改 5半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件

1、 第一節(jié)、光敏電阻的工作原理第一節(jié)、光敏電阻的工作原理 第二節(jié)、光敏電阻的主要特性參數(shù)第二節(jié)、光敏電阻的主要特性參數(shù) 第三節(jié)、幾種常用的光敏電阻第三節(jié)、幾種常用的光敏電阻 第四節(jié)、光敏電阻的基本偏置電路和噪聲第四節(jié)、光敏電阻的基本偏置電路和噪聲 第五節(jié)、應(yīng)用舉例第五節(jié)、應(yīng)用舉例第五章第五章 半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件簡稱簡稱PCPC（PhotoconductivePhotoconductive）探測器）探測器 光敏電阻定義：利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制光敏電阻定義：利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電探測器。成的光電探測器。 最典型的光電導(dǎo)器件是光敏電阻最典型的光電導(dǎo)器件是光敏電阻 優(yōu)點

2、：優(yōu)點： 光譜響應(yīng)寬：紫外極遠紅外光譜響應(yīng)寬：紫外極遠紅外 工作電流大，可達數(shù)毫安工作電流大，可達數(shù)毫安 可測強光，可測弱光可測強光，可測弱光 靈敏度高，光電導(dǎo)增益大于靈敏度高，光電導(dǎo)增益大于1 偏置電壓低，無極性之分偏置電壓低，無極性之分 缺點：缺點： 強光照射下，光電轉(zhuǎn)換線性較差強光照射下，光電轉(zhuǎn)換線性較差 光電弛豫過程較長光電弛豫過程較長 頻率響應(yīng)很低頻率響應(yīng)很低第一節(jié)、光敏電阻的工作原理第一節(jié)、光敏電阻的工作原理 1、工作原理及類型、工作原理及類型 分類分類本征型光敏電阻：本征型光敏電阻：雜質(zhì)型光敏電阻：雜質(zhì)型光敏電阻：)nm(12400ggEEhc)nm(12400EEhc1.常用常

3、用N型型(遷移率高，性能穩(wěn)定遷移率高，性能穩(wěn)定) 2.極低溫度下工作極低溫度下工作 暗電流與光電流暗電流與光電流 00000()1pdddVAq npVAVVVIRL ALLL A2()nnpnpppVLVAqnpqNVAILL ;pnNNnpA LA L 結(jié)論：光電流與結(jié)論：光電流與V V，成正比，與成正比，與L L2 2成反比成反比N:N:單位時間產(chǎn)生單位時間產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)的電子空穴對數(shù)蛇形：減小蛇形：減小L L，但受光，但受光面積不致太小面積不致太小 第一節(jié)、光敏電阻的工作原理第一節(jié)、光敏電阻的工作原理 第二節(jié)、光敏電阻的主要特性參數(shù)第二節(jié)、光敏電阻的主要特性參數(shù) 第三節(jié)、幾種常用的

4、光敏電阻第三節(jié)、幾種常用的光敏電阻 第四節(jié)、光敏電阻的基本偏置電路和噪聲第四節(jié)、光敏電阻的基本偏置電路和噪聲 第五節(jié)、應(yīng)用舉例第五節(jié)、應(yīng)用舉例第五章第五章 半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件第二節(jié)、光敏電阻的主要特性參數(shù)第二節(jié)、光敏電阻的主要特性參數(shù) 一、光電導(dǎo)增益一、光電導(dǎo)增益(M) 二、光譜響應(yīng)率二、光譜響應(yīng)率 三、時間常數(shù)三、時間常數(shù) 四、光電特性與四、光電特性與值值 五、前歷效應(yīng)五、前歷效應(yīng) 六、溫度特性六、溫度特性一、光電導(dǎo)增益一、光電導(dǎo)增益(M) 定義：光電導(dǎo)受光照工作時，外部光電流與光電定義：光電導(dǎo)受光照工作時，外部光電流與光電子形成的內(nèi)部電流（子形成的內(nèi)部電流（qN）之間的比值：

