光電信號檢測第三章第一部分光電二極管剖析

光電信號檢測第三章第一部分光電二極管剖析第一頁，共59頁。第三章

半導體光電檢測器件及應用3.1光敏電阻3.2光生伏特器件--光電池3.3光電二極管與光電三極管3.4發(fā)光器件3.5光電耦合器件3.6光電位置敏感器件3.7光熱輻射檢測器件3.8各種光電檢測器件的性能比較第二頁，共59頁。3.1光敏電阻利用具有光電導效應的材料（如Si、Ge等本征半導體與雜質(zhì)半導體，如CdS、CdSe、PbO）可以制成電導率隨入射光輻射量變化而變化的器件，這類器件被稱為光電導器件或光敏電阻。結(jié)構(gòu)特點：體積小、堅固耐用、價格低廉、光譜響應范圍寬，廣泛應用于微弱輻射信號的檢測技術(shù)領域。第三頁，共59頁。3.1.1、光敏電阻的結(jié)構(gòu)及工作原理UbbIpIp金屬電極光電導材料入射光光敏電阻原理及符號光敏電阻符號工作原理第四頁，共59頁。UIp電極入射光當入射光子使半導體物質(zhì)中的電子由價帶躍升到導帶時，導帶中的電子和價帶中的空穴均參與導電，因此電阻顯著減小，電導增加，或連接電源和負載電阻，可輸出電信號，此時可得出光電導g與光電流I光的表達式為：工作原理g=gL-gdI光=IL-Id第五頁，共59頁。工作原理光敏電阻按半導體材料的不同可分為本征型和雜質(zhì)型兩種，本征型半導體光敏電阻常用于可見光長波段檢測，雜質(zhì)型常用于紅外波段至遠紅外波段光輻射的檢測。光敏電阻設計的基本原則光敏電阻在弱光輻射下光電導靈敏度Sg與光敏電阻兩電極間距離l的平方成反比，在強輻射作用下Sg與l的二分之三次方成反比，因此在設計光敏電阻時，盡可能地縮短光敏電阻兩極間距離。第六頁，共59頁。光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)12321-光電導材料；2-電極；3-襯底材料絕緣基底光電導體膜第七頁，共59頁。工作性能特點：光譜響應范圍相當寬?？梢姽狻⒓t外、遠紅外、紫外區(qū)域工作電流大，可達數(shù)毫安。所測光電強度范圍寬，既可測弱光，也可測強光靈敏度高，光電增益可以大于1無選擇極性之分，使用方便。缺點：強光下光電線性度較差，弛豫時間過長，頻率特性差。第八頁，共59頁。光敏電阻的種類及應用主要材料：Si、Ge、II-VI族和III-V族化合物，以及一些有機物。分紫外光、可見光、紅外及遠紅外敏感的光敏電阻。應用：照相機、光度計、光電自動控制、輻射測量、能量輻射、物體搜索和跟蹤、紅外成像和紅外通信等技術(shù)方面制成的光輻射接收器件。第九頁，共59頁。3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)1、光電特性光敏電阻的光電流I光與輸入輻射照度有下列關系式：其中：I光為光電流，I光=IL-Id；

E為照度，γ為光照指數(shù)，與材料的入射強弱有關，對CdS光電導體，弱光照射下γ=1，強光下γ=0.5；

U為光敏電阻兩端所加電壓，α為電壓指數(shù)，與光電導體和電極材料間接觸有關，歐姆接觸時α=1，非歐姆接觸時α=1.1-1.2Sg為光電導靈敏度，單位S/lxOI光ECdS的光電特性對CdS光電導體，弱光照射下γ=1，強光下γ=0.5；為什么？

光照增強的同時，載流子濃度不斷的增加，同時光敏電阻的溫度也在升高，從而導致載流子運動加劇，因此復合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢。（冷卻可以改善）第十頁，共59頁。2、伏安特性（輸出特性）

一定光照下，光敏電阻的光電流與所加電壓關系即為伏安特性。3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)允許的功耗線O10電壓V/VI光/mA510050100lx10lx250mW光敏電阻的伏安特性

