光电电路光电导探测器

数码相机为什么能实现自动曝光？数码相机NIKON5第03章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，简称PC（Photoconductive）探测器－－又称为光敏电阻。特点：①光谱响应：紫外－－远红外②工作电流大，可达数毫安③可测强光，可测弱光④灵敏度高，光电导增益大于1⑤无极性之分hυ≥Eg将产生光电子激发,如图硅:Eg=1.12ev锗:Eg=0.67evλ0=1.1μmλ0=1.85μm杂质吸收EcEvEdEcEaEv施主受主EvEcEg本征吸收电子空穴Si:P(施主)△Ed=0.045evλ0=29μmSi:IN(受主)△Ea=0.14evλ0=8μm主要应用于红外探测本征半导体掺杂半导体VAVIRL光照１一定温度下：δ0＝q(n0μn+p0μp)(n0和p0为一定温度下的载流子浓度)２光照情况下：△δ＝（△nμn＋△pμp）(△n和△p为光生载流子浓度)δ＝δ0＋△δ即：光照→△δ→δ↑→R↓光照半导体材料第03章光电导探测器3.1材料结构原理3.2主要特性参数3.3偏置电路和应用3.1材料结构原理3.1.1材料及分类Ⅲ－Ⅳ、Ⅲ－V族化合物，硅、锗以及一些有机物等本征型光敏电阻：杂质型光敏电阻：)nm(12400ggEEhc)nm(12400EEhc注意杂质型：1.常用N型2.极低温度下工作杂质型光敏电阻：极低温度下工作???以N型为例：EcEvEdΔEd＝Ec－EdEgEgΔEd2.常温--杂质原子束缚电子或空穴已被热激发成自由态作为暗电导率的贡献量。长波光照,已无束缚电子或束缚空穴供光激发用，即光电导Δσ为零或很微弱。1.杂质原子浓度远比基质原子浓度低得多。3.1材料结构原理3.1.2光照下的光电导响应过程光电导响应的两个基本结论：（1）弱光照——响应时间为常数（等于载流子寿命），稳态光电导与光生载流子的产生率成线性关系。（2）强光照——响应时间是光照的函数，稳态光电导与入射辐射通量平方根成正比关系。阶跃光照时ccΔ()(1e)t/ntg光电导响应：正弦光照时光电导响应：c022ccΔΔ11gnnωω上限截止频率：（频域）HCc12πf响应时间：（时域）c光电导响应速度3.1.2.光照下的光电导响应过程3.1.3结构和原理3.1材料结构原理设样品为N型材料任务：1.导出电流表达式pnc2zUeIhvl光电导探测器平均光电流pnc2zUeIhvl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3.1.3结构和原理光电导探测器平均光电流pnc2zUeIhvl(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结构和原理结构在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。pnc2zUeIhvl3.1.3结构和原理三种结构形式3.1.3结构和原理梳型结构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。三种结构形式3.1.3结构和原理蛇形结构如图，光电导材料制成蛇形，光电导两侧为金属导电材料，并在其上设置电极。三种结构形式3.1.3结构和原理刻线结构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。三种结构形式3.1.3结构和原理光电导探测器平均光电流pnc2zUeIhvl(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－－光电流Ip与长度lz的平方成反比3.1.3结构和原理光敏电阻结构示意图3.1.3结构和原理第03章光电导探测器3.1材料结构原理3.2主要特性参数3.3偏置电路和应用3.2主要特性参数3.光电特性和γ值2.光电导灵敏度1.光电导增益9.噪声特性5.频率特性7.温度特性8.前历效应6.光谱特性4.伏安特性1.光电导增益pnc2zUeIhvlp0eIMhvpcn2z/()IUMehvl－－光电导探测器的内增益，也称为光电导增益提高M值减少电极间的间距L适当提高工作电压3.2主要特性参数2.光电导灵敏度UGUESIgpp＝弱光，UESIgp1＝1＝ΦGSEGSpgpg或光电导灵敏度：S/1m，S/1xS/μW，S/μW/cm23.2主要特性参数•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3.2主要特性参数3.光电特性和γ值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3.2主要特性参数暗电阻：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流—暗电流。亮电阻：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流—亮电流。光电流：亮电流与暗电流之差。3.光电特性和γ值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UΦSIgpSg比例系数，与材料有关α为电压指数，～1γ＝0.5~1－－照度指数强光－－γ为0.5弱光－－γ为1弱光－－线性（测量）强光－－非线性（控制）3.2主要特性参数照度指数γ值ABBAEERRloglogloglog＝UESIgpESGRg11实用的光电特性参数：暗电阻～MΩ亮电阻～KΩ3.2主要特性参数4.伏安特性(1)光敏电阻为纯电阻，符合欧姆定律。(2)光照使光敏电阻发热，使得在额定功耗内工作，其最高使用电压由其耗散功率所决定，而功耗功率又和其面积大小、散热情况有关。(3)伏安特性曲线和负载线的交点即为光敏电阻的工作点。在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所加的电压关系3.2主要特性参数5.