5、）之間的比值： 內(nèi)部光電流內(nèi)部光電流 N為單位時間內(nèi)產(chǎn)生（涌出）的載流子數(shù)量，這里為單位時間內(nèi)產(chǎn)生（涌出）的載流子數(shù)量，這里以內(nèi)部光電流命名，但并無電流的方向性以內(nèi)部光電流命名，但并無電流的方向性 量子效率量子效率 表示一個光子所能產(chǎn)生的電子表示一個光子所能產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)空穴對數(shù)PIMqN222pnnppnnppnpIVVVMMMqNLLL 電子增益系數(shù)電子增益系數(shù)空穴增益系數(shù)空穴增益系數(shù)另一表示形式另一表示形式nnnMtpppMttn,tp為載流子在兩極間渡越時間為載流子在兩極間渡越時間11()pnnpnpnpdrMMMtttttdrt為載流子兩極間有效渡越時間為載流子兩極間有效渡越時

6、間二、光譜響應(yīng)率二、光譜響應(yīng)率 定義：特定波長下，輸出光電流（電壓）定義：特定波長下，輸出光電流（電壓）與入射輻射通量之比。與入射輻射通量之比。( )( )( )pIqSMhC( )( )( )pdrIqMqhht三、時間常數(shù)三、時間常數(shù) 一般對于光脈沖信號用響應(yīng)時間一般對于光脈沖信號用響應(yīng)時間來描述來描述 對于正弦調(diào)制的光信號則用頻率響應(yīng)來描述對于正弦調(diào)制的光信號則用頻率響應(yīng)來描述 截至頻率：幅值下降到零頻時的截至頻率：幅值下降到零頻時的0.707，功率為零，功率為零頻時的一半。頻時的一半。12fLp 0iLip 0p 00= (/)iRRRCRCRC 光電導(dǎo)探測器總的響應(yīng)時間由探測器本身響

7、應(yīng)時間光電導(dǎo)探測器總的響應(yīng)時間由探測器本身響應(yīng)時間決定決定 ，與外接負載電阻大小無關(guān)。，與外接負載電阻大小無關(guān)。光電導(dǎo)的響應(yīng)時間由載流子產(chǎn)生與復(fù)合運動決定，光電導(dǎo)的響應(yīng)時間由載流子產(chǎn)生與復(fù)合運動決定，即為光生載流子平均壽命即為光生載流子平均壽命所決定。所決定。zongp0iLi0=(/)0RRRCC等效電容等效電容C0一般畫出，因為不適用于一般畫出，因為不適用于RL和和Ri很小的很小的情況，因為器件的時間特性并不隨外電路而變情況，因為器件的時間特性并不隨外電路而變通常通常Ci遠小于遠小于C0p00RC四、光電特性與四、光電特性與值值 定義：光電流與入射光通量之間的關(guān)系定義：光電流與入射光通量之

8、間的關(guān)系弱光照射時，光電流和光通量關(guān)系呈線性弱光照射時，光電流和光通量關(guān)系呈線性照射光變強時，照射光變強時，和和tdr發(fā)生變化，光電流和發(fā)生變化，光電流和光通量關(guān)系呈非線性，可表示為：光通量關(guān)系呈非線性，可表示為： Sg光電導(dǎo)靈敏度，光電導(dǎo)靈敏度，照度指數(shù)。照度指數(shù)。=0.51。( )( )pdrIqht( )PgIS VE( )PgIS V 弱光照時，為弱光照時，為 =1時，稱為直線性光電導(dǎo)；時，稱為直線性光電導(dǎo)； 強光照時，為強光照時，為 =0.5，稱為非線性光電導(dǎo)，稱為非線性光電導(dǎo) 亮電流：亮電流：( )PgpIS VEg VpgggS ES()pdpdgdIIIg Vg VS Eg V

9、gVpdggg11( )lglglgpPgpgVRIS ERSE =1時，時，gp稱為光敏電阻光電導(dǎo)稱為光敏電阻光電導(dǎo)前歷效應(yīng)前歷效應(yīng) 定義：測試前光敏電阻所處的狀態(tài)（無或有光照）定義：測試前光敏電阻所處的狀態(tài)（無或有光照）對光敏電阻后續(xù)測量的影響。對光敏電阻后續(xù)測量的影響。 短（暗）態(tài)前歷效應(yīng)短（暗）態(tài)前歷效應(yīng) 無光照放置無光照放置3分鐘分鐘-1lx照度測不同時刻阻值照度測不同時刻阻值-R0/R測測時間時間(S)125101520306090阻值阻值(K)6.5 65.5 5.2 5.2 5.2 5.2 5.1 5.0中（亮）態(tài)前歷效應(yīng)中（亮）態(tài)前歷效應(yīng)無光照放置一天無光照放置一天-100l

