《zm光电导探测器》PPT课件.ppt
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1、3.2 3.2 光电导探测器光电导探测器(PC-Photoconductive).1光敏电阻的工作原理和结构光敏电阻的工作原理和结构.2光敏电阻的特性参数光敏电阻的特性参数.3光敏电阻的变换电路光敏电阻的变换电路.4光敏电阻的应用实例光敏电阻的应用实例 某某某某些些些些物物物物质质质质吸吸吸吸收收收收了了了了光光光光子子子子的的的的能能能能量量量量产产产产生生生生本本本本征征征征吸吸吸吸收收收收或或或或杂杂杂杂质质质质吸吸吸吸收收收收,从从从从而而而而改改改改变变变变了了了了物物物物质质质质电电电电导导导导率率率率的的的的现现现现象象象象称称称称为为为为物物物物质质质质的的的的光光光光电电电电
2、导导导导效效效效应应应应。利利利利用用用用具具具具有有有有光光光光电电电电导导导导效效效效应应应应的的的的材材材材料料料料(如如如如硅硅硅硅、锗锗锗锗等等等等本本本本征征征征半半半半导导导导体体体体与与与与杂杂杂杂质质质质半半半半导导导导体体体体,硫硫硫硫化化化化镉镉镉镉、硒硒硒硒化化化化镉镉镉镉、氧氧氧氧化化化化铅铅铅铅等等等等)可可可可以以以以制制制制成成成成电电电电导导导导随随随随入入入入射射射射光光光光度度度度量量量量变变变变化化化化器器器器件件件件,称称称称为为为为光光光光电电电电导导导导器器器器件。件。件。件。最典型的光电导器件是光敏电阻。最典型的光电导器件是光敏电阻。最典型的光电
3、导器件是光敏电阻。最典型的光电导器件是光敏电阻。光敏电阻光敏电阻 当光敏电阻受到光照时,当光敏电阻受到光照时,当光敏电阻受到光照时,当光敏电阻受到光照时,阻值减小。阻值减小。阻值减小。阻值减小。光电导效应:在光光电导效应:在光作用下使物体的电作用下使物体的电阻率改变的现象阻率改变的现象.光敏电阻有以下优点:光敏电阻有以下优点:光敏电阻有以下优点:光敏电阻有以下优点:光谱响应相当宽。光谱响应相当宽。光谱响应相当宽。光谱响应相当宽。根据光电导材料的不同,有的根据光电导材料的不同,有的根据光电导材料的不同,有的根据光电导材料的不同,有的在可见光区灵敏,有的灵敏区可达红外区或远红在可见光区灵敏,有的灵
4、敏区可达红外区或远红在可见光区灵敏,有的灵敏区可达红外区或远红在可见光区灵敏,有的灵敏区可达红外区或远红外区。外区。外区。外区。所测的光强范围宽,即可对强光响应,也可对弱所测的光强范围宽,即可对强光响应,也可对弱所测的光强范围宽,即可对强光响应,也可对弱所测的光强范围宽,即可对强光响应,也可对弱光响应。光响应。光响应。光响应。无极性之分,使用方便,成本低,寿命长。无极性之分,使用方便,成本低,寿命长。无极性之分,使用方便,成本低,寿命长。无极性之分,使用方便,成本低,寿命长。灵敏度高,工作电流大,可达数毫安。灵敏度高,工作电流大,可达数毫安。灵敏度高,工作电流大,可达数毫安。灵敏度高,工作电流
