光电信号检测第三章第一部分光电二极管.ppt

思考题,2.某光敏电阻与负载电阻RL=2k串接于12伏的直流电源上，无光照时负载电阻上的输出电压为u1=20mV，有光照时负载上的输出电流u2=2V，试求：光敏电阻的暗电阻和亮电阻值；若光敏电阻的光导灵敏度S=610-6s/lx，求光敏电阻所受的照度？,第三章 半导体光电检测器件及应用,3.1 光敏电阻3.2 光生伏特器件-光电池3.3 光电二极管与光电三极管3.4 发光器件3.5 光电耦合器件3.6 光电位置敏感器件3.7 光热辐射检测器件3.8 各种光电检测器件的性能比较,3.1 光敏电阻,利用具有光电导效应的材料（如Si、Ge等本征半导体与杂质半导体，如CdS、CdSe、PbO）可以制成电导率随入射光辐射量变化而变化的器件，这类器件被称为光电导器件或光敏电阻。,结构特点：体积小、坚固耐用、价格低廉、光谱响应范围宽，广泛应用于微弱辐射信号的检测技术领域。,、光敏电阻的结构及工作原理,工作原理,当入射光子使半导体物质中的电子由价带跃升到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，因此电阻显著减小，电导增加，或连接电源和负载电阻，可输出电信号，此时可得出光电导g与光电流I光的表达式为：,工作原理,g=gL-gdI光=IL-Id,工作原理,光敏电阻按半导体材料的不同可分为本征型和杂质型两种，本征型半导体光敏电阻常 用于可见光长波段检测，杂质型常用于红外波段至远红外波段光辐射的检测。,光敏电阻设计的基本原则,光敏电阻在弱光辐射下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的平方成反比，在强辐射作用下Sg与l的二分之三次方成反比，因此在设计光敏电阻时，尽可能地缩短光敏电阻两极间距离。,光敏电阻的基本结构,1-光电导材料；2-电极；3-衬底材料,绝缘基底,光电导体膜,工作性能特点：,光谱响应范围相当宽。可见光、红外、远红外、紫外区域工作电流大，可达数毫安。所测光电强度范围宽，既可测弱光，也可测强光灵敏度高，光电增益可以大于1无选择极性之分，使用方便。,缺点：强光下光电线性度较差，弛豫时间过长，频率特性差。,光敏电阻的种类及应用,主要材料：Si、Ge、II-VI族和III-V族化合物，以及一些有机物。分紫外光、可见光、红外及远红外敏感的光敏电阻。,应用：照相机、光度计、光电自动控制、辐射测量、能量辐射、物体搜索和跟踪、红外成像和红外通信等技术方面制成的光辐射接收器件。,、光敏电阻特性参数,1、光电特性,光敏电阻的光电流I光与输入辐射照度有下列关系式：,其中：I光为光电流，I光=IL-Id；E为照度，为光照指数，与材料的入射强弱有关，对CdS光电导体，弱光照射下=1，强光下=0.5；U为光敏电阻两端所加电压，为电压指数，与光电导体和电极材料间接触有关，欧姆接触时=1，非欧姆接触时 Sg为光电导灵敏度，单位S/lx,对CdS光电导体，弱光照射下=1，强光下=0.5；为什么？,光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）,2、伏安特性（输出特性）,一定光照下，光敏电阻的光电流与所加电压关系即为伏安特性。,、光敏电阻特性参数,光敏电阻为一纯电阻，符合欧姆定律，曲线为直线。但对大多数半导体，电场强度超过 时，不再遵守欧姆定律。而CdS在100V时就不成线性了。,、光敏电阻特性参数,3、温度特性,光敏电阻为多数载流子导电的光电器件，具有复杂的温度特性。不同材料的光敏电阻温度特性不同。书25页中图3-5中为CdS和CdSe光敏电阻不同照度下的温度特性曲线。可以看出温度升高可以导致材料光电导率的下降。实际中往往采用控制光敏电阻工作的温度的办法提高工作稳定性。,、光敏电阻特性参数,换句话说，温度的变化，引起温度噪声，导致光敏电阻灵敏度、光照特性、响应率等都发生变化。为了提高灵敏度，必须采用冷却装置，尤其是杂质型半导体对长波长红外辐射检测领域更为重要。,温度特性,、光敏电阻特性参数,4、前历效应,指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种现象。即测试前光敏电阻所处状态对光敏电阻特性的影响。,暗态前历效应：指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后光电流上升的快慢程度。一般地，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重，光电流上升越慢。,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,亮态前历效应：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。,、光敏电阻特性参数,前历效应,、光敏电阻特性参数,5、频率特性,光敏电阻的时间常数较大，所以其上限频率f上低，只有PbS光敏电阻的工作频率特性达到几千赫兹。,当E=0.11lx时，光敏电阻tr=1.4s，E=10lx时，光敏电阻tr=66mS,E=100lx时，光敏电阻tr=6mS。,同时，时间特性与输入光的照度、工作温度有明显的依赖关系。,、光敏电阻特性参数,6、时间响应,光敏电阻的时间常数较大，惯性大，时间响应比其它光电器件差。频率响应低。时间特性与光照度、工作温度有明显的依赖关系。