频率特性3.2主要特性参数ipRLRp0RiCi光电导探测器输出电路cep0iLip0ip00c(//)R//RRCRCRC光电导探测器总的响应时间由探测器本身响应时间决定，与外接负载电阻大小无关。响应时间：1.光－电载流子平均寿命2.外接电路的时间常数5.频率特性3.2主要特性参数信号发生器光电导探测器发光二极管偏压负载电阻示波器CH1CH2RfLoadresistanceRL/1001kl0k100kResponsetimetr/ms5.45.55.45.4CdSe光电导探测器：光电导探测器总的响应时间由探测器本身响应时间决定，与外接负载电阻大小无关。5.频率特性最高频率~104HZ≈10KHZ响应时间~ms量级3.2主要特性参数ipRLRp0i0iL光电导探测器输出电路响应时间：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。C6.光谱特性峰值波长在515～600nm，接近555nm，可用于与人眼有关的仪器，例如照相机、照度计、光度计等，加滤光片进行修正3.2主要特性参数可见光区灵敏的几种光敏电阻6.光谱特性红外区灵敏的几种光敏电阻3.2主要特性参数6.光谱特性3.2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依据图3－10、3－11，表3－2、3－37.温度特性3.2主要特性参数光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。随着温度的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化也会影响光谱特性曲线。例如：硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰值将向短波方向移动。尤其是红外探测器要采取制冷措施8．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，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重。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3.2主要特性参数亮态前历效应：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。其效应曲线如下图所示。3.2主要特性参数9.噪声特性光敏电阻噪声：ffcIfeMIRfkTiiii442nf2ngr2nr2n减小噪声途径：－－光调制技术－－致冷－－合理偏置电路3.2主要特性参数总结：常用光电导探测器光电导探测器波长响应范围按工作波长：按材料分，两大类型：本征型光敏电阻杂质型光敏电阻紫外光响应可见光响应红外光响应紫外光可见光红外－－极远红外光a.硫化镉（CdS）光谱响应：0.3μm~0.8μm，峰值波长0.52um，响应时间为数百毫秒。常用于照相机测光。b.硫化铅（PbS）光谱响应：1μm~3μm，λP=2.4μm，响应时间t=100~300μs。致冷(195K干冰)条件下，光谱响应：1~4μm，λP=2.8μm。c.锑化锢（InSb）Eg=0.23，适用于3~5μm的大气红外窗口测量。d.碲镉汞（Hg1-xCdxTe）系列改变HgTe和CdTe化合物的组份，可以得到各种响应波段的红外探测器。如：1~3μm,3~5μm,8~14μm三种三气窗口。Eg（ev）=1.59x-0.25+5.233×10-4T(1-2.08x)+0.327x3e.掺杂型（锗掺杂）Ge:Au(77K),3~9μm,t=3msGe:Hg(77K),6~14μm,t=0.1msGe:Zn(4.2K),20~40μm,t=2×10-8s常用的光敏电阻CdS光敏电阻CdS光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率，它在可见光波段范围内的灵敏度最高，因此，被广泛地应用于灯光的自动控制，照相机的自动测光等。CdS光敏电阻的峰值响应波长为0.52μm，CdSe光敏电阻为0.72μm，一般调整S和Se的比例，可使Cd（S，Se）光敏电阻的峰值响应波长大致控制在0.52~0.72μm范围内。PbS光敏电阻PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件，因此，常用于火灾的探测等领域。PbS光敏电阻的光谱响应和比探测率等特性与工作温度有关，随着工作温度的降低其峰值响应波长和长波限将向长波方向延伸，且比探测率D*增加。例如，室温下的PbS光敏电阻的光谱响应范围为1~3.5μm，峰值波长为2.4μm，峰值比探测率D*高达1×1011cm·Hz·W-1。当温度降低到（195K）时，光谱响应范围为1~4μm，峰值响应波长移到2.8μm，峰值波长的比探测率D*也增高到2×1011cm·Hz·W-1。InSb光敏电阻InSb光敏电阻是3~5μm光谱范围内的主要探测器件之一。InSb材料不仅适用于制造单元探测器件，也适宜制造阵列红外探测器件。InSb光敏电阻在室温下的长波长可达7.5μm，峰值波长在6μm附近，比探测率D*约为1×1011cm·Hz·W-1。当温度降低到77K（液氮）时，其长波长由7.5μm缩短到5.5μm，峰值波长也将移至5μm，恰为大气的窗口范围，峰值比探测率D*升高到2×1011cm·Hz·W-1。Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件是目前所有红外探测器中性能最优良最有前途的探测器件，尤其是对于4~8μm大气窗口波段辐射的探测更为重要。Hg1-xCdxTe系列光电导体是由HgTe和CdTe两种材料的晶体混合制造的，其中x标明Cd元素含量的组分。在制造混合晶体时选用不同Cd的组分x，可以得到不同的禁带宽度Eg，便可以制造出不同波长响应范围的Hg1-xCdxTe探测器件。