吸收系數進一步增大，材料表面光生載流子密度升高，致使復合增加，光生載流子壽命降低，響應率升高量子效率降低，響應率降低。,光譜特性多用相對靈敏度與波長的關系曲線表示。從這

10、種曲線中可以直接看出靈敏范圍、峰值波長位置和各波長下靈敏度的相對關系。,1-硫化鎘單晶  2-硫化鎘多晶  3-硒化鎘多晶4-硫化鎘與硒化鎘混合多晶,在可見光區(qū)靈敏的幾種光敏電阻的光譜特性曲線,硫化鎘單晶、硫化鎘與硒化鎘混合多晶，硫化鎘多晶、硒化鎘多晶等幾種光敏電阻的光譜特性曲線覆蓋了整個可見光區(qū)，峰值波長在515～600nm之間。這與人眼的光譜光視效率V(λ)曲線的范圍和峰值波長（555nm）是很接近的

11、，因此可用于與人眼有關的儀器，例如照相機、照度計、光度計等。不過它們的形狀與V(λ)曲線還不完全一致。如直接使用，與人的視覺還有一定的差距，所以必須加濾光片進行修正，使其特性曲線與V(λ)曲線完全符合，這樣即可得到與人眼視覺相同的效果。,在紅外區(qū)靈敏的幾種光敏電阻的光譜特性曲線,5. 光電特性,光電流與照度的關系稱為光電特性。光敏電阻光電特性如下：Ip(λ)=SgEγUαIp：光電流E：照度α：電壓指數Sg：光電導靈敏度

12、U：光敏電阻兩端所加的電壓γ：光照指數,γ與材料和入射光強弱有關，對于硫化鎘光電導體，在弱光照下γ＝1，在強光照下γ＝1/2，一般γ＝0.5～1。α與光電導體和電極材料之間的接觸有關，歐姆接觸時α＝1，非歐姆接觸時α=1.1～1.2。,硫化鎘光敏電阻在弱光照下，Ip與E具有良好的線性關系，在強光照下則為非線性關系，其它光敏電阻也有類似的性質。如果電壓指數α＝1，在弱光照下有Ip=SgEU,6. 溫度特性,光敏電阻的溫度特性很復雜，

13、在一定的照度下，亮電阻的溫度系數α有正有負，R1、R2分別為與溫度T1、T2相對應的亮電阻。,硫化鎘光敏電阻的溫度特性曲線a) 硫化鎘單晶  b) 硫化鎘多晶,溫度對光譜響應也有影響。一般說，光譜特性主要決定于材料，材料的禁帶寬度越窄則對長波越敏感，但禁帶很窄時，半導體中熱激發(fā)也會使自由載流子濃度增加，使復合運動加快，靈敏度降低。因此，采取冷卻靈敏面的辦法來提高靈敏度往往是很有效的。,硫化鉛光敏電阻在冷卻情況下相

14、對光譜靈敏度的變化,7. 頻率特性,光敏電阻是依靠非平衡載流子效應工作的，非平衡載流子的產生與復合都有一個時間過程，這個時間過程在一定程度上影響了光敏電阻對變化光照的響應。光敏電阻采用交變光照時，其輸出將隨入射光頻率的增加而減小。,1-硒  2-硫化鎘  3-硫化鉈  4-硫化鉛,幾種光敏電阻的頻率特性曲線,8. 伏安特性,在一定的光照下，加到光敏電阻兩端的電壓與流過光敏電阻的亮電流之間的關系稱

15、為光敏電阻的伏安特性，常用曲線表示。,光敏電阻的伏安特性曲線,圖中的虛線為額定功耗線。使用光敏電阻時，應不使電阻的實際功耗超過額定值。從圖上來說，就是不能使靜態(tài)工作點居于虛線以內的區(qū)域。按這一要求，在設計負載電阻時，應不使負載線與額定功耗線相交。,已知CdS光敏電阻光電導靈敏度Sg=0.5×10-6s/lx，暗電導為g0=0，若給CdS光敏電阻加偏置電壓10V, 此時CdS光敏電阻的極限照度為200lx，求該電阻的最大功耗？,