,r,、光敏电阻特性参数,7、光谱特性,相对灵敏度与波长的关系,可见光区光敏电阻的光谱特性,光谱特性曲线覆盖了整个可见光区，峰值波长在515600nm之间。尤其硫化镉（2）的峰值波长与人眼的很敏感的峰值波长（555nm）是很接近的，因此可用于与人眼有关的仪器。,、光敏电阻特性参数,光谱特性,红外区光敏电阻的光谱特性,注明：此特性与所用材料的光谱响应、制造工艺、掺杂浓度和使用的环境温度有关。,1、常用光敏电阻,CdS光敏电阻：峰值响应波长0.52um，掺铜或氯时峰值波长变长，光谱响应向红外区延伸，其亮暗电导比在10lx照度上可达1011(一般约为106)，其时间常数与入射光强度有关，100lx下可达几十毫秒。是可见光波段最灵敏的光敏电阻。PbS光敏电阻：响应波长在近红外波段，室温下响应波长可达3um，峰值探测率D*=1.51011cmHz1/2/w。缺点主要是响应时间太长，室温条件下100-300uS。内阻约为1M，锑化铟（InSb）光敏电阻：长波限7.5um，内阻低（约50），峰值探测率D*=1.21011cmHz1/2/w。时间常数0.02uS。零度时探测率可提高2-3倍。碲镉汞HgCdTe系列光敏电阻。其性能优良，最有前途的光敏电阻。不同的Cd组分比例，可实现1-3um,3-5um,8-14um的光谱范围的探测。例如Hg0.8Cd0.2Te响应在大气窗口8-14um，峰值波长10.6um，Hg0.72Cd0.28Te 响应波长在3-5um.碲锡铅（PbSnTe）系列光敏电阻：不同的锡组分比例，响 应波长不同。主要用在8-10um波段探测，但探测率低，应用不广泛。,、光敏电阻的应用电路,2、基本偏置电路,、光敏电阻的应用电路,RP,忽略暗电导Gd(暗电阻很大)：G=Gp=SgE或G=Sg 即 对R求导得到 负号表示电阻是随温度的增加而减小。,当光通量变化时，电阻变化Rp，电流变化I，即有：即,2、基本偏置电路,、光敏电阻的应用电路,输出电压,、光敏电阻的应用电路,1、火焰检测报警器,PbS光敏电阻：Rd=1M,Rl=0.2M，峰值波长2.2um。,Vo,Uth,UR,Uth=?UR=?,、光敏电阻的应用电路,2、照相机电子快门,3、照明灯的光电控制电路,、光敏电阻的应用电路,、光敏电阻使用的注意事项,测光的光源光谱特性与光敏电阻的光敏特性相匹配。要防止光敏电阻受杂散光的影响。要防止使光敏电阻的电参数(电压,功耗)超过允许值。根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。一般,数字信息传输:亮电阻与暗电阻差别大，光照指数大的光敏电阻。模拟信息传输:则以选用值小、线性特性好的光敏电阻。,3.2 光电池,光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加偏压就能将光能转化成电能的光电器件。,3.2.1 光电池的基本结构和工作原理,1、金属-半导体接触型（硒光电池）,基本结构,2、PN结型,几个特征：1、栅状电极 2、受光表面的保护膜 3、上、下电极的区分,符号,3.2.2 硅光电池的特性参数,1、光照特性,伏安特性,硅光电池工作在第四象限，若工作在反偏置状态，则伏安特性将近伸到第三象限。由光电池的电流方程：Rs很小，可忽略，上式变为：,Ip=SgE,1、光照特性,3.2.2 硅光电池的特性参数,Isc1,Isc2,Isc3,Isc4,当IL=0时 一般IpIs,当RL=0时，Isc=Ip=SgE,下面看两个关系：,当E=0时,1、Voc，Isc与E的关系：,当IL=0，RL=时 一般IpIs,且Ip=SgE,3.2.2 硅光电池的特性参数,当V=0，RL=0时，,2、Isc与E和RL的关系：,3.2.2 硅光电池的特性参数,当RL=0时，Isc=Ip=SgE,当RL不为0时,为什么RL的增加会使光电流减小？,光电池光照特性特征1、Voc与光照E成对数关系；典型值在。作电 源时，转化效率10%左右。最大15.5-20%。2、Isc与E成线性关系，常用于光电池检测，Isc典型值 35-45mA/cm2。2、RL越小，线性度越好，线性范围越宽。3、光照增强到一定程度，光电流开始饱和，与负载 电阻有关。负载电阻越大越容易饱和。,3.2.2 硅光电池的特性参数,2、输出特性,3.2.2 硅光电池的特性参数,UL随RL的增大而增大，直到接近饱和。RL小时IL趋近于短路电流Isc。在RL=RM时，有最大输出功率，RM称为最佳负载。光电池作为换能器件时要考虑最大输出问题，跟入射光照度也有关。作为测量使用，光电池以电流使用。短路电流Isc与光照度成线性关系，RL的存在使IL随光照度非线性的增加。RL增大，线性范围越来越小。,3、光谱特性,3.2.2 硅光电池的特性参数,4、温度特性,3.2.2 硅光电池的特性参数,Voc具有负温度系数，其值约为2-3mV/度。Isc具有正温度系数，但随温度升高增长的比例很小，约为10-5-10-3mA/度,总结：当光电池接收强光照时要考虑温度升高的影响。如硅光电池不能超过200度。,3.2.3 硅光电池的应用,1、光电池用作太阳能电池 把光能直接转化成电能，需要最大的输出功率和转化效率。即把受光面做得较大，或把多个光电池作串、并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站等无输电线路地区的电源供给。,2、光电池用作检测元件 利用其光敏面大，频率响应高，光电流与照度线性变化，适用于开关和线性测量等。