第三章-半导体光电检测器件及应用一课件

宁波工程学院电信学院宁波工程学院电信学院电子科学与技术教研室电子科学与技术教研室丁志群丁志群制制第三章 半导体光电检测器件及应用光电信号检测光电信号检测主要内容：主要内容：光敏电阻光敏电阻光生伏特器件光生伏特器件1.光电池光电池 2.光电二极管和光电三极管光电二极管和光电三极管 3.发光器件发光器件 4.光电耦合器件光电耦合器件 5.光电位置敏感器光电位置敏感器 6.光热辐射检测器件光热辐射检测器件各类光电检测器的性能比较各类光电检测器的性能比较光电信号检测光电信号检测3-1光敏电阻光敏电阻利用半导体光电导效应制成的器件。典型的光利用半导体光电导效应制成的器件。典型的光电导器件为电导器件为光敏电阻光敏电阻。光敏电阻的原理是半导体的光电导效应，只有光敏电阻的原理是半导体的光电导效应，只有能量（能量（h）大于材料禁带宽度（）大于材料禁带宽度（Eg）的光子，）的光子，才能使材料产生光电导效应。每一种半导体或才能使材料产生光电导效应。每一种半导体或绝缘体都有一定的光电导效应，但只有其中一绝缘体都有一定的光电导效应，但只有其中一部分材料经过特殊处理，掺进适当杂质，才有部分材料经过特殊处理，掺进适当杂质，才有明显的光电导效应。现在使用的光电导材料有明显的光电导效应。现在使用的光电导材料有-族、族、-族化合物，硅、锗等，以及一些族化合物，硅、锗等，以及一些有机物。有机物。光电信号检测光电信号检测3.1光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻的结构与工作原理基本原理与结构基本原理与结构光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，纯粹是纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。一般希望暗电急剧减小，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻一般在兆欧量灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻一般在兆欧量级，亮电阻在几千欧量以下。级，亮电阻在几千欧量以下。光电信号检测光电信号检测图图 3-1 光敏电阻结构光敏电阻结构(a)光敏电阻结构；光敏电阻结构；(b)光敏电阻电极；光敏电阻电极；(c)光敏电阻接线图光敏电阻接线图光电信号检测光电信号检测图图3-1（a）为金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。）为金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。光光敏敏电电阻阻的的结结构构很很简简单单，在在玻玻璃璃底底板板上上均均匀匀地地涂涂上上一一层层薄薄薄薄的的半半导导体体物物质质，称称为为光光导导层层。半半导导体体的的两两端端装装有有金金属属电电极极，金金属属电电极极与与引引出出线线端端相相连连接接，光光敏敏电电阻阻就就通通过过引引出出线线端端接接入入电电路路。为为了了防防止止周周围围介介质质的的影影响响，在在半半导导体体光光敏敏层层上上覆覆盖盖了了一一层层漆漆膜膜，漆漆膜膜的的成成分分应应使使它它在在光光敏敏层层最最敏敏感感的的波波长长范范围围内内透透射射率率最最大大。为为了了提提高高灵灵敏敏度度，光光敏敏电电阻阻的的电电极极一一般般采采用用梳梳状状图图案案，如如图图3-1（b）所所示示。图图3-1（c）为为光光敏敏电阻的接线图。电阻的接线图。P23，图，图3-2。光电信号检测光电信号检测3.2.光敏电阻的主要参数及特点光敏电阻的主要参数及特点3.2.1光敏电阻的主要参数有：光敏电阻的主要参数有：(1)暗电阻暗电阻光敏电阻在不受光照射时的阻值称光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。此时流过的电流称为暗电流。(2)亮电流亮电流光敏电阻在受光照射时的电阻称为光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。(3)光电流光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。光电信号检测光电信号检测半导体无光照时为暗态，此时材料具有暗电导；有光半导体无光照时为暗态，此时材料具有暗电导；有光照时为亮态，此时具有亮电导。