光电导件A组展示

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1、LOGO光电导器件A组展示成员：林宏泽，施飞韬，廖晨歌，王黎，黄焓，余尚杰，高宇凡，吴域驰，徐泽浩，周昕阳，庄园，佟亦天，顾典，赵前程，万雅婷 PPt展示万雅婷原理1郭宇材料2余尚杰参数3赵前程应用4LOGO原理介绍原理介绍万雅婷内容提要历史发展1概念介绍2光电导原理3与其他光电效应的区别4历史发展v 1873年W.史密斯在硒上发现，半导体受光照而引起电导率的改变。v 20世纪50年代中期，在可见光方面，性能良好的硫化镉、硒化镉光敏电阻和红外波段的硫化铅光电探测器都已投入使用。v 60年代初，中远红外波段灵敏的Ge、Si掺杂光电导探测器研制成功，典型的例子是工作在35微米和814微米波段的Ge

2、:Au（锗掺金）和Ge:Hg光电导探测器。v 60年代末以后,HgCdTe、PbSnTe等可变禁带宽度的三元系材料的研究取得进展。光电导效应Photoconductive Effect v 当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度， 就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。11.参考自http:/ v 1.基本响应过程v当光照到探测器上时，光生载流子数增加。开始时，产生的载流

3、子数大于复合的载流子数。但随着载流子浓度的增加，复合机会增多，经过一段时间后，产生和复合达到动态平衡，载流子浓度达到稳定值。同样，光照停止后，光生载流子的消失也需要一定的时间。也就是说，光电导探测器存在惰性，或者说存在弛豫过程。光照下的光电导响应过程 v 2.弱光照条件下的光电导响应v光照开始时，上升响应：v光照停止时，下降响应：v稳态光生载流子浓度：v对于正弦型光照，得上限截止频率：cc( )(1e)t /n tgcc( )et /n tgc()=gnH Cc12f响应特性：响应时间等于载流子寿命且为常数。稳态光电导与光生载流子的产生率成线性关系，即与入射辐射通量成正比。光照下的光电导响应过

4、程 v 3.强光照条件下的光电导响应v光照开始时，上升响应：v光照停止时，下降响应：v稳态光生载流子浓度：响应特性：响应时间是光照的函数。稳态光电导与入射辐射通量的平方根成正比。1212( )tanh/n tg / rgrt12121( )1/n tg / rgrt1/2()=(g)n/ r光敏电阻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。光电导探测器被封装在带有窗口的金属或塑料外壳内，光电导体贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线。光敏面做成蛇形，电极作成梳状。这样的结构设计既可以保证有较大的受光表面，

5、也可以减小电极之间的距离，从而可减小极间电子渡越时间，有利于提高灵敏度。 光敏电阻的结构如图所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，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。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用硫状图案（结构见图）。这种硫状电极，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。光敏电阻的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。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小

6、。 与其他光电效应的区别外光电效应在光线作用下，物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象。内光电效应光电导在黑暗的环境下，它的阻值很高；当受到光照并且光辐射能量足够大时，光导材料禁带中的电子受到能量大于其禁带宽度Eg 的光子激发，由价带越过禁带而跃迁到导带，使其导带的电子和价带的空穴增加，电阻率变小。基于这种效应的光电器件有光敏电阻(光电导型)和反向工作的光敏二极管、光敏三极管(光电导结型)。光生伏特半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。因此光生伏特型光电器件是自发电式的，属有源器件。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件，硒和硅是光电池常用的材料，也可以使用锗。1. 光

7、电导器件的基本参数光电导器件的基本参数v光敏器件的灵敏度光敏器件的灵敏度 灵敏度又称响应度。它表示器件将光辐射能转换为灵敏度又称响应度。它表示器件将光辐射能转换为电能的能力。具体定义为：器件产生的输出电信号电能的能力。具体定义为：器件产生的输出电信号与引起该信号的输入光辐射通量之比。与引起该信号的输入光辐射通量之比。14IRILOGO材料介绍材料介绍郭宇v (3) 光谱响应光谱响应 光敏器件对某个波长光辐射的响应度或灵敏度叫做单色灵敏度或光光敏器件对某个波长光辐射的响应度或灵敏度叫做单色灵敏度或光谱灵敏度。谱灵敏度。 v (4) 光敏器件的噪声光敏器件的噪声 当器件无光辐射入射时，输出电压或电

