第三章之第一部分光电二极管

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。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。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。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）UESIg光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。厘米伏4103.1.2、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。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20406080100T501001502000I3.1.2、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-PbS3.1.2、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10lx100lx3.1.2、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。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。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ESRg1ESRRg2ppLbRRRUII2pLbppLbppLbRRURRRURRRUI22pLbgpRRUSRI2、基本偏置电路3.1.3、光敏电阻的应用电路URLULI输出电压LpLbgppLLbpLRRRUSRRRRURU2223.1.3、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3.1.4、光敏电阻使用的注意事项1.测光的光源光谱特性与光敏电阻的光敏特性相匹配。2.要防止光敏电阻受杂散光的影响。3.要防止使光敏电阻的电参数(电压,功耗)超过允许值。4.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。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NP)(电极)(电极入射光线几个特征：•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1kTRIVqspLsLeIII1kTqVspLeIII1kTqVsgLeIESI1、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IpIs,当RL=0时，Isc=Ip=Sg·E下面看两个关系：1kTqVsgLeIESI当E=0时1kTqVsLeII1lnspocIIqkTVspocIIqkTVln0200040006000800010000123454.03.02.01.0scIocU)/(2cmmAIsc)(VUoc)(LxE1、Voc，Isc与E的关系：当IL=0，RL=∞时一般IpIs,且Ip=Sg·E3.2.2硅光电池的特性参数用于光电池检测当V=0，RL=0时，1lnspocIIqkTV1lnsgocIESqkTVESIIgpsc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？1kTqVsgLeIESI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2、输出特性3.2.2硅光电池的特性参数RL/Ω0100200300400500Voc/VIsc/mA400200010080400PLVocILRM