光电传感器应用技术 教学课件 作者 王庆有 第3章 第1节.pptVIP

第3章 光电导器件 某些物质吸收了光子的能量产生本征吸收或杂质吸收，从而改变了物质电导率的现象称为物质的光电导效应。利用具有光电导效应的材料（如硅、锗等本征半导体与杂质半导体，硫化镉、硒化镉、氧化铅等）可以制成电导随入射光度量变化器件，称为光电导器件或光敏电阻。 光敏电阻具有体积小，坚固耐用，价格低廉，光谱响应范围宽等优点。广泛应用于微弱辐射信号的探测领域。 3.1 光敏电阻的原理与结构 3.1.1 光敏电阻的基本原理 3.1.2 光敏电阻的基本结构 3.1.3 典型光敏电阻 2、PbS光敏电阻 3、InSb光敏电阻 4、Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件 3.2 光敏电阻的基本特性 3.2.1 光电特性 3.2.2 伏安特性 3.2.3 温度特性 3.2.4 时间响应 对于本征光电导器件在非平衡状态下光电导率Δσ和光电流IΦ随时间变化的规律为 光电导率和光电流随时间变化的规律为 光敏电阻电导率的变化规律为 3.2.5 噪声特性 光敏电阻的主要噪声有热噪声、产生复合和低频噪声(或称1/f噪声)。 3.2.6 光谱响应 光敏电阻的光谱响应主要由光敏材料禁带宽度、杂质电离能、材料掺杂比与掺杂浓度等因素有关。 * 图3-1所示为光敏电阻的原理图与光敏电阻的符号，在均匀的具有光电导效应的半导体材料的两端加上电极便构成光敏电阻。 当光敏电阻的两端加上适当的偏置电压Ubb（如图3-1所示的电路）后，便有电流Ip流过，用检流计可以检测到该电流。 在第1章1.5.1节讨论光电导效应时我们发现，光敏电阻在微弱辐射作用的情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的平方成反比，参见（1-85）式；在强辐射作用的情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的二分之三次方成反比，参见（1-88）式；都与两电极间距离l有关。 根据光敏电阻的设计原则可以设计出如图3-2所示的3种基本结构，图3-2（a）所示光敏面为梳形的结构。 1、CdS光敏电阻 CdS光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率，它在可见光波段范围内的灵敏度最高，因此，被广泛地应用于灯光的自动控制，照相机的自动测光等。 CdS光敏电阻的峰值响应波长为0.52μm，CdSe光敏电阻为0.72μm，一般调整S和Se的比例，可使Cd（S，Se）光敏电阻的峰值响应波长大致控制在0.52~0.72μm范围内。 CdS光敏电阻的光敏面常为如图3-2（b）所示的蛇形光敏面结构。 PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件。 PbS光敏电阻在2μm附近的红外辐射的探测灵敏度很高，因此，常用于火灾的探测等领域。 PbS光敏电阻的光谱响应和比探测率等特性与工作温度有关，随着工作温度的降低其峰值响应波长和长波长将向长波方向延伸，且比探测率D*增加。例如，室温下的PbS光敏电阻的光谱响应范围为1~3.5μm，峰值波长为2.4μm，峰值比探测率D*高达1×1011cm·Hz·W-1。当温度降低到（195K）时，光谱响应范围为1~4μm，峰值响应波长移到2.8μm，峰值波长的比探测率D*也增高到2×1011cm·Hz·W-1。 InSb光敏电阻是3~5μm光谱范围内的主要探测器件之一。 InSb材料不仅适用于制造单元探测器件，也适宜制造阵列红外探测器件。 InSb光敏电阻在室温下的长波长可达7.5μm，峰值波长在6μm附近，比探测率D*约为1×1011cm·Hz·W-1。当温度降低到77K（液氮）时，其长波长由7.5μm缩短到5.5μm，峰值波长也将移至5μm，恰为大气的窗口范围，峰值比探测率D*升高到2×1011cm·Hz·W-1。 Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件是目前所有红外探测器中性能最优良最有前途的探测器件，尤其是对于4~8μm大气窗口波段辐射的探测更为重要。 Hg1-xCdxTe系列光电导体是由HgTe和CdTe两种材料的晶体混合制造的，其中x标明Cd元素含量的组分。在制造混合晶体时选用不同Cd的组分x，可以得到不同的禁带宽度Eg，便可以制造出不同波长响应范围的Hg1-xCdxTe探测器件。一般组分x的变化范围为0.18~0.4，长波长的变化范围为1~30μm。 光敏电阻为多数电子导电的光电敏感器件，它与其他光电器件的特性的差别表现在它的基本特性参数上。光敏电阻的基本特性参数包含光电导特性、时间响应、光谱响应、伏安特性与噪声特性