8、流的均方值或均方根值叫做当器件无光辐射入射时，输出电压或电流的均方值或均方根值叫做噪声。噪声。v (5) 光敏器件的噪声等效功率光敏器件的噪声等效功率 它是指在特定的带宽内，产生与均方根噪声电压或电流相等的信号它是指在特定的带宽内，产生与均方根噪声电压或电流相等的信号电压或电流所需要的入射辐射通量或功率。用电压或电流所需要的入射辐射通量或功率。用NEP来表示。来表示。 160nnev (6)光敏器件的探测率光敏器件的探测率D 该特性也是光敏器件探测极限水平的表示形式该特性也是光敏器件探测极限水平的表示形式,它是噪声等效功它是噪声等效功率的倒数。率的倒数。 v (7)光敏器件的归一化探测率光敏器

9、件的归一化探测率D* 该特性表示单位面积的器件，在放大器带宽为该特性表示单位面积的器件，在放大器带宽为1Hz条件下的探测条件下的探测率率 式中式中 A为器件光敏面的有效面积；为器件光敏面的有效面积；f为所用放大器的带宽；为所用放大器的带宽；171111*22221()DDAfAfN EP v 光敏电阻可用多种光电导材料制成。光敏电阻可用多种光电导材料制成。182. 常用光敏电阻及其特性常用光敏电阻及其特性v这两种光敏电阻用于可见光和近红外区域中，是这两种光敏电阻用于可见光和近红外区域中，是使用最广泛的光电导器件。使用最广泛的光电导器件。 19光敏电阻结构示意 (1) 硫化镉、硒化镉光敏电阻硫化

10、镉、硒化镉光敏电阻 硫化铅硫化铅(PbS)是一种多晶薄膜型光电探测材料适是一种多晶薄膜型光电探测材料适用的光谱范围可从可见光到中红外波段。用的光谱范围可从可见光到中红外波段。 20(2) 硫化铅和硒化铅光敏电阻硫化铅和硒化铅光敏电阻 21图4-20 不同温度下PbSe探测器的光谱特性 n硒化铅(PbSe)是多晶薄膜型光电导材料，响应时间比硫化铅快。室温下可工作在3.3m5m的光谱范围中。硒化铅硒化铅v 锑化铟锑化铟22图4-22 PC型InSb响应度、噪声和相对D*与频率的关系 (3) 锑化铟和砷化铟光电探测器锑化铟和砷化铟光电探测器 23 光伏型锑化铟常在接近直流短路状态下工作,可以得到最佳

11、的探测率和灵敏度。图4-23 77K时PV型InSb探测器的光谱特性 图4- 24 PV型InSb探测器信号、噪声、探测度与频率的关系光伏型锑化铟光伏型锑化铟24 砷化铟(InAs)探测器是单晶本征型光伏器件。适用于14m光谱范围中工作，具有较高灵敏度。图4-25 不同温度下InAs探测器的光谱特性 图4-26 InAs探测器的噪声谱 砷化铟砷化铟v 碲镉汞材料碲镉汞材料(Hg1-xCdxTe)的禁带宽度的禁带宽度Eg随组分随组分x的改的改变而变化。变而变化。25(4) 碲镉汞和碲锡铅光电探测器碲镉汞和碲锡铅光电探测器v 图图4-27给出了三种不同组分的给出了三种不同组分的PC型碲镉汞探测器在

12、型碲镉汞探测器在77K和和2视场条件下的光谱特性。视场条件下的光谱特性。v 图图4-28为为PV型碲镉汞三种组分探测器在型碲镉汞三种组分探测器在77K、视场为、视场为300时的光谱特性。时的光谱特性。26图4-27 碲镉汞探测器的光谱持性 图4-28 PV型碲镉汞探测器的光谱持性 v不同窗口材料、不同窗口材料、77K、视场为视场为60条件下条件下PV碲锡铅锡铅探测器的碲锡铅锡铅探测器的光谱特性。光谱特性。27图4-29 碲锡铅探测器的光谱特性 v 锗掺金探测器是锗掺金探测器是P型杂质光电导探测器，图型杂质光电导探测器，图4-30所示为所示为77K、2视场、背景为视场、背景为295K条件下锗探测

