【教学课件】第03章光电导探测器.ppt

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1、数码相机为什么能实现自动曝光？数码相机为什么能实现自动曝光？数码相机数码相机NIKON5第第0303章章 光电导探测器光电导探测器利用半导体光电导效应制成的器件称为利用半导体光电导效应制成的器件称为光电导探光电导探测器测器，简称，简称PC（Photoconductive）探测器又探测器又称为称为光敏电阻光敏电阻。特点特点 ：光谱响应：紫外远红外光谱响应：紫外远红外 工作电流大，可达数毫安工作电流大，可达数毫安 可测强光，可测弱光可测强光，可测弱光 灵敏度高，光电导增益大于灵敏度高，光电导增益大于1 1 无极性之分无极性之分光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoele

2、ctric Science and Engineering第第0303章章 光电导探测器光电导探测器3.1 3.1 材料结构原理材料结构原理3.2 3.2 主要特性参数主要特性参数3.4 3.4 偏置电路和应用偏置电路和应用3.1 3.1 材料结构原理材料结构原理3.1.1 3.1.1 材料及分类材料及分类、V V族化合物，硅、锗以及一些有机物等族化合物，硅、锗以及一些有机物等 本征型光敏电阻：本征型光敏电阻：杂质型光敏电阻：杂质型光敏电阻：注意杂质型：注意杂质型：1.常用常用N型型 2.极低温度下工作极低温度下工作 杂质型光敏电阻：极低温度下工作杂质型光敏电阻：极低温度下工作?以以N N型为

3、例：型为例：EcEvEdEd Ec Ed EgEgEd2.常温常温-杂质原子束缚电子杂质原子束缚电子或空穴已被热激发成自由态或空穴已被热激发成自由态作为暗电导率的贡献量。长作为暗电导率的贡献量。长波光照波光照,已无束缚电子或束已无束缚电子或束缚空穴供光激发用，即光电缚空穴供光激发用，即光电导导为零或很微弱。为零或很微弱。1.杂质原子浓度远比基质原杂质原子浓度远比基质原子浓度低得多。子浓度低得多。3.1 3.1 材料结构原理材料结构原理3.1.2 光照下的光电导响应过程光照下的光电导响应过程光电导的响应与光生载流子n成正比 曲线的解释：考虑P型半导体的本征吸收3.1.2 3.1.2 光照下的光电

4、导响应过程光照下的光电导响应过程光照时：光照时：弱光（n(t)=p(t)n0）初始条件：t=0，n(0)=0 增长率 产生率 复合率 热致产生率 3.1.2 3.1.2 光照下的光电导响应过程光照下的光电导响应过程光照时：光照时：为载流子寿命 3.1.2.3.1.2.光照下的光电导响应过程光照下的光电导响应过程光照时：光照时：光照停止时：光照停止时：增长率 产生率 复合率 热致产生率 光照停止时：光照停止时：初始条件：t=0，3.1.2.3.1.2.光照下的光电导响应过程光照下的光电导响应过程弱光照条件下光电导响应的两个基本结论：（1）响应时间（上升时间和下降时间）等于载流子寿命且为常数（2）

5、稳态光电导 与产生率成线性关系，即与辐射通量成正比3.1.2.3.1.2.光照下的光电导响应过程光照下的光电导响应过程(a)光照时 (b)光照停止时 弱光照条件下光电导响应的两个基本结论：（1）响应时间（上升时间和下降时间）等于载流子寿命且为常数（2）稳态光电导 与产生率成线性关系，即与辐射通量成正比强光照条件下：（讨论）3.1.2.3.1.2.光照下的光电导响应过程光照下的光电导响应过程阶跃光照时光电导响应：正弦光照时光电导响应：3.1.2.3.1.2.光照下的光电导响应过程光照下的光电导响应过程阶跃光照时光电导响应：正弦光照时光电导响应：上限截止频率：（频域）响应时间：（时域）光电导响应速