16、前歷效應是指光敏電阻的時間特性與工作前“歷史”有關的一種現象。前歷效應有暗態(tài)前歷與亮態(tài)前歷之分。,9. 前歷效應,暗態(tài)前歷效應是指光敏電阻測試或工作前處于暗態(tài)，當它突然受到光照后表現為暗態(tài)前歷越長，光電流上升越慢。一般，工作電壓越低，光照度越低，則暗態(tài)前歷效應就越重。,硫化鎘光敏電阻的暗態(tài)前歷效應曲線1-黑暗放置3分鐘后  2-黑暗放置60分鐘后3-黑暗放置24小時后,亮態(tài)前歷效應是指光敏電阻測試或工作前已處于亮態(tài)，當照度

17、與工作時所要達到的照度不同時，所出現的一種滯后現象，其效應曲線如下圖所示。一般，亮電阻由高照度狀態(tài)變?yōu)榈驼斩葼顟B(tài)達到穩(wěn)定值時所需的時間要比由低照度狀態(tài)變?yōu)楦哒斩葼顟B(tài)時短。,硫化鎘光敏電阻亮態(tài)前歷效應曲線,光敏電阻的特點,光譜響應范圍寬，尤其是對紅光和紅外輻射有較高的響應度；偏置電壓低，工作電流大；動態(tài)范圍寬，既可測強光，也可測弱光；光電導增益大，靈敏度高；光敏電阻無極性，使用方便。,(1)在可見光中，一般選用靈敏度和穩(wěn)定

18、性較好的硫化鎘光敏電阻。(2)在紅外光下，可選用靈敏度高且頻率特性好的硒化鎘光敏電阻。(3)對于近紅外光，應選用硫化鉛，硒化鉛等光敏電阻。,光敏電阻器的選用及檢測,光譜響應范圍選擇：,(1)用一黑紙片將光敏電阻的透光窗口遮住，此時萬用表的指針基本保持不動，阻值接近無窮大。此值越大說明光敏電阻性能越好。若此值很小或接近為零，說明光敏電阻已燒穿損壞。(2)將一光源對準光敏電阻的透光窗口，此時萬用表的指針應有較大幅度的擺動，阻值

19、明顯減小。此值越小說明光敏電阻性能越好。若此值很大甚至無窮大，表明光敏電阻內部開路損壞。(3)將光敏電阻透光窗口對準入射光線，用小黑紙片在光敏電阻的遮光窗上部晃動，使其間斷受光，此時萬用表指針應隨黑紙片的晃動而左右擺動。如果指針始終停在某一位置不隨紙片晃動而擺動，說明光敏電阻的光敏材料已經損壞。,用萬用表粗測光敏電阻器步驟：,光敏電阻的使用,光敏電阻的重要特點是，光譜響應范圍寬，測光范圍寬，靈敏度高，無極性之分。但由于材料不同，在性

20、能上差別較大。使用中應注意.,1）當用于模擬量測量時，因光照指數γ與光照強弱有關，只有在弱光照下光電流與入射輻射通量成線性關系。    2）用于光度量測試儀器時，必須對光譜特性曲線進行修正，保證其與人眼的光譜光視效率曲線符合。    3）光敏電阻的光譜特性與溫度有關，溫度低時，靈敏范圍和峰值波長都向長波方向移動，可采取冷卻靈敏面的辦法來提高光敏電阻在長波區(qū)的靈敏度。,4）光

21、敏電阻的溫度特性很復雜，電阻溫度系數有正有負，一般說，光敏電阻不適于在高溫下使用，溫度高時輸出將明顯減小，甚至無輸出。    5）光敏電阻頻帶寬度都比較窄，在室溫下只有少數品種能超過1000Hz，而且光電增益與帶寬之積為一常量，如要求帶寬較寬，必須以犧牲靈敏度為代價。    6）設計負載電阻時，應考慮到光敏電阻的額定功耗，負載電阻值不能很小。