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光敏电阻
第四章 光电导探测器第四章 光电导探测器
§4-1光电导探测器的工作原理
(Photoconductive, PC)
§4-1光电导探测器的工作原理一、光电导效应
1 半导体物理基础1.半导体物理基础
导体 电阻率10-6~10-3 Ωcm半导体 之间 (四价元素)半导体 之间 (四价元素)
绝缘体 1012 Ωcm以上
原子 晶体
(1)“电子-空穴”观点
本征半导体
原子→晶体
热生载流子
本征半导体
自由电子
空穴空穴
外加电场→导电
第四章 光电导探测器第四章 光电导探测器
N型(掺5价元素) 施放自由电子N型(掺5价元素) 施放自由电子
P型(掺3价元素) 接受价电子(产生空穴)杂质半导体
【阅读】童诗白 华成英 模拟电子技术基础 第三版 北【阅读】童诗白,华成英. 模拟电子技术基础(第三版)[M]. 北京:高等教育出版社,2001:1-5.
第四章 光电导探测器第四章 光电导探测器(2)能带观点
能带:晶体中,相邻原子的外层电子轨道交叠,不同位置的轨道能级略有差别,形成能带。
价带:最外层(价)电子所在的能带。价带:最外层(价)电子所在的能带。
导带:自由电子所在的能带。
禁带:价带和导带之间的区域——电子能量的量子化间隔。
第四章 光电导探测器第四章 光电导探测器本征半导体 杂质半导体
施主能级 受主能级
【阅读】雷玉堂. 光电信息技术[M].北京:电子工业出版社,【阅读】雷玉堂. 光电信息技术[M].北京:电子工业出版社,2011:5-8.
第四章 光电导探测器第四章 光电导探测器
2.半导体材料的电导/电导率2.半导体材料的电导/电导率
①热平衡
单位时间内,热生载流子数=复合消失数,电子浓度n,空穴单位时间内,热生载流子数=复合消失数,电子浓度n,空穴浓度p
②热平衡+外电场(偏压/偏流)
载流子迁移率 2[ / ( )]L cm V s 载流子迁移率
电导率
电导
[ ( )]AE V
1[( ) ]n pen ep cm
1[ ]AG
③热平衡+外电场+光照
[ ]GL
0( )
光生载流子:1s产生N对自由电子/空穴
电子/空穴浓度增量 n pN Nn pAL AL
第四章 光电导探测器第四章 光电导探测器
光电导(电导增量)光电导(电导增量)
/ ( ) /n pG A L e n p A L
2 ( )n n p pNeL
3.光电导效应
定义:光作用于光电导材料,形成本征吸收或杂质吸收,产定义:光作用于光电导材料,形成本征吸收或杂质吸收,产生附加的光生载流子,从而使半导体的电导率发生变化。
【阅读】安毓英,等. 光电子技术(第3版)[M].北京:电子工业出版社,2011:116 117工业出版社,2011:116-117.
第四章 光电导探测器
二、光电导探测器的工作原理
第四章 光电导探测器
二、光电导探测器的工作原理
1.输出光电流
注:以N型半导体(电子为多数载流子)为例
光功率P沿x方向均匀入射光敏面→
表面反射→体内吸收→
材料内深度x处的光功率:
吸收系数
( ) (1 ) xP x P R e
:
dx
表面反射率
→设光生电子体密度为n(x)→
R :
该处电流密度: ( ) ( )( ) /
n
n A
J x en x ven x V L
第四章 光电导探测器
输出的光电流:
第四章 光电导探测器
输出的光电流:
( ) ( )d d
p nI J x wdx wev n x dx 由 稳态下电子产生率=复合率,得
0 0( ) ( )p n
(1 )( )x
nP R en xh wL
从而
20(1 )
d x n n Ap
VeI R e dx Ph L
20
'
p h Le P M
——电荷放大系数P Mh
等效量子效率
——电荷放大系数
第四章 光电导探测器
内增益:
第四章 光电导探测器
V v 电子平均寿命内增益:2M = =n n A n n n
n
V vL L t
渡越时间
电子平均寿命
,可达到几百。1M
相当于本来光子激发一个电子,被放大为多个电子。
结论:光电导探测器是一个具有内增益的器件。
【讨论】
内增益与哪些因素有关?
如何看出?
光敏电阻如何利用?
第四章 光电导探测器
2.工作模式及等效电路
第四章 光电导探测器
2.工作模式及等效电路
电流源∥电阻(亮电阻)∥电容(交流)
一般:
亮电阻与暗电阻相差越大,探测器的灵敏度越高。
10R M 暗 暗亮
) RR 62 10~10(
第四章 光电导探测器第四章 光电导探测器
(1)短路电流(1)短路电流
时,负载电阻可忽略,近似外回路短路,输出电流为探测器输出电流:
L dR R为探测器输出电流:
(2)开路电压
'SC p
eI I PMh
(2)开路电压
时,探测器内阻可忽略,输出电压近似等于探测器开路电压:
h
L dR R开路电压: '
OC p L LeV I R PMRh
(3)负载匹配时探测器的输出电压
时,时,L dR =R 12
L dL p p L
L d
R RV I I RR R
第四章 光电导探测器
此时探测器输出的电功率
第四章 光电导探测器
此时探测器输出的电功率2
LVP
最大,光探测系统总的光电变换效率最高。
LLR
【思考】
(1)如何知道负载匹配时输出电功率最大?