光敏電阻為一純電阻，符合歐姆定律，曲線為直線。但對大多數(shù)半導體，電場強度超過時，不再遵守歐姆定律。而CdS在100V時就不成線性了。

第十一頁，共59頁。3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)3、溫度特性

光敏電阻為多數(shù)載流子導電的光電器件，具有復雜的溫度特性。不同材料的光敏電阻溫度特性不同。書25頁中圖3-5中為CdS和CdSe光敏電阻不同照度下的溫度特性曲線?？梢钥闯鰷囟壬呖梢詫е虏牧瞎怆妼实南陆怠嶋H中往往采用控制光敏電阻工作的溫度的辦法提高工作穩(wěn)定性。第十二頁，共59頁。3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)

換句話說，溫度的變化，引起溫度噪聲，導致光敏電阻靈敏度、光照特性、響應率等都發(fā)生變化。為了提高靈敏度，必須采用冷卻裝置，尤其是雜質(zhì)型半導體對長波長紅外輻射檢測領域更為重要。溫度特性第十三頁，共59頁。3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)4、前歷效應

指光敏電阻的時間特性與工作前“歷史”有關的一種現(xiàn)象。即測試前光敏電阻所處狀態(tài)對光敏電阻特性的影響。

暗態(tài)前歷效應：指光敏電阻測試或工作前處于暗態(tài)，當它突然受到光照后光電流上升的快慢程度。一般地，工作電壓越低，光照度越低，則暗態(tài)前歷效應就越重，光電流上升越慢。1-黑暗放置3分鐘后

2-黑暗放置60分鐘后

3-黑暗放置24小時后第十四頁，共59頁。

亮態(tài)前歷效應：光敏電阻測試或工作前已處于亮態(tài)，當照度與工作時所要達到的照度不同時，所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象。3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)前歷效應第十五頁，共59頁。3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)5、頻率特性

光敏電阻的時間常數(shù)較大，所以其上限頻率f上低，只有PbS光敏電阻的工作頻率特性達到幾千赫茲。當E=0.11lx時，光敏電阻tr=1.4s，

E=10lx時，光敏電阻tr=66mS,E=100lx時，光敏電阻tr=6mS。

同時，時間特性與輸入光的照度、工作溫度有明顯的依賴關系。4123O1f/Hz相對輸出0.41051010.20.60.81021031041-Se；2-CdS；3-TlS；4-PbS第十六頁，共59頁。3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)6、時間響應

光敏電阻的時間常數(shù)較大，慣性大，時間響應比其它光電器件差。頻率響應低。時間特性與光照度、工作溫度有明顯的依賴關系。Τ’rΤ’fEtOi(%)tO1006337τrτf矩形光脈沖10lx100lx第十七頁，共59頁。3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)7、光譜特性相對靈敏度與波長的關系可見光區(qū)光敏電阻的光譜特性

光譜特性曲線覆蓋了整個可見光區(qū)，峰值波長在515～600nm之間。尤其硫化鎘（2）的峰值波長與人眼的很敏感的峰值波長（555nm）是很接近的，因此可用于與人眼有關的儀器。第十八頁，共59頁。3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)光譜特性紅外區(qū)光敏電阻的光譜特性注明：此特性與所用材料的光譜響應、制造工藝、摻雜濃度和使用的環(huán)境溫度有關。第十九頁，共59頁。1、常用光敏電阻CdS光敏電阻：峰值響應波長0.52um，摻銅或氯時峰值波長變長，光譜響應向紅外區(qū)延伸，其亮暗電導比在10lx照度上可達1011(一般約為106)，其時間常數(shù)與入射光強度有關，100lx下可達幾十毫秒。是可見光波段最靈敏的光敏電阻。PbS光敏電阻：響應波長在近紅外波段，室溫下響應波長可達3um，峰值探測率Dλ*=1.5Χ1011cm·Hz1/2/w。缺點主要是響應時間太長，室溫條件下100-300uS。內(nèi)阻約為1MΩ，銻化銦（InSb）光敏電阻：長波限7.5um，內(nèi)阻低（約50Ω），峰值探測率Dλ*=1.2Χ1011cm·Hz1/2/w。時間常數(shù)0.02uS。零度時探測率可提高2-3倍。碲鎘汞HgCdTe系列光敏電阻。其性能優(yōu)良，最有前途的光敏電阻。不同的Cd組分比例，可實現(xiàn)1-3um,3-5um,8-14um的光譜范圍的探測。例如Hg0.8Cd0.2Te響應在大氣窗口8-14um，峰值波長10.6um，Hg0.72Cd0.28Te響應波長在3-5um.碲錫鉛（PbSnTe）系列光敏電阻：不同的錫組分比例，響應波長不同。主要用在8-10um波段探測，但探測率低，應用不廣泛。3.1.3、光敏電阻的應用電路第二十頁，共59頁。2、基本偏置電路3.1.3、光敏電阻的應用電路RPURLULI

