【教学课件】第03章光电导探测器.ppt
数码相机为什么能实现自动曝光？,数码相机NIKON5,第03章 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，简称PC（Photoconductive）探测器又称为光敏电阻。,特点：,光谱响应：紫外远红外 工作电流大，可达数毫安 可测强光，可测弱光 灵敏度高，光电导增益大于1 无极性之分,第03章 光电导探测器,3.1 材料结构原理3.2 主要特性参数3.4 偏置电路和应用,3.1 材料结构原理,3.1.1 材料及分类,、V族化合物，硅、锗以及一些有机物等,本征型光敏电阻：,杂质型光敏电阻：,注意杂质型：1.常用N型 2.极低温度下工作,杂质型光敏电阻：极低温度下工作?,以N型为例：,Ec,Ev,Ed,Ed Ec Ed Eg,Eg,Ed,2.常温-杂质原子束缚电子或空穴已被热激发成自由态作为暗电导率的贡献量。长波光照,已无束缚电子或束缚空穴供光激发用，即光电导为零或很微弱。,1.杂质原子浓度远比基质原子浓度低得多。,3.1 材料结构原理,3.1.2 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 光照下的光电导响应过程,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 光照下的光电导响应过程,光照时：,为载流子寿命,3.1.2.光照下的光电导响应过程,光照时：,光照停止时：,增长率,产生率,复合率,热致产生率,光照停止时：,初始条件：t=0，,3.1.2.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）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.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.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.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）,光电导响应速度,3.1.2.光照下的光电导响应过程,3.1.3 结构和原理,3.1 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 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 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 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,3.1.3 结构和原理,电压源：RSRL,补充知识1：,电流源：RSRL,两者关系：IS=ES/RS,例如，三极管h参数等效电路,补充知识2：,受控电流源：,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 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,光电流Ip与长度lz的平方成反比,3.1.3 结构和原理,光敏电阻结构示意图,3.1.3 结构和原理,2.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 结构和原理,第03章 光电导探测器,3.1 材料结构原理3.2 主要特性参数3.3 偏置电路和应用,3.2 主要特性参数,1.光电特性和值,2.光电导灵敏度,3.光谱特性,7.噪声特性,4.频率特性,5.温度特性,6.前历效应,1.光电特性和值,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,Sg比例系数，与材料有关,为电压指数，1,0.51照度指数,强光为0.5,弱光为1,弱光线性（测量）,强光非线性（控制）,照度指数值（1）,1.光电特性和值,实用的光电特性参数：,（1）,例：表31 值暗电阻 M亮电阻 K,2.光电导灵敏度,弱光，,光电导灵敏度：S/1m，S/1x S/W，S/W/cm2,3.2 主要特性参数,3.频率特性,3.2 主要特性参数,两个阶段：,光电导探测器总的响应时间由探测器本身响应时间决定，与外接负载电阻大小无关。,3.频率特性,3.2 主要特性参数,CdSe光电导探测器：,光电导探测器总的响应时间由探测器本身响应时间决定，与外接负载电阻大小无关。,3.频率特性,3.2 主要特性参数,引入等效电容,未引入等效电容,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.频率特性,最高频率 104HZ10KHZ响应时间 ms量级,3.2 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。,C,4.光谱特性,峰值波长在515600nm，接近555nm，可用于与人眼有关的仪器，例如照相机、照度计、光度计等，加滤光片进行修正,3.2 主要特性参数,可见光区灵敏的几种光敏电阻,4.光谱特性,红外区灵敏的几种光敏电阻,3.2 主要特性参数,4.光谱特性,3.2 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、33,8.噪声特性,光敏电阻噪声：,减小噪声途径：光调制技术致冷合理偏置电路,3.2 主要特性参数,3.2 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T，错误的填F,总结：常用光电导探测器,光电导探测器波长响应范围,按工作波长：,按材料分，两大类型：,本征型光敏电阻 表32,杂质型光敏电阻表33,紫外光响应,可见光响应,红外光响应,紫外光,可见光,红外极远红外光,碲镉汞(HgCdTe)系列光敏电阻,Hg1-xCdxTe,合金法：CdTe HgTe,x是Cd含量组分，变化范围1.80.4，长波限为330m,x=0.2，光谱响应814m,x=0.28，光谱响应35m,x=0.39，光谱响应13m,工作温度,3.3 偏置电路,1基本偏置电路及直流参数的计算,2几种典型的偏置电路,3光敏电阻应用举例,3.1.1 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。,偏置电路:,例如：,意义：,1.提高探测灵敏度2.降低噪声3.提高频率响应,偏置电压偏置电阻,3.3 偏置电路,基本偏置电路:,直流参数计算:,1）.计算Ub,RL,2）.计算 对应的输出电压,3.3 偏置电路,3.1.1 基本偏置电路及直流参数的计算,1）.计算Ub,RL,3.3 偏置电路,2）.计算 对应的输出电压,3.3 偏置电路,1恒流偏置电路,RLRP,特点:信噪比高弱信号检测,3.3 偏置电路,3.3.2 几种典型偏置电路,2恒压偏置电路,RLRP,特点:输出信号与光敏电阻无关更换,3.3 偏置电路,3.3.2 几种典型偏置电路,恒压偏置电路,RLRP,3.3 偏置电路,3.3.2 几种典型偏置电路,恒流偏置电路,RLRP,如何增大输出信号？,恒流偏置电路,恒压偏置电路,3.3 偏置电路,数码相机为什么能实现自动曝光？,数码相机NIKON5,数码相机NIKON5,应用电路举例,1.光敏电阻用于照相机自动曝光电路：,光照强：曝光时间短光照弱：曝光时间长,应用电路举例,2.光电位器,光电位器特点：无机械接触、可靠性高、寿命长,3光电导探测器噪声主要包括：热噪声、g-r噪声和1f噪声,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：本征光电导探测器和杂质光电导探测器 光谱响应范围可从紫外远红外波段,2光电流Ip=(e/hv)M，M内增益，与器件材料、性质和外加电场大小有关,4上限截止频率fc或响应时间，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量级。,5偏置电路：恒流电路、恒压电路、交流等效电路,习题3-9指导：,3-9 如图324所示的电路，耦合电容C足够大，在交流回路中其容抗可以忽略不计。光敏电阻Rp的参数为Sg=210-5 Slx，10-3 s，Rl4k，R2=2k，Ub=50V，暗电阻Rd=1M，若光敏电阻所受的光照度为：e=(16+4sint)1x.,(1)画出等效电路图；(2)求通过R2电流的有效值；(3)求输出电压Uo的有效值;(4)求上限截止频率fHC。,（提示：利用图35的微变等效电路进行计算）,R0为0相对应的光电阻,习题3-9指导：,设入射光通量为：,习题3-9指导：,