13、器的光谱特条件下锗探测器的光谱特性。性。28 图4-31 锗掺金探测器探测率与频率的关系 图4-30 锗掺金探测器的光谱特性(5) 杂质光电导探测器杂质光电导探测器29硅掺杂探测器的特性硅掺杂探测器的特性30图4-32 硅掺镓探测器的光谱特性 图4-33 锗硅掺金探测器的光谱特性 v 减少光敏电阻噪声的一种方法是将减少光敏电阻噪声的一种方法是将器件致冷器件致冷，以减小，以减小热发射，也可降低产生热发射，也可降低产生复合噪声。常用的液氮杜瓦复合噪声。常用的液氮杜瓦瓶致冷器。瓶致冷器。 可将温度降到可将温度降到77K。31杜瓦瓶致冷器原理图 器件致冷器件致冷LOGO参数介绍参数介绍余尚杰光敏电阻参

14、数特性1. 照度特性照度特性2. 光谱特性光谱特性3. 温度特性温度特性4. 功率特性功率特性5. 回归特性回归特性1. 光敏电阻照度特性a. 亮电阻：光敏电阻受到光照射时的电阻值亮电阻：光敏电阻受到光照射时的电阻值，一般，一般是是k量级量级。v通常厂家会标注用于照射的标准光源的色温特性，通常厂家会标注用于照射的标准光源的色温特性，一般是一般是2856K；也会标注光敏电阻所受光照度，；也会标注光敏电阻所受光照度，一般是一般是10 Lux。1. 光敏电阻照度特性b. 暗电阻：光敏电阻在无光照射时的电阻值暗电阻：光敏电阻在无光照射时的电阻值，一般，一般是是M量级量级。1. 光敏电阻照度特性c. 灵

15、敏度灵敏度： 其中其中R10为照度为照度10 Lux时的阻值，时的阻值，R100为照为照度度100 Lux时的阻值。时的阻值。1. 光敏电阻照度特性d. 响应时间响应时间t：v上升时间上升时间ton：光敏电阻阻值上升至稳定状态的：光敏电阻阻值上升至稳定状态的63%v下降时间下降时间toff：光敏电阻阻值下降至初始状态的：光敏电阻阻值下降至初始状态的37%v例例如，用标准光源以如，用标准光源以10Lux照射光敏电阻，得到照射光敏电阻，得到电阻电阻R10，则上升时间就是这个过程上升至，则上升时间就是这个过程上升至63%所用的时间。所用的时间。2. 光敏电阻光谱特性a. 光谱峰值光谱峰值：光敏电阻工

16、作最灵敏的光谱点。光敏电阻工作最灵敏的光谱点。3. 光敏电阻温度特性a. 环境温度：适宜光敏电阻工作的环境温度。环境温度：适宜光敏电阻工作的环境温度。b. 温度系数温度系数：光敏电阻在环境温度改变光敏电阻在环境温度改变1时，其时，其电阻值的相对变化。电阻值的相对变化。3. 光敏电阻温度特性b. 温度系数温度系数：光敏电阻在环境温度改变光敏电阻在环境温度改变1时，其时，其电阻值的相对变化。电阻值的相对变化。4. 光敏电阻功率特性a. 最大功率损耗：环境温度为最大功率损耗：环境温度为25时的最大功率损时的最大功率损耗。耗。5. 光敏电阻回归特性v由亮到暗或由暗到亮的光敏电阻的回归点并不一由亮到暗或