5、大,可达数毫安。光敏电阻的不足之处光敏电阻的不足之处光敏电阻的不足之处光敏电阻的不足之处:强光照射下线性较差,频率特性也较差。强光照射下线性较差,频率特性也较差。强光照射下线性较差,频率特性也较差。强光照射下线性较差,频率特性也较差。.1光敏电阻的工作原理和结构光敏电阻的工作原理和结构图所示为光敏电阻的原理图与光敏电阻的符号,在均图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。构成光敏电阻。当光敏电阻的两端加当光敏电阻的两端加上适当的偏置电压上适当的偏置电压Ubb后,当光照射到光电后,当光照
6、射到光电导体上,由光照产生导体上,由光照产生的光生载流子在外加的光生载流子在外加电场作用下沿一定方电场作用下沿一定方向运动,在电路中产向运动,在电路中产生电流生电流Ip,用检流计可,用检流计可以检测到该电流。以检测到该电流。一。光敏电阻工作原理一。光敏电阻工作原理光敏电阻演示光敏电阻演示当光敏电阻当光敏电阻受到光照时,受到光照时,光生电子光生电子空空穴对增加,阻穴对增加,阻值减小,电流值减小,电流增大。增大。暗电流(越小越好)暗电流(越小越好)光电导增益参见光电导增益参见书上推导过程书上推导过程p173p175M1的理解的理解光电导内增益光电导内增益说明载流子已经渡越完毕,但载流子的平均寿命还
7、未说明载流子已经渡越完毕,但载流子的平均寿命还未中止。这种现象可以这样理解:光生电子向正极运动,中止。这种现象可以这样理解:光生电子向正极运动,空穴向负极运动,可是空穴的移动可能被晶体缺陷和空穴向负极运动,可是空穴的移动可能被晶体缺陷和杂质形成的俘获中心陷阱所俘获。因此,当电子到杂质形成的俘获中心陷阱所俘获。因此,当电子到达正极消失时,陷阱俘获的正电中心(空穴)仍留在达正极消失时,陷阱俘获的正电中心(空穴)仍留在体内,它又会将负电极的电子感应到半导体中来,被体内,它又会将负电极的电子感应到半导体中来,被诱导进来的电子又在电场中运动到正极,如此循环直诱导进来的电子又在电场中运动到正极,如此循环直
8、到正电中心消失。这就相当放大了初始的光生电流。到正电中心消失。这就相当放大了初始的光生电流。如何提高如何提高M光电导内增益光电导内增益选用平均寿命长、迁移率大的半导体材料;选用平均寿命长、迁移率大的半导体材料;减少电极间距离;减少电极间距离;加大偏压加大偏压光敏电阻分类本征型掺杂型入射光子的能量大于或等于入射光子的能量大于或等于入射光子的能量大于或等于入射光子的能量大于或等于半导体的禁带宽度时能激发半导体的禁带宽度时能激发半导体的禁带宽度时能激发半导体的禁带宽度时能激发电子空穴对电子空穴对电子空穴对电子空穴对EcEvEg入射光子的能量大于或等入射光子的能量大于或等入射光子的能量大于或等入射光子
9、的能量大于或等于杂质电离能时就能激发于杂质电离能时就能激发于杂质电离能时就能激发于杂质电离能时就能激发电子空穴对电子空穴对电子空穴对电子空穴对EcEvEg常用于可见光波段测试常用于可见光波段测试常用于可见光波段测试常用于可见光波段测试常用于红外波段甚至远红外测试常用于红外波段甚至远红外测试常用于红外波段甚至远红外测试常用于红外波段甚至远红外测试光电导器件材料光电导器件材料光电导器件材料光电导器件材料禁带宽度禁带宽度禁带宽度禁带宽度(eVeV)光谱响应范围光谱响应范围光谱响应范围光谱响应范围(nmnm)峰值波长峰值波长峰值波长峰值波长(nmnm)硫化镉(硫化镉(硫化镉(硫化镉(CdSCdS)2.