忽略暗電導Gd(暗電阻很大)：

G=Gp=SgE或G=SgΦ

即對R求導得到負號表示電阻是隨溫度的增加而減小。當光通量變化時，電阻變化ΔRp，電流變化ΔI，即有：

即第二十一頁，共59頁。2、基本偏置電路3.1.3、光敏電阻的應用電路URLULI輸出電壓第二十二頁，共59頁。3.1.3、光敏電阻的應用電路1、火焰檢測報警器R12kΩ中心站放大器VDW6VR2200kΩR3PbSC168nFC268uFR43.9MΩR5820kΩR71kΩR832kΩR63.9kΩR9150kΩC44.7nF+C3100uFV1V2V3PbS光敏電阻：Rd=1MΩ,Rl=0.2MΩ，峰值波長2.2um。恒壓偏置電路高輸入阻抗放大電路Vo第二十三頁，共59頁?？扉T按鈕驅(qū)動單元UthURUth=???UR=???+_ARp210kΩRp110kΩR2300ΩR15.1kΩC11uFMVDVRCdSUbb3.1.3、光敏電阻的應用電路2、照相機電子快門第二十四頁，共59頁。3、照明燈的光電控制電路3.1.3、光敏電阻的應用電路CKVDRCdS常閉燈~220V半波整流測光與控制執(zhí)行控制第二十五頁，共59頁。3.1.4、光敏電阻使用的注意事項測光的光源光譜特性與光敏電阻的光敏特性相匹配。要防止光敏電阻受雜散光的影響。要防止使光敏電阻的電參數(shù)(電壓,功耗)超過允許值。根據(jù)不同用途，選用不同特性的光敏電阻。一般,數(shù)字信息傳輸:亮電阻與暗電阻差別大，光照指數(shù)γ大的光敏電阻。模擬信息傳輸:則以選用γ值小、線性特性好的光敏電阻。第二十六頁，共59頁。分類按用途太陽能光電池：用作電源（效率高，成本低）測量用光電池：探測器件（線性、靈敏度高等）按材料硅光電池：光譜響應寬，頻率特性好硒光電池：波譜峰值位于人眼視覺內(nèi)薄膜光電池：CdS增強抗輻射能力紫光電池：PN結(jié)非常?。?.2-0.3μm,短波峰值600nm3.2光電池第二十七頁，共59頁。

光電池是一種利用光生伏特效應制成的不需加偏壓就能將光能轉(zhuǎn)化成電能的光電器件。3.2.1光電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理1、金屬-半導體接觸型（硒光電池）基本結(jié)構(gòu)2、PN結(jié)型幾個特征：

1、柵狀電極

2、受光表面的保護膜

3、上、下電極的區(qū)分符號第二十八頁，共59頁。3.2.2硅光電池的特性參數(shù)1、光照特性伏安特性硅光電池工作在第四象限，若工作在反偏置狀態(tài)，則伏安特性將近伸到第三象限。由光電池的電流方程：

Rs很小，可忽略，上式變?yōu)椋篟sRLVDIpI+ILRLVDILIp=Sg·E第二十九頁，共59頁。1、光照特性3.2.2硅光電池的特性參數(shù)負載電流ILERL1RL2RL3RL4RL4RL5RL=∞RL=0Voc1Voc5Isc1Isc2Isc3Isc4Is當IL=0時一般Ip>>Is,

