2-3半导体光电检测器件 (30分钟).pptVIP

第三节 半导体光电检测器件 光电导型光电器件：光敏电阻 光生伏型光电器件：光电池 光电二极管 光电三极管 一、光敏电阻 （一）光敏电阻的结构及工作原理 光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。 优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。 不足：需外部电源，受温度影响，有电流时会发热。 当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg，即 hν≥Eg (eV)， hν≥ ΔEi (eV) 式中ν和λ—入射光的频率和波长。 用ΔEi大的、n型材料 光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用疏状图案，结构见下图。 它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。这种疏状电极，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。 光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如下图所示。 光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。 （二）光敏电阻的主要 参数和基本特性 （1）暗电阻、亮电 阻、光电流 暗电流Id ：光敏电 阻在室温条件下， 全暗（无光照射）后 经过一定时间测量 的电阻值，称为暗电 阻。此时流过的电流为Id 亮电流IL ：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流。 光电流I光：亮电流与暗电流之差。 光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。 实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至高达100MΩ，而亮电阻则在几kΩ以下，暗电阻与亮电阻之比在102～106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高 （2）光照特性： 下图表示CdS光敏电阻的光照特性：在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线在弱光呈线性，在强光时呈非线性。 因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。 （3）增益G G=βτμU/L2 （4）灵敏度 (a) 光电导灵敏度 Sg=g/E=g·A/Φ 由欧姆定律，得 I=SgEU (b) 电阻灵敏度 SR=(Rd-R亮)/Rd＝ΔR/Rd (c) 比灵敏度 S比= SI/U =I光/（ Φ· U） （6） 伏安特性 在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。 图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电 压越大，光电流越 大，而且无饱和现 象。但是电压不能 无限地增大，因为 任何光敏电阻都受 额定功率、最高工 作电压和额定电流 的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏 （7）频率特性 当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的延时特性。由于不同材料的光敏，电阻延时特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。 硫化铅的使用频 率比硫化镉高得 多，但多数光敏 电阻的延时都比 较大，所以，它 不能用在要求快 速响应的场合。 （8）稳定性 图中曲线1、2分别表示两种型号CdS光敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定，以及电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上升，有些样品 阻值下降，但最后 到一个稳定值后达 就不再变了。这就 是光敏电阻的主要 优点。 光敏电阻的使用寿 命在密封良好、使 用合理的情况