10、452.45400400800800515515550550硒化镉(硒化镉(硒化镉(硒化镉(CdSeCdSe)1.741.74680680750750720720730730硫化铅(硫化铅(硫化铅(硫化铅(PbSPbS)0.400.405005003000300020002000碲化铅(碲化铅(碲化铅(碲化铅(PbTePbTe)0.310.316006004500450022002200硒化铅(硒化铅(硒化铅(硒化铅(PbSePbSe)0.250.257007005800580040004000硅(硅(硅(硅(SiSi)1.121.1245045011001100850850锗(锗(锗(锗(G
11、eGe)0.660.665505501800180015401540锑化铟(锑化铟(锑化铟(锑化铟(InSbInSb)0.160.166006007000700055005500砷化铟(砷化铟(砷化铟(砷化铟(InAsInAs)0.330.33100010004000400035003500常用光电导材料常用光电导材料每一种半导体或绝缘体都有一定的光电导效应,但只有其中一部分材料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电导材料有-族、族、-
12、族化合物,硅、锗等,以及一些有机物。族化合物,硅、锗等,以及一些有机物。光敏电阻的结构是在一块光电导体两端加上电极,贴在硬质玻光敏电阻的结构是在一块光电导体两端加上电极,贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其它绝缘材料基板上,两端接电极引线,封装璃、云母、高频瓷或其它绝缘材料基板上,两端接电极引线,封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。在带有窗口的金属或塑料外壳内。二二.光敏电阻的基本结构光敏电阻的基本结构光敏面作成蛇形,电极是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或光敏面作成蛇形,电极是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。这种梳状电极可以保证有较大的受光表面,也可铟等金属形成的。这种梳状电极
13、可以保证有较大的受光表面,也可以减小电极之间距离,从而减小极间电子渡越时间,提高灵敏度。以减小电极之间距离,从而减小极间电子渡越时间,提高灵敏度。1-光导层;2-玻璃窗口;3-金属外壳;4-电极;5-陶瓷基座;6-黑色绝缘玻璃;7-电阻引线。RG12 34567(a)结构(b)电极(c)符号CdS光敏电阻的结构和符号(a a a a)梳状结构:梳形电极间距很小,之间为光敏电阻材料,灵敏度高。)梳状结构:梳形电极间距很小,之间为光敏电阻材料,灵敏度高。)梳状结构:梳形电极间距很小,之间为光敏电阻材料,灵敏度高。)梳状结构:梳形电极间距很小,之间为光敏电阻材料,灵敏度高。(b b b b)蛇形结构
14、:光敏面为蛇形,两侧为金属导电材料,并在其上设置电极。)蛇形结构:光敏面为蛇形,两侧为金属导电材料,并在其上设置电极。)蛇形结构:光敏面为蛇形,两侧为金属导电材料,并在其上设置电极。)蛇形结构:光敏面为蛇形,两侧为金属导电材料,并在其上设置电极。(c c c c)刻线式结构:在制备好的光敏电阻衬基上刻出狭窄的光敏材料条,再蒸涂)刻线式结构:在制备好的光敏电阻衬基上刻出狭窄的光敏材料条,再蒸涂)刻线式结构:在制备好的光敏电阻衬基上刻出狭窄的光敏材料条,再蒸涂)刻线式结构:在制备好的光敏电阻衬基上刻出狭窄的光敏材料条,再蒸涂金属电极。金属电极。金属电极。金属电极。导体吸收光子而产生的光电效应,只限
15、于光照表面薄层,虽然产生的载流子导体吸收光子而产生的光电效应,只限于光照表面薄层,虽然产生的载流子导体吸收光子而产生的光电效应,只限于光照表面薄层,虽然产生的载流子导体吸收光子而产生的光电效应,只限于光照表面薄层,虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去,但扩散深度有限,因此光电导体一般都做成薄层。也有少数扩散到内部去,但扩散深度有限,因此光电导体一般都做成薄层。也有少数扩散到内部去,但扩散深度有限,因此光电导体一般都做成薄层。也有少数扩散到内部去,但扩散深度有限,因此光电导体一般都做成薄层。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。灵敏度易受湿度的影响,因此要将导光电导体严密