6、度3.1.2.3.1.2.光照下的光电导响应过程光照下的光电导响应过程3.1.3 3.1.3 结构和原理结构和原理3.1 3.1 材料结构原理材料结构原理设样品为N型材料 任务：1.导出电流表达式在x处光生载流子浓度 3.1.3 3.1.3 结构和原理结构和原理在x处光生载流子浓度 x处的光电导率为 漂移电流密度（A/m2）为 3.1.3 3.1.3 结构和原理结构和原理漂移电流密度（A/m2）为 光电导探测器 平均光电流 3.1.3 3.1.3 结构和原理结构和原理光电导探测器 平均光电流 由此可得到两个结论：(1).光电导探测器为受控恒流源(2).光电导探测器光敏面做成蛇形光敏面做成蛇形3

7、.1.3 3.1.3 结构和原理结构和原理电压源：电压源：RSRL两者关系：两者关系：IS=ES/RS 例如，三极管例如，三极管h h参数等效电路参数等效电路补充知识补充知识2：受控受控电流源：电流源：光电导探测器 平均光电流(1).光电导探测器为受控恒流源 微变等效电路 光电阻Rp0-平均光照时 光敏电阻的阻值U-光电阻Rp0上的分电压。利用该等效电路可方便地计算光电导探测器接受交变辐射时的输出信号。使用条件：光通量变化较小 3.1.3 3.1.3 结构和原理结构和原理光电导探测器 平均光电流(1).光电导探测器为受控恒流源(2).光电导探测器光敏面做成蛇形光敏面做成蛇形光电流Ip与长度lz

8、的平方成反比 3.1.3 3.1.3 结构和原理结构和原理光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering光敏电阻结构示意图光敏电阻结构示意图 3.1.3 3.1.3 结构和原理结构和原理2.2.光电导增益光电导增益光电导探测器的内增益，也称为光电导增益 3.1.3 3.1.3 结构和原理结构和原理光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering第第0303章章 光电导探测器光电导探测器3.1 3.1 材料结构原理材料结构原理3.2

9、 3.2 主要特性参数主要特性参数3.3 3.3 偏置电路和应用偏置电路和应用3.2 3.2 主要特性参数主要特性参数1.光电特性和光电特性和值值2.2.光电导灵敏度光电导灵敏度3.3.光谱特性光谱特性7.7.噪声特性噪声特性4.4.频率特性频率特性5.5.温度特性温度特性6.6.前历效应前历效应1.1.光电特性和光电特性和值值光敏电阻的光电流与入射光通量（光照度）光敏电阻的光电流与入射光通量（光照度）之间的关系称光电特性之间的关系称光电特性 Sg比例系数，与材料有关比例系数，与材料有关 为电压指数，为电压指数，1 0.51照度指数照度指数强光强光为为0.5弱光弱光为为1弱光线性弱光线性（测量

10、）（测量）强光非线性强光非线性（控制）（控制）照度指数照度指数值值（1）1.1.光电特性和光电特性和值值实用的光电特性参数：实用的光电特性参数：（1）例：表例：表31 值值暗电阻暗电阻 M亮电阻亮电阻 K2.2.光电导灵敏度光电导灵敏度弱光弱光，光电导灵敏度：光电导灵敏度：S/1m，S/1x S/W，S/W/cm2 3.2 3.2 主要特性参数主要特性参数3.3.频率特性频率特性3.2 3.2 主要特性参数主要特性参数两个阶段：光电导探测器光电导探测器总的响应时间总的响应时间由探测器本身响应时间由探测器本身响应时间决定决定，与外接负载电阻大小无关。，与外接负载电阻大小无关。3.3.频率特性频率

11、特性3.2 3.2 主要特性参数主要特性参数Load resistance RL/100 1k l0k 100kResponse time tr/ms 5.4 5.5 5.4 5.4CdSe光电导探测器：光电导探测器光电导探测器总的响应时间总的响应时间由探测器本身响应时间由探测器本身响应时间决定决定，与外接负载电阻大小无关。，与外接负载电阻大小无关。3.3.频率特性频率特性3.2 3.2 主要特性参数主要特性参数引入等效电容 未引入等效电容 弛豫特性弛豫特性 总响应时间 探测器弛豫特性反映在电路两个时间3.3.频率特性频率特性 最高频率最高频率 104HZ10KHZ响应时间响应时间 ms量级量