10、x照度測阻值照度測阻值R11000lx放置放置15分鐘分鐘- 100lx照度測阻值照度測阻值R2(R2-R1)/R1元件編號元件編號123456R12.745.062.252.421.452.23R22.895.242.392.61.482.31(R2-R1)/R1%5.53.66.27.423.6溫度特性溫度特性 溫度的變化，導(dǎo)致其長波限、峰值響應(yīng)波長、響溫度的變化，導(dǎo)致其長波限、峰值響應(yīng)波長、響應(yīng)率等都發(fā)生變化。應(yīng)率等都發(fā)生變化。 為了提高靈敏度，必須采用冷卻裝置，尤其是雜為了提高靈敏度，必須采用冷卻裝置，尤其是雜質(zhì)型半導(dǎo)體受溫度影響更明顯。質(zhì)型半導(dǎo)體受溫度影響更明顯。 第一節(jié)、光敏電阻的

11、工作原理第一節(jié)、光敏電阻的工作原理 第二節(jié)、光敏電阻的主要特性參數(shù)第二節(jié)、光敏電阻的主要特性參數(shù) 第三節(jié)、幾種常用的光敏電阻第三節(jié)、幾種常用的光敏電阻 第四節(jié)、光敏電阻的基本偏置電路和噪聲第四節(jié)、光敏電阻的基本偏置電路和噪聲 第五節(jié)、應(yīng)用舉例第五節(jié)、應(yīng)用舉例第五章第五章 半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件第三節(jié)、幾種常用的光敏電阻第三節(jié)、幾種常用的光敏電阻 硫化鎘硫化鎘(CdS).CdS是是可見光區(qū)可見光區(qū)最靈敏光電導(dǎo)器件，最靈敏光電導(dǎo)器件，CdS的響應(yīng)波長范圍的響應(yīng)波長范圍0.30.8微米，峰值波微米，峰值波長長0.52微米，接近人眼最敏感的波長。微米，接近人眼最敏感的波長。.CdS光敏電阻的

12、亮暗電導(dǎo)比在光敏電阻的亮暗電導(dǎo)比在10lx照度照度上可達上可達1011（一般為（一般為106），響應(yīng)度為），響應(yīng)度為50A/lm，響應(yīng)時間為，響應(yīng)時間為ms s。.廣泛地用于自動控制燈光，自動調(diào)焦和廣泛地用于自動控制燈光，自動調(diào)焦和自動相機中自動相機中 硫化鉛硫化鉛(PbS) .PbS光敏電阻是光敏電阻是近紅外區(qū)近紅外區(qū)最靈敏的光電導(dǎo)探測最靈敏的光電導(dǎo)探測器件。器件。 響應(yīng)波長范圍：響應(yīng)波長范圍：1.03.5微米，峰值響應(yīng)波長為微米，峰值響應(yīng)波長為2.4微米，峰值探測率微米，峰值探測率: D*=1.5*1011cm.Hz0.5/W 冷卻到干冰溫度冷卻到干冰溫度195K時時,光譜響應(yīng)范圍為光譜響

13、應(yīng)范圍為1.04.0微米，峰值波長延伸到微米，峰值波長延伸到2.8微米，歸一化探測率可微米，歸一化探測率可提高一個數(shù)量級。提高一個數(shù)量級。 .缺點：響應(yīng)時間長，室溫條件下為缺點：響應(yīng)時間長，室溫條件下為100300 ms.低溫下低溫下(77K)可達幾十可達幾十ms。 銻化銦銻化銦lnSb室溫下長波限可達室溫下長波限可達7.5微米微米,峰值探測率峰值探測率D*=1.2*109cm.Hz0.5/W ，時間常數(shù)為，時間常數(shù)為2*10-2微秒。冷卻到微秒。冷卻到77K（液氨）時，長波限減少（液氨）時，長波限減少到到5.5微米，響應(yīng)時間為微米，響應(yīng)時間為1微秒。這時微秒。這時InSb光敏電阻所對應(yīng)的峰值

