第三章 光电检测

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1、第三章第三章 半导体光电检测器件及应用半导体光电检测器件及应用第三章第三章 半导体光电检测器件及应用半导体光电检测器件及应用 光敏电阻光敏电阻 光生伏特器件光生伏特器件-光电池光电池 光电二极管与光电三极管光电二极管与光电三极管 光热辐射检测器件光热辐射检测器件 各种光电检测器件的性能比较各种光电检测器件的性能比较3光电器件的分类 一、按工作波段分一、按工作波段分 紫外光探测器紫外光探测器 可见光探测器可见光探测器 红外光探测器红外光探测器 二、按应用分二、按应用分 换能器换能器 将光信息（光能）转换成电信息（电能）将光信息（光能）转换成电信息（电能） 非成像型非成像型 光信息转换成电信息光信

2、息转换成电信息 探测器探测器 变像管变像管 成像型成像型 像增强器像增强器 摄像管摄像管 真空摄像管真空摄像管 固体成像器件固体成像器件CCD光电检测器件光子器件热电器件真空器件固体器件光电管光电倍增管真空摄像管变像管像增强管光敏电阻光电池光电二极管光电三极管光纤传感器电荷耦合器件CCD热电偶/热电堆热辐射计/热敏电阻热释电探测器3-1 3-1 光敏电阻光敏电阻 在光的照射下材料的电阻率发生改变的现象称为内光电效应。半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象，也称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。6一、光敏电阻的工

3、作原理及结构一、光敏电阻的工作原理及结构光敏电阻符号IpIp金属金属电极电极光电导材料光电导材料入射光入射光Ubb当入射光子使半导体物质中的电子由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，此时可得负载电阻，可输出电信号，此时可得出光电导出光电导g与光电流与光电流I光光的表达式为的表达式为：g=gL-gdI光=IL-Id光敏电阻光敏电阻7光敏电阻阻值对光照特别敏感，是一种典型的利用光电导效应制

4、成的光电探测器件。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。对于本征型，可用来检测可见光和近红外辐射对于非本征型可以检测波长很长的辐射光敏电阻光敏电阻8光敏电阻设计的基本原则光敏电阻设计的基本原则：光敏电阻在弱光辐射下光光敏电阻在弱光辐射下光电导灵敏度电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离与光敏电阻两电极间距离l的平方成反比的平方成反比 ，在强辐射作用下在强辐射作用下Sg与与l的二分之三次方成反比，的二分之三次方成反比，因此在设计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时，尽

5、可能地缩短光敏电阻两极间距离。光敏电阻的基本结构光敏电阻的基本结构Ipl金属电金属电极极光电导材料光电导材料入射光入射光Ubb减小距离减小距离l，提高提高灵敏度灵敏度光敏电阻光敏电阻9光敏电阻光敏电阻10组成：它由一块涂在绝缘基底上的组成：它由一块涂在绝缘基底上的光电导材料薄膜和两端接有两个引光电导材料薄膜和两端接有两个引线，封装在带有窗口的金属或塑料线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。电极和光电导体之间呈欧外壳内。电极和光电导体之间呈欧姆接触。姆接触。光敏电阻在电路中的符号光敏电阻在电路中的符号光敏电阻的基本结构光敏电阻的基本结构光敏电阻光敏电阻11梳状式梳状式 玻璃基底上蒸镀梳状金属膜而

6、制成；或在玻璃玻璃基底上蒸镀梳状金属膜而制成；或在玻璃基底上面蚀刻成互相交叉的梳状槽，在槽内填入基底上面蚀刻成互相交叉的梳状槽，在槽内填入黄金黄金或或石墨石墨等导电物质，在表面再敷上一层光敏等导电物质，在表面再敷上一层光敏材料。如图所示。材料。如图所示。绝缘基底绝缘基底光电导体膜光电导体膜光敏电阻光敏电阻12刻线式刻线式在玻璃基片上镀制一层薄的金属箔，将其刻划成栅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。结构如下图所示。涂膜式涂膜式在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成。其结在玻璃基片上直

7、接涂上光敏材料膜后而制成。其结构下图。构下图。光敏电阻光敏电阻13二、光敏电阻的特性参数二、光敏电阻的特性参数1 1、光电特性、光电特性对CdS光电导体，弱光照射下=1，强光下=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）流呈饱和趋势。（冷却可以改善）光敏电阻的光电特性是指在一定电压作用下流过光敏电阻的电流与作用到光敏电阻上的光通量（光照度）的关系。OI光ECdS的

8、光电特性光敏电阻光敏电阻142 2、伏安特性（输出特性）、伏安特性（输出特性）在一定的光照下，光电流在一定的光照下，光电流 I光光与所加电压与所加电压的关系的关系50100510)(VV0ELx10Lx100Lx1000)(mAI0允许功耗限一定的光照下，一定的光照下，光光与电压与电压的关系的关系; 相同的电压下，相同的电压下，光光与光照与光照的关系的关系光敏电阻光敏电阻15 说明：说明：（1) 光敏电阻为纯电阻，符合欧姆定律，对多数半导体，当光敏电阻为纯电阻，符合欧姆定律，对多数半导体，当 电场强度电场强度超过超过104伏特伏特/厘米厘米 （强光时），（强光时），不遵守欧姆不遵守欧姆 定律定

9、律。硫化镉例外，其伏安特性在硫化镉例外，其伏安特性在100多伏多伏/厘米就不成线性了。厘米就不成线性了。（2）光照使光敏电阻发热，使得在额定功耗内工作，其最）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，而功耗功率又和其高使用电压由其耗散功率所决定，而功耗功率又和其面积面积大小、大小、散热散热情况有关。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。）伏安特性曲线和负载线的交点即为光敏电阻的工作点。 光敏电阻光敏电阻16光敏电阻为多数载流子导电的光电器件，具有复杂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

10、。的温度特性。不同材料的光敏电阻温度特性不同。温度升高可以导致材料光电导率的下降。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。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。CdS和和CdSe光敏电阻不同光敏电阻不同照度下的温度特性曲线照度下的温度特性曲线20406080100T501001502000I光电流随温度的变化光电流随温度的变化3 3、温度特性、温度特性光敏电阻光敏电阻174 4、前历效应、前历效应指光敏电阻的时间特性与工作前指光敏电阻的时间特性与工作前“历史历史”有关的一种现象。即有关的一种现象。即测试前光敏电阻所处状态

11、对光敏电阻特性的影响。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：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，受到光照后光电流上升的快慢程度。一般地，工作电压工作电压越低，越低，光照度光照度越低，则暗态前历效应就越重，光电流上升越慢。越低，则暗态前历效应就越重，光电流上升越慢。 1-黑暗放置黑暗放置3分钟后分钟后 2-黑暗放置黑暗放置60分钟后分钟后 3-黑暗放置黑暗放置24小时后小时后光敏电阻光敏电阻18 亮态前历效应亮态前历效应：光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照：光敏电阻测试或工作