第四章第四章 光电导器件光电导器件光电导效应光电导效应-光照引起材料电导变化的现象称为光照引起材料电导变化的现象称为光电导效光电导效,存在于大多数半导存在于大多数半导体和绝缘体中，是光电导器件工作的物理基础。体和绝缘体中，是光电导器件工作的物理基础。光敏电阻的特点：光敏电阻的特点：光谱响应范围宽，尤其是对红光和红外辐射有较高的光谱响应范围宽，尤其是对红光和红外辐射有较高的响就度响就度偏置电压低，工作电流大偏置电压低，工作电流大动态范围宽，既可测强光，也可测弱光动态范围宽，既可测强光，也可测弱光光电导增益大，灵敏度高光电导增益大，灵敏度高光敏电阻无极性，使用方便光敏电阻无极性，使用方便4.1 4.1 光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理 4.1.1 4.1.1 光敏电阻的结构和分类光敏电阻的结构和分类光敏电阻的结构和分类光敏电阻的结构和分类光敏电阻（光导管）光敏电阻（光导管）-用光电导体制成的用光电导体制成的光电器件。光电器件。R1.1.本征型光敏电阻本征型光敏电阻本征型光敏电阻本征型光敏电阻价带价带导带导带常温光照时常温光照时价带价带导带导带常温无光照时常温无光照时Eg要发生光电导效要发生光电导效应，必须满足：应，必须满足：UgIP2.2.杂质型光敏电阻杂质型光敏电阻杂质型光敏电阻杂质型光敏电阻N价带价带导带导带低温无光照时低温无光照时Ed低温有光照时低温有光照时低温有光照时低温有光照时P工作时温度要低工作时温度要低-防止热激发防止热激发低温无光照时低温无光照时Ea价带价带导带导带4.1.2 4.1.2 光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理价带价带导带导带常温光照时常温光照时无光照时：无光照时：有光照时：有光照时：光电导率为：光电导率为：定义定义迁移比迁移比UgIP光生载流子不断的产生也不断的复合光生载流子不断的产生也不断的复合设光生载流子的平均寿命为设光生载流子的平均寿命为，当光敏电阻接收到的辐射通量为当光敏电阻接收到的辐射通量为s s，光敏电阻的体积为，光敏电阻的体积为V V，量子效率为，量子效率为，设电场强度为设电场强度为Ex,则光电流密度为：则光电流密度为：则光生载流子的浓度为：则光生载流子的浓度为：g载流子产生率载流子产生率光照增加时，光敏电阻的电导率增大，相应的光电流光照增加时，光敏电阻的电导率增大，相应的光电流了增大了增大设：光电阻上的电压为设：光电阻上的电压为U, 光电导长度为光电导长度为L，横截面积为，横截面积为A无光照时无光照时电流为电流为-光照产生的光照产生的电流为电流为-暗暗电导电导暗暗电阻电阻光照时电光照时电流为流为-亮亮电导电导亮亮电阻电阻光光电导电导暗暗电流电流亮亮电流电流光光电流电流三种量之间的关系三种量之间的关系-光电导长度对光电流的影响光电导长度对光电流的影响-4.2 4.2 光敏电阻的主要的特性参数光敏电阻的主要的特性参数 暗电阻：暗电阻：光敏电阻在室温条件下，在全暗时的电阻值光敏电阻在室温条件下，在全暗时的电阻值暗电流：暗电流：此时电阻加上一定的电压所通过的电流为暗电流此时电阻加上一定的电压所通过的电流为暗电流亮电阻：亮电阻： 光敏电阻在一定光照时的电阻值光敏电阻在一定光照时的电阻值亮电流：亮电流：此时电阻加上一定的电压所通过的电流为亮电流此时电阻加上一定的电压所通过的电流为亮电流光电导：光电导： 光敏电阻由光照产生的电导光敏电阻由光照产生的电导光电流：光电流：由光照产生的电流由光照产生的电流暗电导：暗电导：光敏电阻在室温条件下，在全暗时的电导光敏电阻在室温条件下，在全暗时的电导亮电导：亮电导： 