zm光电导探测器.pptx
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1、 某些物质吸收了光子的能量产生本征吸收或杂质吸收,从而改变了物质电导率的现象称为物质的光电导效应。利用具有光电导效应的材料(如硅、锗等本征半导体与杂质半导体,硫化镉、硒化镉、氧化铅等)可以制成电导随入射光度量变化器件,称为光电导器件。最典型的光电导器件是光敏电阻。第1页/共66页光敏电阻光敏电阻 当光敏电阻受到光照时,阻值减小。光电导效应:在光作用下使物体的电阻率改变的现象.第2页/共66页光敏电阻有以下优点:光谱响应相当宽。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外区。所测的光强范围宽,即可对强光响应,也可对弱光响应。无极性之分,使用方便,成本低,寿命长。灵敏度高
2、,工作电流大,可达数毫安。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。第3页/共66页3.2.1光敏电阻的工作原理和结构第4页/共66页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构成光敏电阻。当光敏电阻的两端加上适当的偏置电压Ubb后,当光照射到光电导体上,由光照产生的光生载流子在外加电场作用下沿一定方向运动,在电路中产生电流Ip,用检流计可以检测到该电流。一。光敏电阻工作原理第5页/共66页光敏电阻演示 当光敏电阻受到光照时,光生电子空穴对增加,阻值减小,电流增大。暗电流(越小越好)第6页/共66页光电导增益参见书上推导过程p17
3、3p175第7页/共66页M1的理解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未中止。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,如此循环直到正电中心消失。这就相当放大了初始的光生电流。第8页/共66页 如何提高M光电导内增益选用平均寿命长、迁移率大的半导体材料;减少电极间距离;加大偏压第9页/共66页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
4、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EcEvEg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第10页/共66页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)2.452.454004008
5、00800515515550550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(GeGe)0.660.665
6、505501800180015401540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。现在使用的光电导材料有-族、-族化合物,硅、锗等,以及一些有机物。第11页/共66页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,封装在带有窗口的
7、金属或塑料外壳内。二.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第12页/共66页(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。(b b)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
8、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)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)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。蒸涂金属电极。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。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
9、封装在玻璃壳体中。第13页/共66页3.2.2光敏电阻的主要特性参数第14页/共66页 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。第15页/共66页一、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和第16页/共66页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、硫化镉与硒化镉混合多晶,硫化
10、镉多晶、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,峰值波长在515600nm之间。这与人眼的光谱光视效率V()曲线的范围和峰值波长(555nm)是很接近的,因此可用于与人眼有关的仪器,例如照相机、照度计、光度计等。不过它们的形状与V()曲线还不完全一致。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,这样即可得到与人眼视觉相同的效果。二、光谱特性第17页/共66页在红外区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线第18页/共66页三三.噪声特性噪声特性 光敏电阻的主要噪声有热噪声、产生复合和低频噪声(或称1/f噪声)。1、热噪声(1MHz
11、)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第19页/共66页/f热噪声产生复合噪声总噪声ffc0第20页/共66页第21页/共66页四、光电特性和值光电特性: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,即保持线性关系式中Sg为光电导灵敏度,E为光敏电阻的照度。第22页/共66页2.强光照射时,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gp称为光敏电阻的光电导。第23页/共66页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
12、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0.51。第24页/共66页 如图所示的特性曲线反应了流过光敏电阻的电流Ip与入射光照度E间的变化关系,由图可见它是由直线性渐变到非线性的。第25页/共66页电阻照度关系曲线 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R1与R2分别是照度为E1和E2时光敏电阻的阻值。第26页/共66页五.伏安特性 在不同光照下加在光敏电
13、阻两端的电压U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。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。使用光敏电阻时,应不使电阻的实际功耗超过额定值。从图上来说,就是不能使静态工作点居于虚线以内的区域。按这一要求在设计负载电阻时,应不使负载线与额定功耗线相交。第27页/共66页六、前历效应前历效应是指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种现象。前历效应有暗态前历与亮态前历之分。暗态前历效应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,则暗态前历效应就越重。
14、第28页/共66页硫化镉光敏电阻的暗态前历效应曲线1-黑暗放置3分钟后2-黑暗放置60分钟后3-黑暗放置24小时后第29页/共66页亮态前历效应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。硫化镉光敏电阻亮态前历效应曲线第30页/共66页七、温度特性光敏电阻的温度特性很复杂,在一定的照度下,亮电阻的温度系数有正有负R1、R2分别为与温度T1、T2相对应的亮电阻。温度对光谱响应也有影响。一般说,光谱特性主要决定于材料,材料的禁带宽度越
15、窄则对长波越敏感,但禁带很窄时,半导体中热激发也会使自由载流子浓度增加,使复合运动加快,灵敏度降低。因此,采取冷却灵敏面的办法来提高灵敏度往往是很有效的。光敏电阻在某一光照下的阻值,称为该光照下的亮电阻。第31页/共66页 图所示为典型CdS(实线)与CdSe(虚线)光敏电阻在不同照度下的温度特性曲线。以室温(25)的相对光电导率为100%,观测光敏电阻的相对光电导率随温度的变化关系,可以看出光敏电阻的相对光电导率随温度的升高而下降,光电响应特性随着温度的变化较大。第32页/共66页随着温度的升高,其暗电阻和灵敏度下降,光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流I和温度T的关系如图所
16、示。有时为了提高灵敏度,或为了能够接收较长波段的辐射,将元件降温使用。例如,可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。I/A100150200-50-1030 5010-30T/C2040608010001.02.03.04.0/mI/mA+20C-20C硫化镉的光电流I和温度T的关系第33页/共66页l一般n型半导体的EF位于Ei之上Ec之下的禁带中。lEF既与温度有关,也与杂质浓度ND有关:一定温度下掺杂浓度越高,费米能级EF距导带底Ec越近;如果掺杂一定,温度越高EF距Ec越远,也就是越趋向Ei。Si中不同掺杂浓度条件下费米能级与温度的关系第34页/共66页八.响应时间和频率响应光敏电阻的响应时
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