如果给半导体材料照时为亮态，此时具有亮电导。如果给半导体材料外加电压，通过的电流有暗电流与亮电流之分。亮外加电压，通过的电流有暗电流与亮电流之分。亮电导与暗电导之差称为光电导，亮电流与暗电流之电导与暗电导之差称为光电导，亮电流与暗电流之差称为光电流。差称为光电流。暗态下暗态下Gd=dA/L,Id=GdU=dAU/L亮态下亮态下Gl=lA/L,Il=GlU=lAU/L亮态与暗态之差亮态与暗态之差光电信号检测光电信号检测Gp=Gl-Gd=(l-d）A/L=A/LIp=Il-Id=(Gl-Gd）U=AU/LA：半导体材料横截面面积：半导体材料横截面面积L：半导体材料长度：半导体材料长度I：电流：电流U：外加电压：外加电压G：电导：电导：电导率：电导率：光致电导率的变化量：光致电导率的变化量下标下标d代表暗，代表暗，l代表亮，代表亮，p代表光代表光光电信号检测光电信号检测3.2.2 光敏电阻的光敏电阻的特点：特点：优点：优点：灵敏度高，体积小、重量轻，光谱响灵敏度高，体积小、重量轻，光谱响应范围宽，机械强度高、耐冲击和振动，寿应范围宽，机械强度高、耐冲击和振动，寿命长。命长。缺点：缺点：使用时需要有外部电源，同时当有电使用时需要有外部电源，同时当有电流通过它时，会产生热的问题。流通过它时，会产生热的问题。光电信号检测光电信号检测3.2.3光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性(1)伏安特性伏安特性在一定照度下，流过光敏电阻的电流与在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图3-2为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。由图可见，光敏电为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。由图可见，光敏电阻在一定的电压范围内，其阻在一定的电压范围内，其I-U曲线为直线。说明其阻值与曲线为直线。说明其阻值与入射光量有关，而与电压电流无关。入射光量有关，而与电压电流无关。图图3-2 硫化镉光敏电阻的伏安特性硫化镉光敏电阻的伏安特性 光电信号检测光电信号检测（2）光照特性）光照特性光敏电阻的光照特性是描述光光敏电阻的光照特性是描述光电流电流I和光照强度之间的关系，不同材料的光照和光照强度之间的关系，不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。图非线性的。图3-3为硫化镉光敏电阻的光照特性。为硫化镉光敏电阻的光照特性。图图3-3 光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性 光电信号检测光电信号检测光照特性光照特性光电流与照度的关系称为光电流与照度的关系称为光照特性光照特性。光敏电阻光照。光敏电阻光照特性如下：特性如下：Ip=SgEUIp：光电流：光电流E：照度：照度：电压指数：电压指数Sg：光电导灵敏度：光电导灵敏度U：光敏电阻两端所加的电压：光敏电阻两端所加的电压：光照指数：光照指数光电信号检测光电信号检测与材料和入射光强弱有关，对于硫化镉光电导与材料和入射光强弱有关，对于硫化镉光电导体，在弱光照下体，在弱光照下1，在强光照下，在强光照下1/2，一，一般般0.51。与光电导体和电极材料之间的与光电导体和电极材料之间的接触有关，欧姆接触时接触有关，欧姆接触时1，非欧姆接触时，非欧姆接触时=1.11.2。由图可见，硫化镉光敏电阻在弱光照下，由图可见，硫化镉光敏电阻在弱光照下，Ip与与E具有良好的线性关系，在强光照下则为非线具有良好的线性关系，在强光照下则为非线性关系，其它光敏电阻也有类似的性质。如果性关系，其它光敏电阻也有类似的性质。如果电压指数电压指数1，在弱光照下有，在弱光照下有Ip=SgEU光电信号检测光电信号检测 (3)光谱特性光谱特性光光敏敏电电阻阻对对入入射射光光的的光光谱谱具具有有选选择择作作用用，即即光光敏敏电电阻阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光光敏敏电电阻阻的的相相对对光光敏敏灵灵敏敏度度与与入入射射波波长长的的关关系系称称为为光光敏电阻的光谱特性，亦称为敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应光谱响应。