17、由暗到亮的光敏电阻的回归点并不一致。致。补充说明vphotoresistorvlight dependent resistor(LDR)vphotoconductorvphotoconductive cellvphotocell都是指光敏电阻。都是指光敏电阻。1 fc(footcandle) = 10 luxLOGO应用介绍应用介绍赵前程内容提要在基础光电器件中的应用1在军事领域中的应用2其他应用3在基础光电器件中的应用在基础光电器件中的应用v在探测器中的应用在探测器中的应用v在摄像管中的应用在摄像管中的应用在探测器中的应用在探测器中的应用v作为半导体材料的一种体效应，光电导效应无须作为半导体

18、材料的一种体效应，光电导效应无须形成形成PN结。光照越强，光电导材料的电阻率越结。光照越强，光电导材料的电阻率越小，故光电导材料又称为光敏电阻。不含杂质的小，故光电导材料又称为光敏电阻。不含杂质的光敏电阻一般在室温下工作，适用于可见光和近光敏电阻一般在室温下工作，适用于可见光和近红外辐射探测，含杂质的光敏电阻通常必须在低红外辐射探测，含杂质的光敏电阻通常必须在低温条件下工作，常用于中、远红外辐射探测。温条件下工作，常用于中、远红外辐射探测。在探测器中的应用在探测器中的应用v 硫化镉硫化镉(CdS)和硒化镉和硒化镉(CdSe)光敏电阻器是两种造价低的可见光探测器，光敏电阻器是两种造价低的可见光探

19、测器，其主要特点是可靠性高和寿命长，因而广泛应用于自动化控制中其主要特点是可靠性高和寿命长，因而广泛应用于自动化控制中v 硫化铅硫化铅(PbS)是一种多晶薄膜型光电探测材料。适用的光谱范围可从可见是一种多晶薄膜型光电探测材料。适用的光谱范围可从可见光到中红外波段光到中红外波段，它可在室温下工作，广泛应用于遥感技术和红外制导技术，它可在室温下工作，广泛应用于遥感技术和红外制导技术v 锑化铟锑化铟(InSb)光敏电阻器的响应时间比较短光敏电阻器的响应时间比较短(约约0.4 s)，适用于快速的近，适用于快速的近红外信号探测红外信号探测v 含杂质的锗含杂质的锗(Ge)光敏电阻响应时间比较短，在光敏电阻

20、响应时间比较短，在0.01s至至1s之间，能响应之间，能响应波长很长的红外光，但要求工作温度较低，有时要求工作在液氦温度波长很长的红外光，但要求工作温度较低，有时要求工作在液氦温度4K以下以下在探测器中的应用在探测器中的应用v 光敏电阻受光照后，其阻值光敏电阻受光照后，其阻值会变小。用来制作光敏电阻会变小。用来制作光敏电阻的典型材料有硫化镉及硒化的典型材料有硫化镉及硒化镉两种。光敏电阻沉积膜面镉两种。光敏电阻沉积膜面积越大，其受光照后的阻值积越大，其受光照后的阻值变化也越大，故通常将沉积变化也越大，故通常将沉积膜做成膜做成“弓弓”字形，以增大其字形，以增大其面积。面积。在探测器中的应用在探测器

21、中的应用在探测器中的应用在探测器中的应用v 采用光电导探测器的火灾采用光电导探测器的火灾报警器报警器散射光型感烟探测器的检测室内装有发光元件和受光元件。大多数采用大电流发光效率高的红外发光二极管作为发光元件，受光元件经常采用半导体硅光电池。在正常情况下，受光元件接受不到发光元件发出的光，当火灾发生时，由于烟雾粒子的散射作用，使受光元件阻抗发生变化，产生光电流，从而实现了将烟雾信号转变成电信号的功能。需要指出的是火灾报警探测器有多种探测方式，包括光电感烟探测器、线性光束感烟探测器、红外火焰探测器、紫外火焰探测器。使用的光电探测器包括：光电导探测器、真空光电二极管、光伏探测器、热释电探测器等。在探

22、测器中的应用在探测器中的应用v光电导探测器可与光纤技术相结合而构成光纤探光电导探测器可与光纤技术相结合而构成光纤探测器，与传统的探测器相比，具有抗电磁干扰、测器，与传统的探测器相比，具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、灵敏度高、重量轻、体积小、电绝缘、耐腐蚀、灵敏度高、重量轻、体积小、探头外形可变、测量对象广泛、便于复用、便于探头外形可变、测量对象广泛、便于复用、便于成网等优点，适用于大型机电、石油化工、冶金、成网等优点，适用于大型机电、石油化工、冶金、高压输电等有强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀、高压输电等有强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀、狭小和特殊的环境中。狭小和特殊的环境中。在摄像管中的应用在