,光电池与外电路的连接方式,3.2.3 硅光电池的应用,光电池作缓变信号检测时的的变换电路举例,3.2.3 硅光电池的应用,光电池的变换电路举例,1太阳电池电源 太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交流负载供电，则加一个直流交流变换器，太阳电池电源系统框图如图。,逆变器,交流负载,直流负载,太阳能电池电源系统,阻塞二极管,调节控制器,太阳电池方阵,(a)光电追踪电路,+12V,R4,R3,R6,R5,R2,R1,W,BG1,BG2,图(a)为光电地构成的光电跟踪电路，用两只性能相似的同类光电池作为光电接收器件。当入射光通量相同时，执行机构按预定的方式工作或进行跟踪。当系统略有偏差时，电路输出差动信号带动执行机构进行纠正，以此达到跟踪的目的。,光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路,BG2,BG1,+12V,C,J,R1,R2,(b)光电开关,图(b)所示电路为光电开关，多用于自动控制系统中。无光照时，系统处于某一工作状态，如通态或断态。当光电池受光照射时，产生较高的电动势，只要光强大于某一设定的阈值，系统就改变工作状态，达到开关目的。,(c)光电池触发电路,R1,R2,R3,R4,R5,R6,BG1,BG2,BG3,BG4,C1,C2,C3,+12V,W,图(c)为光电池触发电路。当光电池受光照射时，使单稳态或双稳态电路的状态翻转，改变其工作状态或触发器件(如可控硅)导通。,+12V,5G23,(d)光电池放大电路,C3,-12V,W,R1,R2,R3,R4,R5,C1,C2,1,8,7,6,5,4,3,2,图(d)为光电池放大电路。在测量溶液浓度、物体色度、纸张的灰度等场合，可用该电路作前置级，把微弱光电信号进行线性放大，然后带动指示机构或二次仪表进行读数或记录。,在实际应用中，主要利用光电池的光照特性、光谱特性、频率特性和温度特性等，通过基本电路与其它电子线路的组合可实现或自动控制的目的。,220V,C1,路灯,CJD-10,8V,200F,200F,C2,C3,100F,R1,R3,R5,R7,R4,R6,R7,R2,J,470k,200k,10k,4.3k,BG1,280k,25k,57k,10k,路灯自动控制器,BG2,BG3,BG4,2CR,光电二极管的分类：按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列以P-Si为衬底。2CU系列的光电二极管只有两条引线，而2DU系列光电二极管有三条引线。,3.3 光电二极管与光电三极管,3.3 光电二极管与光电三极管,光电二极管与光电池的特性比较基本结构相同，由一个PN结；光电二极管的光敏面小，结面积小，频率特性好，虽然光生电动势相同,但光电流普遍比光电池小,为数微安。掺杂浓度：光电池约为1016-1019/cm3，硅光电二极管10121013/cm3，电阻率：光电池/cm，光电二极管1000/cm。光电池零偏压下工作，光电二极管反偏压下工作。,光电二极管的类型：硅、锗、PIN、APD,3.3 光电二极管与光电三极管,光电二极管的工作原理,光电二极管的基本结构,3.3 光电二极管与光电三极管,光电二极管的伏安特性,加正向偏压时，表现为单向导电性。作为光敏二极管使用时，需要加反向偏压，当有光照时会产生光电流，且光电流远大于反向饱和电流。反向偏压可以减小载流子的渡越时间和二极管的极间电容。,光电二极管的光谱特性,1、光敏二极管在较小负载电阻下，光电流与入射光功率有较好的线性关系。2、光敏二极管的响应波长与GaAs激光管和发光二极管的波长一致，组合制作光电耦合器件。3、光电二极管结电容很小，频率响应高，带宽可达100kHz。,光电二极管的温度特性,光电二极管的温度特性主要是指反向饱和电流对温度的依赖性，暗电流对温度的变化非常敏感。,光电二极管的典型应用电路,光电二极管的典型应用电路,电流放大型,电压放大型,PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于本征层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。时间常数变小，频带变宽。,PIN光电二极管,特点：1、频带宽，可达10GHz。2、本征层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。3、由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，且集中在本征层，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。4、本征层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一芯片上并封装成一个器件。,雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。这种管子工作电压很高，约100200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。但由于APD的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。,雪崩光电二极管(APD),雪崩光电二极管(APD)原理图,