當RL=0時，Isc=Ip=Sg·E下面看兩個關系：當E=0時第三十頁，共59頁。1、Voc，Isc與E的關系：

當IL=0，RL=∞時一般Ip>>Is,且Ip=Sg·E

3.2.2硅光電池的特性參數(shù)用于光電池檢測當V=0，RL=0時，第三十一頁，共59頁。2、Isc與E和RL的關系：3.2.2硅光電池的特性參數(shù)RL=120ΩRL=2.4kΩRL=12kΩE/lxJ/uA·mm2

當RL=0時，

Isc=Ip=Sg·E

當RL不為0時RLVDIL

為什么RL的增加會使光電流減小？第三十二頁，共59頁。光電池光照特性特征1、Voc與光照E成對數(shù)關系；典型值在0.45-0.6V。作電源時，轉(zhuǎn)化效率10%左右。最大15.5-20%。2、Isc與E成線性關系，常用于光電池檢測，Isc典型值

35-45mA/cm2。2、RL越小，線性度越好，線性范圍越寬。3、光照增強到一定程度，光電流開始飽和，與負載電阻有關。負載電阻越大越容易飽和。3.2.2硅光電池的特性參數(shù)第三十三頁，共59頁。2、輸出特性3.2.2硅光電池的特性參數(shù)RL/Ω0100200300400500Voc/VIsc/mA400200

010080400PLVocILRMUL隨RL的增大而增大，直到接近飽和。RL小時IL趨近于短路電流Isc。在RL=RM時，有最大輸出功率，RM稱為最佳負載。光電池作為換能器件時要考慮最大輸出問題，跟入射光照度也有關。作為測量使用，光電池以電流使用。短路電流Isc與光照度成線性關系，RL的存在使IL隨光照度非線性的增加。RL增大，線性范圍越來越小。第三十四頁，共59頁。3、光譜特性3.2.2硅光電池的特性參數(shù)第三十五頁，共59頁。4、溫度特性3.2.2硅光電池的特性參數(shù)Voc具有負溫度系數(shù)，其值約為2-3mV/度。Isc具有正溫度系數(shù)，但隨溫度升高增長的比例很小，約為10-5-10-3mA/度總結(jié)：當光電池接收強光照時要考慮溫度升高的影響。如硅光電池不能超過200度。第三十六頁，共59頁。3.2.3硅光電池的應用1、光電池用作太陽能電池把光能直接轉(zhuǎn)化成電能，需要最大的輸出功率和轉(zhuǎn)化效率。即把受光面做得較大，或把多個光電池作串、并聯(lián)組成電池組，與鎳鎘蓄電池配合，可作為衛(wèi)星、微波站等無輸電線路地區(qū)的電源供給。2、光電池用作檢測元件利用其光敏面大，頻率響應高，光電流與照度線性變化，適用于開關和線性測量等。第三十七頁，共59頁。光電池與外電路的連接方式3.2.3硅光電池的應用-10VVociC3DG62CR×21kΩ硅三極管的放大光電流電路-10VVociC3AX42CR鍺三極管的放大電路1kΩ光電池作緩變信號檢測時的的變換電路舉例第三十八頁，共59頁。硅三極管放大光電流的電路+4VVociC3DG7A2CR1kΩ2AP7100Ω3.2.3硅光電池的應用+_Δ∞VocRf2CR采用運算放大器的電路光電池的變換電路舉例第三十九頁，共59頁。1．太陽電池電源

太陽電池電源系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負載供電，則加一個直流－交流變換器，太陽電池電源系統(tǒng)框圖如圖。逆變器

交流負載

直流負載太陽能電池電源系統(tǒng)阻塞二極管

調(diào)節(jié)控制器太陽電池方陣第四十頁，共59頁。第四十一頁，共59頁。(a)光電追蹤電路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2