光电信号检测光电信号检测图图3-4 光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性 图图3-4 几种不同材料光敏电阻的光谱特性。几种不同材料光敏电阻的光谱特性。光电信号检测光电信号检测对对应应于于不不同同波波长长，光光敏敏电电阻阻的的灵灵敏敏度度是是不不同同的的，而而且且不不同同材材料料的的光光敏敏电电阻阻光光谱谱响响应应曲曲线线也也不同。不同。从从图图中中可可见见硫硫化化镉镉光光敏敏电电阻阻的的光光谱谱响响应应的的峰峰值值在在可可见见光光区区域域，常常被被用用作作光光度度量量测测量量（照照度度计）的探头。计）的探头。硫硫化化铅铅光光敏敏电电阻阻响响应应于于近近红红外外和和中中红红外外区区，常用做火焰探测器的探头。常用做火焰探测器的探头。光电信号检测光电信号检测 （4）频率特性频率特性实实验验证证明明，光光敏敏电电阻阻的的光光电电流流不不能能随随着着光光强强改改变变而而立立刻刻变变化化，即即光光敏敏电电阻阻产产生生的的光光电电流流有有一一定定的的惰惰性性，这这种惰性通常用时间常数种惰性通常用时间常数表示。表示。大大多多数数的的光光敏敏电电阻阻时时间间常常数数都都较较大大，这这是是它它的的缺缺点点之一。之一。光电信号检测光电信号检测图图3-5 光光图图3-5 硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性光电信号检测光电信号检测不不同同材材料料的的光光敏敏电电阻阻具具有有不不同同的的时时间间常常数数（毫毫秒秒数数量量级级），因因而而它它们们的的频频率率特特性性也也就就各各不不相相同同。图图3-5为为硫硫化化镉镉和和硫硫化化铅铅光光敏敏电电阻阻的的频频率率特特性，相比较，硫化铅的使用频率范围较大。性，相比较，硫化铅的使用频率范围较大。光电导弛豫过程光电导弛豫过程光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定时间的。同样光照停止后光电流也要经过一定时间的。同样光照停止后光电流也是逐渐消失的。这些现象称为弛豫过程或惰性。是逐渐消失的。这些现象称为弛豫过程或惰性。光电信号检测光电信号检测对光电导体受矩形脉冲光照时，常有上升时间常对光电导体受矩形脉冲光照时，常有上升时间常数数r和下降时间常数和下降时间常数f来描述弛豫过程的长短。来描述弛豫过程的长短。r表表示光生载流子浓度从零增长到稳态值示光生载流子浓度从零增长到稳态值63%时所需的时所需的时间，时间，f表示从停光前稳态值衰减到表示从停光前稳态值衰减到37%时所需的时时所需的时间。间。光电信号检测光电信号检测 (5)温温度度特特性性光光敏敏电电阻阻和和其其它它半半导导体体器器件件一一样样，受受温温度度影影响响较较大大。温温度度变变化化时时，影影响响光光敏敏电电阻阻的的光光谱谱响响应应，同同时时光光敏敏电电阻阻的的灵灵敏敏度度和和暗暗电电阻阻也也随随之之改改变变，尤尤其其是是响响应应于于红红外外区区的的硫硫化化铅铅光光敏敏电电阻阻受受温温度度影影响响更更大大。图图3-6为为硫硫化化铅铅光光敏敏电电阻阻的的光光谱谱温温度度特特性性曲曲线线，它它的的峰峰值值随随着着温温度度上上升升向向波波长长短短的的方方向向移移动动。因因此此，硫硫化化铅铅光光敏敏电电阻阻要要在在低低温温、恒恒温温的的条条件件下下使使用用。对对于于可可见见光光的的光光敏敏电电阻，阻，其温度影响要小一些。其温度影响要小一些。光电信号检测光电信号检测图图 3-6 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 光电信号检测光电信号检测光敏电阻特点光敏电阻特点光谱特性好光谱特性好允许的光电流大允许的光电流大灵敏度高灵敏度高使用寿命长使用寿命长体积小体积小此此外外许许多多光光敏敏电电阻阻对对红红外外线线敏敏感感，适适宜宜于于红红外外线线光光谱谱区区工工作作。光光敏敏电电阻阻的的缺缺点点是是型型号号相相同同的的光光敏敏电电阻阻参参数数参参差差不不齐齐，并并且且由由于于光光照照特特性性的的非非线线性性，不不适适宜宜于于测测量量要要求求线线性性的的场场合合，常常用用作作开开关关式式光光电电信信号号的传感元件。的传感元件。