光敏电阻在一定光照时的电导值光敏电阻在一定光照时的电导值暗电导：暗电导：亮电导：亮电导：光电导：光电导：4.2.1 4.2.1 光电导灵敏度光电导灵敏度光电导灵敏度光电导灵敏度暗电流：暗电流：亮电流：亮电流：光电流：光电流：定义光电导灵定义光电导灵敏度为敏度为Sg:或或4.2.3 4.2.3 量子效率量子效率量子效率量子效率入射一个光子所产生的入射一个光子所产生的电子电子或或电子空穴电子空穴对的数目对的数目4.2.6 4.2.6 光电特性和光电特性和光电特性和光电特性和值值值值弱光照射时弱光照射时：一般情况下：一般情况下：一般情况下：一般情况下：或或一般照射时一般照射时：强光照射时强光照射时：直线性光电导直线性光电导EIp光电流与照度光电流与照度关系曲线：关系曲线：非线性非线性直线性光电导直线性光电导或或4.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声 4.3.1 4.3.1 偏置电路偏置电路偏置电路偏置电路UbRLRP或或电阻值随光照度的增大而减小电阻值随光照度的增大而减小或或或或当光照变化当光照变化不大时不大时:UIU=PmaxUbUb/RLE E2 2E E3 3禁禁区区UIUbRLRPI IQ3Q2Q1E E1 1E=0E=0或或输出电流变化：输出电流变化：输出电流变化：输出电流变化：输出电压变化：输出电压变化：输出电压变化：输出电压变化：4.3.2 4.3.2 噪声等效电路噪声等效电路噪声等效电路噪声等效电路产生复合噪声：产生复合噪声：产生复合噪声：产生复合噪声：半导体受光照时，载流子不断地产半导体受光照时，载流子不断地产生生- -复合，载流子产生复合，载流子产生- -复合的平均复合的平均数是一定的，但某一瞬间是起伏的，数是一定的，但某一瞬间是起伏的，这种起伏引起半导体电导率的起伏，这种起伏引起半导体电导率的起伏，从而使输出电流或电压值起伏，由从而使输出电流或电压值起伏，由此引入的噪声叫此引入的噪声叫-在任何电阻性材料中在任何电阻性材料中, , 载流子都载流子都会有无规则的热运动会有无规则的热运动, ,从而引起输出电从而引起输出电流或电压的起伏，此种噪声称为流或电压的起伏，此种噪声称为.是最常见的一种噪声形式是最常见的一种噪声形式. .-这类噪声的大小与频率成反比这类噪声的大小与频率成反比, ,因此因此而得名而得名, ,它的产生与器件的杂质和工艺缺它的产生与器件的杂质和工艺缺陷有关陷有关, ,但原因比较复杂但原因比较复杂. . 热噪声：热噪声：热噪声：热噪声：1 1/f /f 噪声：噪声：噪声：噪声：4.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用4.4.1 4.4.1 光敏电阻的特点光敏电阻的特点光敏电阻的特点光敏电阻的特点与结型光电器件相比，光敏电阻具有以下特点：与结型光电器件相比，光敏电阻具有以下特点：（1） 产生光电变换的部位不同。光敏电阻是任何部位均产生光电变换的部位不同。光敏电阻是任何部位均 可，可，位结型光电器件是结区附近位结型光电器件是结区附近（2）光敏电阻没极性）光敏电阻没极性（3）光敏电阻时间常数大，频率相应较差）光敏电阻时间常数大，频率相应较差（4）有些结型光电器件可以有放大功能，所以输出较大，而）有些结型光电器件可以有放大功能，所以输出较大，而光敏电阻没有放大功能光敏电阻没有放大功能4.4.2 4.4.2 使用时的注意事项使用时的注意事项使用时的注意事项使用时的注意事项 4.4.3 4.4.3 常见光敏电阻常见光敏电阻常见光敏电阻常见光敏电阻1. 1. 硫化镉（硫化镉（硫化镉（硫化镉（CdSCdS）光敏电阻）光敏电阻）光敏电阻）光敏电阻2. 2. 