圖(a)為光電地構(gòu)成的光電跟蹤電路，用兩只性能相似的同類光電池作為光電接收器件。當入射光通量相同時，執(zhí)行機構(gòu)按預定的方式工作或進行跟蹤。當系統(tǒng)略有偏差時，電路輸出差動信號帶動執(zhí)行機構(gòu)進行糾正，以此達到跟蹤的目的。光電池在檢測和控制方面應用中的幾種基本電路第四十二頁，共59頁。BG2BG1+12VCJR1R2(b)光電開關

圖(b)所示電路為光電開關，多用于自動控制系統(tǒng)中。無光照時，系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài)，如通態(tài)或斷態(tài)。當光電池受光照射時，產(chǎn)生較高的電動勢，只要光強大于某一設定的閾值，系統(tǒng)就改變工作狀態(tài)，達到開關目的。第四十三頁，共59頁。(c)光電池觸發(fā)電路R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW

圖(c)為光電池觸發(fā)電路。當光電池受光照射時，使單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，改變其工作狀態(tài)或觸發(fā)器件(如可控硅)導通。第四十四頁，共59頁。+12V5G23(d)光電池放大電路C3-12VWR1R2R3R4R5C1C218765432圖(d)為光電池放大電路。在測量溶液濃度、物體色度、紙張的灰度等場合，可用該電路作前置級，把微弱光電信號進行線性放大，然后帶動指示機構(gòu)或二次儀表進行讀數(shù)或記錄。

在實際應用中，主要利用光電池的光照特性、光譜特性、頻率特性和溫度特性等，通過基本電路與其它電子線路的組合可實現(xiàn)或自動控制的目的。第四十五頁，共59頁。220VC1路燈CJD-108V200μF200μFC2C3100μFR1R3R5R7R4R6R7R2J470kΩ200kΩ10kΩ4.3kΩBG1280kΩ25kΩ57kΩ10kΩ路燈自動控制器BG2BG3BG42CR第四十六頁，共59頁。光電二極管的分類：按材料分，光電二極管有硅、砷化鎵、銻化銦光電二極管等許多種。按結(jié)構(gòu)分，有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分。其中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管。國產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導電類型不同，分為2CU和2DU兩種系列。2CU系列以N-Si為襯底，2DU系列以P-Si為襯底。2CU系列的光電二極管只有兩條引線，而2DU系列光電二極管有三條引線。3.3光電二極管與光電三極管第四十七頁，共59頁。3.3光電二極管與光電三極管光電二極管與光電池的特性比較基本結(jié)構(gòu)相同，由一個PN結(jié)；光電二極管的光敏面小，結(jié)面積小，頻率特性好，雖然光生電動勢相同,但光電流普遍比光電池小,為數(shù)微安。摻雜濃度：光電池約為1016-1019/cm3，硅光電二極管1012~1013/cm3，電阻率：光電池0.1-0.01Ω/cm，光電二極管1000Ω/cm。光電池零偏壓下工作，光電二極管反偏壓下工作。光電二極管的類型：硅、鍺、PIN、APD第四十八頁，共59頁。3.3光電二極管與光電三極管光電二極管的工作原理NP光+_外加反向偏壓符號第四十九頁，共59頁。光電二極管的基本結(jié)構(gòu)3.3光電二極管與光電三極管N環(huán)極前極N+N+P后極環(huán)型光電二極管的結(jié)構(gòu)前級后級環(huán)級VARLhν等效電路第五十頁，共59頁。光電二極管的伏安特性IUOE2>E1>E0E0E1E3加正向偏壓時，表現(xiàn)為單向?qū)щ娦?。作為光敏二極管使用時，需要加反向偏壓，當有光照時會產(chǎn)生光電流，且光電流遠大于反向飽和電流。反向偏壓可以減小載流子的渡越時間和二極管的極間電容。反向偏壓較小時反向電壓達到一定值時。uiO暗電流E=200lxE=400lx第五十一頁，共59頁。光電二極管的光譜特性1、光敏二極管在較小負載電阻下，光電流與入射光功率有較好的線性關系。2、光敏二極管的響應波長與GaAs激光管和發(fā)光二極管的波長一致，組合制作光電耦合器件。3、光電二極管結(jié)電容很小，頻率響應高，帶寬可達100kHz。第五十二頁，共59頁。光電二極管的溫度特性