07光敏功能材料及传感器.

光敏功能材料及传感器光敏材料能够将非电量的光信号转换成可检测的电量，利用具有这种特性的材料制成的传感器。光电传感器由光引起的电效应内光－电效应外光－电效应光生伏特效应光照作用下使电子逸出物体表面的现象如：光电管、光电倍增器等光的作用仅使物体的电阻率改变的现象如：光敏电阻光照作用下使物体产生一定的电势如：光敏二极管、光敏三极管、光电池、光敏晶体管等光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的原理制成的光电器件称内光电效应器件，常见的有光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。一、内光电效应器件（一）光敏电阻(光导管)纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。不足：需要外部电源，有电流时会发热。光敏功能材料及传感器41、光敏电阻的结构A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬底引线电极引线光电导体为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案，结构见下图。光敏电阻的结构如图所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。光敏功能材料及传感器1--光导层;2--玻璃窗口;3--金属外壳;4--电极;5--陶瓷基座;6--黑色绝缘玻璃;7--电阻引线。(b)电极RG(c)符号光敏电阻的制作方式CdS光敏电阻的结构和符号（硫化镉）1234567(a)结构是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金（Au）或铟（In））等金属形成的。这种梳状电极，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。图（c）是光敏电阻的代表符号。光敏功能材料及传感器光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将光电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。RGRLEI光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。光敏电阻的制作方式光敏功能材料及传感器2、光敏电阻的主要参数和基本特性（1）暗电流、亮电流、光电流暗电流(Id)：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称为暗电流。亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时在给定电压下流过的电流称为亮电流。光电流(IL)：亮电流与暗电流之差。光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小,则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至高达100MΩ，而亮电阻则在几kΩ以下，暗电阻与亮电阻之比在102～106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。光敏功能材料及传感器8（2）光照特性下图表示CdS光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光照度之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同.1000012345I/mAE/lx2000但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。Lx:照度的国际单位（SI），又称米烛光。1流明的光通量均匀分布在1平方米面积上的照度，就是一勒克斯。可以标作勒［克斯］，简称勒。英为lux，简作lx。2、光敏电阻的主要参数和基本特性光敏功能材料及传感器光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。204060801000.40.81.21.622.4λ/μm312相对灵敏度1——硫化镉2——硒化镉3——硫化铅（3）光谱特性2、光敏电阻的主要参数和基本特性光敏功能材料及传感器在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。5010015020012U/V02040I/μA（4）伏安特性2、光敏电阻的主要参数和基本特性光敏功能材料及传感器当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同。如图。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时延（时间常数）都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。20406080100I/%f/Hz010102103104硫化铅硫化镉（5）频率特性2、光敏电阻的主要参数和基本特性光敏功能材料及传感器光电二极管基本结构是一个PN结。它的结面积小，因此它的频率特性特别好。输出电流小，一般为几μA到几十μA。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。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。(二）光敏二极管和光敏三极管光敏功能材料及传感器光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图所示。光敏二极管符号PN光RL光PN光敏二极管接线1、光敏二极管CL-5M3B5mmPhototransistor光敏功能材料及传感器14光敏二极管的光电流I与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。光敏二极管处于截止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流。暗电流；当光照射时，光敏二极管导通。受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，形成了光电流。光电流：1、光敏二极管光敏功能材料及传感器（1）PIN管结光电二极管P-SiN-SiI-SiPIN管结构示意图PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于I层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小,频带将变宽。1、光敏二极管光敏功能材料及传感器①最大特点：频带宽，可达10GHz。特点：②另一个特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用,可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。不足：1、光敏二极管光敏功能材料及传感器雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。这种管子工作电压很高，约100～200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。但由于APD的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。（2）雪崩光电二极管(APD)光敏二极管的种类和用途见表10-21、光敏二极管光敏功能材料及传感器（1）光敏三极管有PNP型和NPN型两种，如图。2、光敏三极管其结构与一般三极管很相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的很大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对,在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与发射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流,且集电极电流为光电流的β倍。RLECEPPNNNPebbcec（1）（2）光敏功能材料及传感器))(1(CBOpCIIIIC:集电极电流；IP：基极与集电极p-n结的光生电流；ICBO：无光照时p-n结反向饱和电流；：共发射极直流放大系数。pCII)1(一般反向饱和电流ICBO很小，所以有：2、光敏三极管光敏功能材料及传感器20（2）光敏三极管的主要特性：光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。①光谱特性相对灵敏度/%硅锗入射光λ/Å400080001200016000100806040200硅的峰值波长为9000Å，锗的峰值波长为15000Å。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。2、光敏三极管光敏功能材料及传感器②伏安特性光敏三极管的伏安特性曲线如图所示。光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极e与基极b之间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080光敏晶体管的伏安特性U/V2、光敏三极管光敏功能材料及传感器光敏晶体管的光照特性I/μAL/lx200400600800100001.02.03.0光敏三极管的光照特性如图所示。它给出了光敏三极管的输出电流I和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大(几klx)时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。③光照特性2、光敏三极管光敏功能材料及传感器暗电流/mA10203040506070T/ºC25050光电流/mA10002003004001020304050607080T/ºC光敏晶体管的温度特性光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大．所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。④温度特性2、光敏三极管光敏功能材料及传感器光敏三极管的频率特性曲线如图所示。光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。0100100050050001000020406010080RL=1kΩ