14、波長剛好在大氣窗口光敏電阻所對應(yīng)的峰值波長剛好在大氣窗口35微米光譜范內(nèi)，因此得到廣泛應(yīng)用。微米光譜范內(nèi)，因此得到廣泛應(yīng)用。 碲鎘汞碲鎘汞Hg1-xCdxTe光敏電阻：光敏電阻：a、它是目前所有探測器中性能最優(yōu)良最有、它是目前所有探測器中性能最優(yōu)良最有前途的探測器，尤其對前途的探測器，尤其對8-14微米大氣窗口波微米大氣窗口波段的探測。段的探測。b、它由化合物、它由化合物CdTe和和HgTe兩種材料的混兩種材料的混合晶體制備而成。由于合晶體制備而成。由于Cd組分（組分（X量量mol物質(zhì)的量）不同，得到不同的物質(zhì)的量）不同，得到不同的Eg值。值。X變化范圍變化范圍1.8-0.4，對應(yīng)探測長波限，

15、對應(yīng)探測長波限3-30微微米米 碲錫鉛系列光敏電阻碲錫鉛系列光敏電阻a、由、由PbTe和和SnTe兩種材料的混合晶體制兩種材料的混合晶體制備。備。Eg變化范圍不大，只能制造出長波限變化范圍不大，只能制造出長波限大于大于2.5um的探測器的探測器.b、能工作在、能工作在814微米波段，但探測率微米波段，但探測率D*低，應(yīng)用不廣泛。低，應(yīng)用不廣泛。 第一節(jié)、光敏電阻的工作原理第一節(jié)、光敏電阻的工作原理 第二節(jié)、光敏電阻的主要特性參數(shù)第二節(jié)、光敏電阻的主要特性參數(shù) 第三節(jié)、幾種常用的光敏電阻第三節(jié)、幾種常用的光敏電阻 第四節(jié)、光敏電阻的基本偏置電路和噪聲第四節(jié)、光敏電阻的基本偏置電路和噪聲 第五節(jié)、

16、應(yīng)用舉例第五節(jié)、應(yīng)用舉例第五章第五章 半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件第四節(jié)、光敏電阻的基本偏置電路第四節(jié)、光敏電阻的基本偏置電路和噪聲和噪聲 基本偏置電路基本偏置電路LbIRUUmaxPIUP科科1414對應(yīng)的輸出電流電壓對應(yīng)的輸出電流電壓pLbRRUIp2pLbRRRUI USRRRIg b2pL2pUSRRRRRIUg bL2pL2pLLp2pp11pggRGS RR S 1 1恒流偏置電路恒流偏置電路RLRP 幾種典型偏置電路幾種典型偏置電路pLbRRUILbRUI 由于由于RL較大，偏置電壓通常在較大，偏置電壓通常在100V以上，為以上，為降低電源電壓，通常采用晶體管作恒流器件降低電

17、源電壓，通常采用晶體管作恒流器件特點特點: 信噪比高弱信號檢測信噪比高弱信號檢測2 2恒壓偏置電路恒壓偏置電路RLRP 特點特點: 輸出信號與光敏電阻無關(guān)更換輸出信號與光敏電阻無關(guān)更換LbIRUUbUU USRUgbLLUSRRRRUgbL2pL2pLbbepRUUU3 3恒功率偏置電路恒功率偏置電路RL=RP, 2bmax1224bLLbLLUUPI VURR不同光照不同光照(1 12 2) )對應(yīng)不同對應(yīng)不同R RP P (R(RP1P1RRp2p2) )12LppRR R得到最大得到最大VVL L噪聲噪聲 熱噪聲熱噪聲+產(chǎn)生產(chǎn)生-復(fù)合噪聲復(fù)合噪聲+1/f噪聲噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲1

18、/f噪聲噪聲熱噪聲熱噪聲)2(1 42022fNfIin21nfB Iiff2nr4pLpLRRikTfRR2222nngrnfntiiii總噪聲總噪聲減小噪聲方法減小噪聲方法高頻調(diào)制減小噪聲高頻調(diào)制減小噪聲制冷降低熱噪聲制冷降低熱噪聲選擇最佳偏流選擇最佳偏流f100Hzf100Hz1/f1/f噪聲為主噪聲為主100Hzf1000Hz100Hzf1000Hzf1000Hz熱噪聲為主熱噪聲為主 第一節(jié)、光敏電阻的工作原理第一節(jié)、光敏電阻的工作原理 第二節(jié)、光敏電阻的主要特性參數(shù)第二節(jié)、光敏電阻的主要特性參數(shù) 第三節(jié)、幾種常用的光敏電阻第三節(jié)、幾種常用的光敏電阻 第四節(jié)、光敏電阻的基本偏置電路和噪聲