光电信号检测光电信号检测表表3-1几种光敏电阻的特性参数几种光敏电阻的特性参数光电信号检测光电信号检测(6)噪声特性噪声特性1）热噪声）热噪声由于光敏电阻内载流子热运动产生的噪声由于光敏电阻内载流子热运动产生的噪声称为热噪声，又称为约翰逊（称为热噪声，又称为约翰逊（Johson）噪）噪声。声。光电信号检测光电信号检测光电信号检测光电信号检测3）低频噪声）低频噪声光敏电阻在偏置电压作用下产生信号光电流，由光敏电阻在偏置电压作用下产生信号光电流，由于光敏层内部结构不均匀产生微火花电爆放现象。于光敏层内部结构不均匀产生微火花电爆放现象。这种微火花放电引起的电爆脉冲就是低频噪声的这种微火花放电引起的电爆脉冲就是低频噪声的来源，又被称为电流噪声。来源，又被称为电流噪声。C1为与材料有关的常数，为与材料有关的常数，I为流过光敏电阻的电流，为流过光敏电阻的电流，f为调制频率，指数为调制频率，指数b为接近于为接近于1的系数的系数，为为调制频带的带宽调制频带的带宽。光电信号检测光电信号检测光敏电阻的噪声均方根光敏电阻的噪声均方根在不同频率下，以某种噪声为主。如在几百在不同频率下，以某种噪声为主。如在几百赫兹以第三项电流噪声为主；随着频率升高，赫兹以第三项电流噪声为主；随着频率升高，以复合噪声为主；频率很高时，以热噪声为以复合噪声为主；频率很高时，以热噪声为主。主。光电信号检测光电信号检测7)前历效应前历效应前历效应前历效应是指光敏电阻的时间特性与工作前是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。前历效应有暗态前有关的一种现象。前历效应有暗态前历与亮态前历之分。历与亮态前历之分。暗态前历效应暗态前历效应是指光敏电阻测试或工作前处是指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后表现为暗态前历于暗态，当它突然受到光照后表现为暗态前历越长，光电流上升越慢，其效应曲线如下图所越长，光电流上升越慢，其效应曲线如下图所示。一般，工作电压越低，光照度越低，则暗示。一般，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重。态前历效应就越重。光电信号检测光电信号检测硫化镉光敏电阻的暗态前历效应曲线硫化镉光敏电阻的暗态前历效应曲线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2 3 黑暗放置黑暗放置24小时后小时后光电信号检测光电信号检测亮态前历效应亮态前历效应是指光敏电阻测试或工作前已是指光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与工作时所要达到的照度不处于亮态，当照度与工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象，其效应曲线如同时，所出现的一种滞后现象，其效应曲线如下图所示。一般，亮电阻由高照度状态变为低下图所示。一般，亮电阻由高照度状态变为低照度状态达到稳定值时所需的时间要比由低照照度状态达到稳定值时所需的时间要比由低照度状态变为高照度状态时短。度状态变为高照度状态时短。光电信号检测光电信号检测硫化镉光敏电阻亮态前历效应曲线硫化镉光敏电阻亮态前历效应曲线 光电信号检测光电信号检测微变等效电路微变等效电路光敏电阻的微变等效电路光敏电阻的微变等效电路 光电信号检测光电信号检测设入射于光敏电阻的辐射为正弦形式，有设入射于光敏电阻的辐射为正弦形式，有0mejt：辐射通量：辐射通量：调制辐射的圆频率：调制辐射的圆频率则流过光敏电阻的光电流则流过光敏电阻的光电流I为为II0+ejtIm/(1+j)光电信号检测光电信号检测I0：光电流：光电流I的直流分量，的直流分量，I0Sg0U。U：加到光敏电阻两端的电压：加到光敏电阻两端的电压Im/(1+j)：微变光电流的幅值，：微变光电流的幅值，Im=SgmU。：时间常数：时间常数如果令如果令i=Im/(1+j)则可以看出，流过光敏电阻则可以看出，流过光敏电阻R的微变光电流的微变光电流i，相当于电流源相当于电流源Im在在RC并联电路中被电容并联电路中被电容C分流分流后流过电阻后流过电阻R的电流。图中的的电流。图中的C是按光敏电阻是按光敏电阻的属性而引入的等效电容，的属性而引入的等效电容，C/R，R为与直为与直流辐射分量相对应的光电阻。流辐射分量相对应的光电阻。