12、级3.2 3.2 主要特性参数主要特性参数响应时间：1.光电 载流子平均寿命 （较大）2.外接电路的时间常数 （可忽略）光电导探测器的频率特性差，不适于接收高频光信号。C4.4.光谱特性光谱特性 峰值波长在峰值波长在515600nm，接近，接近555nm，可用于与，可用于与人眼人眼有关的仪器，例如照相机、照度计、光度计有关的仪器，例如照相机、照度计、光度计等，加滤光片进行修正等，加滤光片进行修正 3.2 3.2 主要特性参数主要特性参数可见光区可见光区灵敏的几种光敏电阻灵敏的几种光敏电阻 4.4.光谱特性光谱特性红外区红外区灵敏的几种光敏电阻灵敏的几种光敏电阻3.2 3.2 主要特性参数主要特

13、性参数4.4.光谱特性光谱特性3.2 3.2 主要特性参数主要特性参数每一种器件都有特定的光谱响应波段。常用的光电导探测器组合起来后可以覆盖从可见光、近红外、中红外延伸至极远红外波段的光谱响应范围 常用光电导探测器的光谱响应示意图可见光近红外中红外远红外近中紫外波长增大依据图310、311，表32、338.8.噪声特性噪声特性光敏电阻噪声：光敏电阻噪声：减小噪声途径：减小噪声途径：光调制技术光调制技术致冷致冷合理偏置电路合理偏置电路3.2 3.2 主要特性参数主要特性参数光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineer

14、ing3.2 3.2 主要特性参数主要特性参数 (1)光电导器件在方波辐射的作用下，其上升时间大于下降 时间。()(2)在测量某光电导器件的值时，背景光照越强，其值 越小。()(3)光敏电阻的恒压偏置电路比恒流偏置电路的电压灵敏度 要高一些。()(4)光敏电阻的阻值与环境温度有关，温度升高光敏电阻的 阻值也随之升高。()试判别下列结论，正确的在括号里填试判别下列结论，正确的在括号里填T，错误的填，错误的填F总结：总结：常用光电导探测器常用光电导探测器 光电导探测器波长响应范围光电导探测器波长响应范围按工作波长：按工作波长：按材料分，两大类型：按材料分，两大类型：本征型光敏电阻本征型光敏电阻 表

15、表32杂质型光敏电阻杂质型光敏电阻表表33紫外光响应紫外光响应可见光响应可见光响应红外光响应红外光响应紫外光紫外光可见光可见光红外极远红外光红外极远红外光碲镉汞碲镉汞(HgCdTe)系列光敏电阻系列光敏电阻Hg1-xCdxTe 合金法：合金法：CdTe HgTe x是是Cd含量组分，变化范围含量组分，变化范围1.80.4，长波限为，长波限为330m x=0.2，光谱响应，光谱响应814m x=0.28，光谱响应，光谱响应35m x=0.39，光谱响应，光谱响应13m 工工作作温温度度 光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and E

16、ngineering3.3 3.3 偏置电路偏置电路1 1基本偏置电路及直流参数的计算基本偏置电路及直流参数的计算2 2几种典型的偏置电路几种典型的偏置电路3 3光敏电阻应用举例光敏电阻应用举例3.1.1 3.1.1 基本偏置电路及直流参数的计算基本偏置电路及直流参数的计算为使器件正常工作，提供合适的电流或者电压。为使器件正常工作，提供合适的电流或者电压。TRb+VCCcR偏置电路偏置电路:例如：例如：意义：意义：1.1.提高探测灵敏度提高探测灵敏度2.2.降低噪声降低噪声3.3.提高频率响应提高频率响应偏置电压偏置电压偏置电阻偏置电阻3.3 3.3 偏置电路偏置电路基本偏置电路基本偏置电路:

17、直流参数计算直流参数计算:1）.计算计算Ub,RL2）.计算计算 对应的输出电压对应的输出电压3.3 3.3 偏置电路偏置电路3.1.1 3.1.1 基本偏置电路及直流参数的计算基本偏置电路及直流参数的计算1）.计算计算Ub,RL3.3 3.3 偏置电路偏置电路2）.计算计算 对应的输出电压对应的输出电压3.3 3.3 偏置电路偏置电路1 1恒流偏置电路恒流偏置电路 RLRP 特点特点:信噪比高弱信号检测信噪比高弱信号检测3.3 3.3 偏置电路偏置电路3.3.2 3.3.2 几种典型偏置电路几种典型偏置电路2 2恒压偏置电路恒压偏置电路RLRP 特点特点:输出信号与光敏电阻无关更换输出信号与

18、光敏电阻无关更换3.3 3.3 偏置电路偏置电路3.3.2 3.3.2 几种典型偏置电路几种典型偏置电路恒压偏置电路恒压偏置电路RLRP 如何增大输出信号？如何增大输出信号？光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering恒流偏置电路恒流偏置电路恒压偏置电路恒压偏置电路3.3 3.3 偏置电路偏置电路光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering数码相机为什么能实现自动曝光？数码相机为什么能实现自动曝光？数码相机数码相机NIKON

19、5光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering数码相机数码相机NIKON5应用电路举例应用电路举例1.1.光敏电阻用于照相机自动曝光电路光敏电阻用于照相机自动曝光电路：光照强：光照强：曝光时间短曝光时间短光照弱：光照弱：曝光时间长曝光时间长光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering应用电路举例应用电路举例2.2.光电位器光电位器 光电位器特点：无机械接触、可靠性高、寿命长光电位器特点：无机械接触、可靠性高、寿命长 3光电导

20、探测器噪声主要包括：光电导探测器噪声主要包括：热噪声、热噪声、g-r噪声和噪声和1f噪声噪声本章小结：本章小结：1利用半导体光电导效应制成的器件称为光电导探测器：利用半导体光电导效应制成的器件称为光电导探测器：本征光电导探测器本征光电导探测器和和杂质光电导探测器杂质光电导探测器 光谱响应范围可从紫外远红外波段光谱响应范围可从紫外远红外波段2光电流光电流Ip=(e/hv)M，M内增益，与器件材料、性质内增益，与器件材料、性质和外加电场大小有关和外加电场大小有关4上限截止频率上限截止频率fc或响应时间或响应时间，与光电导探测器的光生，与光电导探测器的光生载流子的平均寿命有关。响应频率仅在几兆赫的数

21、量级。载流子的平均寿命有关。响应频率仅在几兆赫的数量级。5偏置电路：恒流电路、恒压电路、交流等效电路偏置电路：恒流电路、恒压电路、交流等效电路习题习题3-9指导：指导：3-9 如图如图324所示的电路，耦合电容所示的电路，耦合电容C足够大，在交流回路足够大，在交流回路中其容抗可以忽略不计。光敏电阻中其容抗可以忽略不计。光敏电阻Rp的参数为的参数为Sg=210-5 Slx，10-3 s，Rl4k，R2=2k，Ub=50V，暗电阻，暗电阻Rd=1M，若光敏电阻所受的光照度为：，若光敏电阻所受的光照度为：e=(16+4sint)1x.(1)画出等效电路图；画出等效电路图；(2)求通过求通过R2电流的有效值；电流的有效值；(3)求输出电压求输出电压Uo的有效值的有效值;(4)求上限截止频率求上限截止频率fHC。（提示：利用图（提示：利用图35的微变等效电路进行计算）的微变等效电路进行计算）R0为为0相对应的光电阻相对应的光电阻 习题习题3-9指导：指导：设入射光通量为：设入射光通量为：习题习题3-9指导：指导：