0LL d
P R R
(2)光探测系统总的光电变换效率如何表示?
0 L dL
R RR
LPP
第四章 光电导探测器
§4-2光电导探测器的性能参数
第四章 光电导探测器
§4-2光电导探测器的性能参数一、电流增益(内增益)
光电导(电导增量)→光电导(电导增量)→
电流增量 →
电流增益 I V 2 ( )A
p A n n p peNVI G V
L
电流增益
【思考】N型或P型光电导探测器的电流增益如何表达?
2 ( )p pnAn n p p
n p
I VMeN L t t
【思考】N型或P型光电导探测器的电流增益如何表达?
二、量子效率
单位时间内:单位时间内:( )
( ) / ( ) p
N NP h N
与材料的反射率、吸收率、和厚度有关。
所有光子探测器的通用核心指标之一。
第四章 光电导探测器
三、灵敏度
第四章 光电导探测器
三、灵敏度
灵敏度:单位光功率(输入/原因)下产生的光电导(输出/结果)强弱。结果)强弱。 2( ) /n n p p
Gp A
eN LG e MSP N h h V
四、噪声
主要有 种:热噪声、产生复合
p
主要有3种:热噪声、产生复合
噪声、1/f 噪声。
注:
与工作频率有关。1.与工作频率有关。
2.可推导D*。
第四章 光电导探测器第四章 光电导探测器
五、光谱响应特性五、光谱响应特性
光谱响应度
'( )( )
( )p
I
e P MI hRP P
0
( )
( ) ( )[1 ( )]d xe R e dx M
hc
六、光照特性
实际情况下
低偏压(几伏~几十伏)、弱光照(10-1lx~103lx)下,通常可认为 (直线型光电导)
p AI KV P
可认为 (直线型光电导)
强光照下, (抛物线型光电导)
1 1/ 2
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七、时间响应特性七、时间响应特性
弛豫:光开始(停止)照射样品后,光电导逐渐增加(减少),一段时间后达到稳态。少),一段时间后达到稳态。
弛豫时间/响应时间:光电导上升(下降)段对应的时间。
注:注:
1.光电导对光照的反应速度、惯性、惰性。
决定可响应的光强度变化频率。2.决定可响应的光强度变化频率。
(1)直线型光电导
当 时,光电流上升到饱和值的
(约63%)或下降到饱和值的 (约37%),上升和下降是
t 1(1 )e1e
对称的, 为直线性光电导的弛豫时间,和光强无关。t
第四章 光电导探测器
(2)抛物线型光电导
第四章 光电导探测器
(2)抛物线型光电导
下降段为双曲线性衰减,
上升下降不对称。
近似为: 1/ 21( ) ( )In b
对于上升段: 时,光电导增加到饱和值的0.76;t 下降段: 时,光电导减小到饱和值的1/2。
和光照强弱有关:
t ,nI 短
第四章 光电导探测器第四章 光电导探测器
八、温度特性八、温度特性
光谱响应度、弛豫时间随工作
温度变化。温度变化。
工作时一般需要冷却!
九、前历效应
t0时刻光电导探测器的性能受
t<t0时间段内探测器状态的影响。
第四章 光电导探测器第四章 光电导探测器
§4-3实用光电导探测器§4-3实用光电导探测器一、几种典型的光电导探测器
和1. CdS和CdSe响应光谱范围:可见光(室温)
应用领域:灯光自动控制、照相机自动测光 (光敏电阻)应用领域:灯光自动控制、照相机自动测光 (光敏电阻)
2. PbS响应光谱范围:1~3.5μm(室温)
应用领域:火焰探测
3. InSb响应光谱范围:5~7.5 μm(室温,噪声大) ,4~5.5μm
( )(77K)应用领域:遥感(红外成像)
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4 Hg Cd Te4. HgxCd1-xTe
应用领域:遥感(红外成像)应用领域:遥感(红外成像)
第四章 光电导探测器第四章 光电导探测器
二、应用举例二、应用举例
1. 路灯自动控制
电阻 、电容 、二极管电阻R、电容C、二极管VD——半波整流电路
光敏电阻CdS、电流继电器J——控制电路
2. 火焰探测报警
稳压二极管VDZ、R1、R2、
三极管VT1——恒压偏置
PbS暗(亮)电阻1(0.2)MΩ,峰值响应波长2.2μmC2通过“跳变”火焰交流信号
放大
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三、使用要点三、使用要点
1. 防止探测器受杂散光的影响;
防止探测器的电参数(电压、功耗)超过允许值;2. 防止探测器的电参数(电压、功耗)超过允许值;
3. 根据不同用途,选用不同特性的探测器:
用于测光:需与光源的光谱特性匹配;
用于数字信息传输:选用亮、暗电阻差别大(光照指数γ大)的;大)的;
用于模拟信息传输:选用γ小的(线性度好);需考虑探测器特性随温度的变化,必要时进行制冷;4. 需考虑探测器特性随温度的变化,必要时进行制冷;
5. 进行动态设计时,应考虑探测器的前历效应。