16、封装在玻璃壳体中。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。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。.2光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数 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等。一、光谱响应率光谱响应率光谱响应率表示在某一特定波长下,输出光电流(或电压)与入射辐射能量之比光谱响应率为由由和和光谱特性多用相对灵敏度与波长的关系曲线表示。光谱特性多用相对灵敏度与波长的关系曲线表示。在可见光区灵敏的几种光敏电阻的光谱
17、特性曲线在可见光区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线1-硫化镉单晶2-硫化镉多晶3-硒化镉多晶4-硫化镉与硒化镉混合多晶由图可见,硫化镉单晶、硫化由图可见,硫化镉单晶、硫化镉与硒化镉混合多晶,硫化镉多晶、镉与硒化镉混合多晶,硫化镉多晶、硒化镉多晶等几种光敏电阻的光谱硒化镉多晶等几种光敏电阻的光谱特性曲线覆盖了整个可见光区,峰特性曲线覆盖了整个可见光区,峰值波长在值波长在515600nm之间。这与之间。这与人眼的光谱光视效率人眼的光谱光视效率V()曲线的范曲线的范围和峰值波长(围和峰值波长(555nm)是很接近)是很接近的,因此可用于与人眼有关的仪器,的,因此可用于与人眼有关的仪器,例如照相机、照
18、度计、光度计等。例如照相机、照度计、光度计等。不过它们的形状与不过它们的形状与V()曲线还不完曲线还不完全一致。如直接使用,与人的视觉全一致。如直接使用,与人的视觉还有一定的差距,所以必须加滤光还有一定的差距,所以必须加滤光片进行修正,使其特性曲线与片进行修正,使其特性曲线与V()曲线完全符合,这样即可得到与人曲线完全符合,这样即可得到与人眼视觉相同的效果。眼视觉相同的效果。二、光谱特性光谱特性在红外区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线在红外区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线三.噪声特性 光敏电阻的主要噪声有热噪声、产生复合和低频噪光敏电阻的主要噪声有热噪声、产生复合和低频噪声声(或称或称1/f
19、1/f噪声噪声)。1、热噪声(1MHz)2、产生复合噪声(1kHz1MHz)3、低频噪声(电流噪声)总噪声高频低频高频低频/f热噪声产生复合噪声总噪声ffc0四、光电特性和光电特性和 值值光电特性:光敏电阻的光电流与入射光通量(照度)之间的关系1.弱光照射时,光电流与光通量(照度)成正比,即弱光照射时,光电流与光通量(照度)成正比,即保持线性关系保持线性关系式中式中Sg为光电导灵敏度,为光电导灵敏度,E为光敏电阻的照度。为光敏电阻的照度。2.强光照射时,强光照射时,光电流与光通量(照度)成非线性。光电流与光通量(照度)成非线性。为光电转换因子,是一个随光度量变化的指数为光电转换因子,是一个随光
20、度量变化的指数gp称为光敏电阻的光电导。称为光敏电阻的光电导。在通常的照度范围内(10-1104lx),的值接近于1考虑到光敏电阻的暗电流,流过光敏电阻的电流为 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1,在强光照下1/2,一般1。如图所示的特性曲线反如图所示的特性曲线反应了流过光敏电阻的电流应了流过光敏电阻的电流Ip与入射光照度与入射光照度E间的变化关间的变化关系,由图可见它是由直线性系,由图可见它是由直线性渐变到非线性的。渐变到非线性的。电阻照度关系曲线电阻照度关系曲线 在实际使用时,常常将光敏电阻的光电特性曲线改用如图所示的两种坐标框架特性曲线。其中(a)为线性直角坐标系中
21、光敏电阻的阻值R与入射照度EV的关系曲线,而(b)为对数直角坐标系下的阻值R与入射照度EV的关系曲线。值为对数坐标下特性曲线的斜率。即值为对数坐标下特性曲线的斜率。即 R1与与R2分别是照度为分别是照度为E1和和E2时光敏电阻的阻值。时光敏电阻的阻值。五.伏安特性 在不同光照下加在光敏电阻两端的电压在不同光照下加在光敏电阻两端的电压U与流过它的电流与流过它的电流Ip的关系曲线,并称其为光敏电阻的伏安特性。的关系曲线,并称其为光敏电阻的伏安特性。图所示为典型CdS光敏电阻的伏安特性曲线。图中的虚线为额定功耗线。图中的虚线为额定功耗线。使用光敏电阻时,应不使电阻使用光敏电阻时,应不使电阻的实际功耗
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