光电信号检测光电信号检测光敏电阻的使用光敏电阻的使用光敏电阻的重要特点是，光谱响应范围宽，测光范围光敏电阻的重要特点是，光谱响应范围宽，测光范围宽，灵敏度高，宽，灵敏度高，无极性之分无极性之分。但由于材料不同，在性。但由于材料不同，在性能上差别较大。使用中应注意：能上差别较大。使用中应注意：1）当用于模拟量测量时，因光照指数）当用于模拟量测量时，因光照指数与光照强弱有与光照强弱有关，只有在弱光照下光电流与入射辐射通量成线性关关，只有在弱光照下光电流与入射辐射通量成线性关系。系。2）用于光度量测试仪器时，必须对光谱特性曲线进行）用于光度量测试仪器时，必须对光谱特性曲线进行修正，保证其与人眼的光谱光视效率曲线符合。修正，保证其与人眼的光谱光视效率曲线符合。3）光敏电阻的光谱特性与温度有关，温度低时，灵敏）光敏电阻的光谱特性与温度有关，温度低时，灵敏范围和峰值波长都向长波方向移动，可采取冷却灵敏范围和峰值波长都向长波方向移动，可采取冷却灵敏面的办法来提高光敏电阻在长波区的灵敏度。面的办法来提高光敏电阻在长波区的灵敏度。光电信号检测光电信号检测4）光敏电阻的温度特性很复杂，电阻温度系数）光敏电阻的温度特性很复杂，电阻温度系数有正有负，一般说，光敏电阻不适于在高温下使有正有负，一般说，光敏电阻不适于在高温下使用，温度高时输出将明显减小，甚至无输出。用，温度高时输出将明显减小，甚至无输出。5）光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下只有）光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下只有少数品种能超过少数品种能超过1000Hz，而且光电增益与带宽，而且光电增益与带宽之积为一常量，如要求带宽较宽，必须以牺牲灵之积为一常量，如要求带宽较宽，必须以牺牲灵敏度为代价。敏度为代价。6）设计负载电阻时，应考虑到光敏电阻的额定）设计负载电阻时，应考虑到光敏电阻的额定功耗，负载电阻值不能很小。功耗，负载电阻值不能很小。7）进行动态设计时，应意识到光敏电阻的前历）进行动态设计时，应意识到光敏电阻的前历效应。效应。光电信号检测光电信号检测3.3 光敏电阻的偏置电路光敏电阻的偏置电路简单偏置电路简单偏置电路a）偏置电路）偏置电路 b）微变等效电路）微变等效电路光电信号检测光电信号检测光敏电阻的应用电路一光敏电阻的应用电路一 火焰检测报警器电路火焰检测报警器电路光电信号检测光电信号检测恒压偏置电路恒压偏置电路硫化铅光敏电阻暗电阻硫化铅光敏电阻暗电阻1M，暗电阻，暗电阻0.20.2M阻值变化引起阻值变化引起V1V1输出电压变化，由电容输出电压变化，由电容C2C2耦合耦合到后级放大器放大，控制检测中心发出报警或到后级放大器放大，控制检测中心发出报警或执行灭火的动作。执行灭火的动作。光电信号检测光电信号检测光敏电阻的应用二光敏电阻的应用二 照相机电子快门电路照相机电子快门电路光电信号检测光电信号检测硫化镉光敏电阻硫化镉光敏电阻闪光开关没有按下时为电路图上的状态闪光开关没有按下时为电路图上的状态反相端输入几乎电源电压，运放输出负电平反相端输入几乎电源电压，运放输出负电平按下后，电容的电压为按下后，电容的电压为0V，快门打开。，快门打开。通过通过Rp1，R，向，向C1充电，充电的快慢由时间充电，充电的快慢由时间常数决定。光敏电阻的阻值越低，充电越快。常数决定。光敏电阻的阻值越低，充电越快。光电信号检测光电信号检测光敏电阻的应用三光敏电阻的应用三 照明灯自动控制电路照明灯自动控制电路光电信号检测光电信号检测一种简单的照明灯控制电路一种简单的照明灯控制电路Vd，C组成半波整流滤波，继电器线圈上串光组成半波整流滤波，继电器线圈上串光敏电阻。敏电阻。环境光很暗时，光敏电阻的阻值很大，使得线环境光很暗时，光敏电阻的阻值很大，使得线圈流过的电流很小，不足以驱动继电器，继电圈流过的电流很小，不足以驱动继电器，继电器处于常闭位置，灯亮。器处于常闭位置，灯亮。外界环境光很亮时，光敏电阻阻值变小，继电外界环境光很亮时，光敏电阻阻值变小，继电器吸合，灯灭。器吸合，灯灭。我校的走廊灯不是这种节能控制，建议学校改我校的走廊灯不是这种节能控制，建议学校改造。没改造之前，注意及时关灯。造。没改造之前，注意及时关灯。光电信号检测光电信号检测作业作业P67683.3，3.4，3.5，3.9，3.123.15 Thank you拯畏怖汾关炉烹霉躲渠早膘岸缅兰辆坐蔬光膊列板哮瞥疹傻俘源拯割宜跟三叉神经痛-治疗三叉神经痛-治疗