硫化铅（硫化铅（硫化铅（硫化铅（PbSPbS）光敏电阻）光敏电阻）光敏电阻）光敏电阻峰值波长：峰值波长：0.520.52m,m,掺入微量铜或氯可以峰值波长变长掺入微量铜或氯可以峰值波长变长亮暗电导比可达亮暗电导比可达10101111，一般为，一般为10106 6在近红外波段比较灵敏，响应波长可达在近红外波段比较灵敏，响应波长可达3 3m,m,峰值探测率峰值探测率D D* *=1.5*10=1.5*101111cm.Hzcm.Hz1/21/2/W, /W, 但响应时间长，但响应时间长，200300 ss3. 3. 锑化铟（锑化铟（锑化铟（锑化铟（InSbInSb）光敏电阻）光敏电阻）光敏电阻）光敏电阻4. 4. 碲镉汞（碲镉汞（碲镉汞（碲镉汞（HgCdTeHgCdTe）系列光敏电阻）系列光敏电阻）系列光敏电阻）系列光敏电阻5. 5. 碲锡铅（碲锡铅（碲锡铅（碲锡铅（PbSnTePbSnTe）系列光敏电阻）系列光敏电阻）系列光敏电阻）系列光敏电阻长波限可达长波限可达7.5 mm ，峰值探测率，峰值探测率D*=1.2*109cm.Hz1/2/W,冷冷却到零度时，还可提高却到零度时，还可提高23倍倍,时间常数时间常数2*10-2 ssHg1-xCdxTe系列光敏电阻是由系列光敏电阻是由CdTe和和 HgTe两种材料按不同两种材料按不同的比例混合而成，不同的比例就有不同的光谱测量范围的比例混合而成，不同的比例就有不同的光谱测量范围Hg0.8 Cd0.2 Te：814 m ，峰值波长，峰值波长10.6 m Hg0.72 Cd0.28 Te：35 m PbPb1-x1-xSnSnx xTe: Te: 光谱范围光谱范围光谱范围光谱范围810 m 响应率低，应用不广泛响应率低，应用不广泛4.4.4 4.4.4 光敏电阻的应用光敏电阻的应用光敏电阻的应用光敏电阻的应用常用来制作光控开关，如照相机自动曝光电路、公共场所用常用来制作光控开关，如照相机自动曝光电路、公共场所用灯的自动控制电路灯的自动控制电路1.已知某本征光电导体的禁带宽度为已知某本征光电导体的禁带宽度为1.5ev，某一，某一N型光型光电导的导带与杂质能级之差为电导的导带与杂质能级之差为0.65 ev，分别求出它，分别求出它们的阈波长是多少？并比较它们的阈波长的差别。们的阈波长是多少？并比较它们的阈波长的差别。补充习题：补充习题：2.有一光敏电阻已注明额定功率为有一光敏电阻已注明额定功率为Pmax，负载电阻也已确，负载电阻也已确定为定为RL，为了保证此光敏电阻在不同光照时均能安全，为了保证此光敏电阻在不同光照时均能安全的工作，试证明电源电压的选择必须满足：的工作，试证明电源电压的选择必须满足：3.设有一光电池设有一光电池,暗态下的电导为暗态下的电导为Gd=2x10-8S(西门子西门子),在入射辐射通量为在入射辐射通量为10mw时时,光敏电阻光敏电阻的阻值的阻值R=1 x 104,已知负载电阻已知负载电阻RL=2 x 104,外电源电压外电源电压Ub=150v.试求当入射辐射通量从试求当入射辐射通量从9.5mw变化到变化到10.5mw变化时变化时,输出电流和输出输出电流和输出电压的变化值电压的变化值.UbRLUoRU4.光敏电阻适用作光控继电器。如图所示，一光敏电阻与晶光敏电阻适用作光控继电器。如图所示，一光敏电阻与晶体管相连，晶体管为硅管，其体管相连，晶体管为硅管，其值为值为5050，继电器的吸合电，继电器的吸合电流为流为10mA10mA，R Re e=100=100。试计算继电器吸合需多大的照度？。试计算继电器吸合需多大的照度？（测得（测得E=0 E=0 lx时，时，R RP P=100M =100M 。E=100 lx时，时，RP=10K ，其中其中Ub=12V)JRP+UbRe