23、摄像管中的应用v 光电导材料是目前摄像管中应用最为广泛的光电变换材料光电导材料是目前摄像管中应用最为广泛的光电变换材料之一。之一。v 在光电导层上施以固定直流电压，形成跨层电压。当受光在光电导层上施以固定直流电压，形成跨层电压。当受光照时，光电导材料的电导率升高，由此使正电荷从电位较照时，光电导材料的电导率升高，由此使正电荷从电位较高的一边流向较低的一边，光电导材料右边由于电荷积累高的一边流向较低的一边，光电导材料右边由于电荷积累而使电位上升。而使电位上升。v 电位升高量或电荷积累量与光照相对应，这样就把入射在电位升高量或电荷积累量与光照相对应，这样就把入射在光电导材料左边的光学像，转换成了右

24、边的电位图像或电光电导材料左边的光学像，转换成了右边的电位图像或电荷积累图像。荷积累图像。在摄像管中的应用在摄像管中的应用在摄像管中的应用在摄像管中的应用http:/ “热热图像图像”，故又称为，故又称为”热像仪热像仪”。红外夜视仪红外夜视仪(热像仪热像仪)红外探测器基于两种原理：红外探测器基于两种原理：热探测器光子探测器光子探测器：光子探测器亦称量子探测器，系基于光电效应而工作。其中基于外光电效应叫外光电探测器或真空光电探测器；而基于内光电效应又分为光电导(PC)和光伏(PV)型探测器。常用的光导型探测器：InSb(锑化锌锑化锌)光电导探测器光电导探测器Hg1-x CdxTe光电到探测器光电

25、到探测器PbS光电导探测器光电导探测器其他应用其他应用v在生产生活中的应用在生产生活中的应用v在教育教学中的应用在教育教学中的应用v在科学研究中的应用在科学研究中的应用在生产生活中的应用在生产生活中的应用v在生产生活方面，光敏电阻可应用在各种自动控在生产生活方面，光敏电阻可应用在各种自动控制装置和光检测设备中，如生产线上的自动送料、制装置和光检测设备中，如生产线上的自动送料、自动门装置、航标灯、路灯、应急自动照明、自自动门装置、航标灯、路灯、应急自动照明、自动给水停水装置、生产安全装置、烟雾火灾报警动给水停水装置、生产安全装置、烟雾火灾报警装置、照相机的自动调节、电子计算机的输入设装置、照相机

26、的自动调节、电子计算机的输入设备以及医疗器械备以及医疗器械(如光电脉搏计、心电图仪如光电脉搏计、心电图仪)等方等方面。此外，还可应用于电子乐器、电视和其它家面。此外，还可应用于电子乐器、电视和其它家用电器中。用电器中。在教育教学中的应用在教育教学中的应用v在教育教学方面，光电导摄像管可广泛地应用于在教育教学方面，光电导摄像管可广泛地应用于学校教育教学的监督和管理评价工作之中。光电学校教育教学的监督和管理评价工作之中。光电导材料应用于扫描仪、复印机、投影仪，给学校导材料应用于扫描仪、复印机、投影仪，给学校的教学和人们日常的学习和交流带来方便。的教学和人们日常的学习和交流带来方便。在科学研究中的应用在科学研究中的应用v在科学研究方面，利用红外光电导，可以遥感物在科学研究方面，利用红外光电导，可以遥感物体表面温度、无损探伤、气象遥感、地学遥感等。体表面温度、无损探伤、气象遥感、地学遥感等。总之，光电导传感和遥感技术对于自动控制、机总之，光电导传感和遥感技术对于自动控制、机电一体化十分重要，在核技术、航天技术、能源电一体化十分重要，在核技术、航天技术、能源技术和自动化技术等工作领域发挥着巨大的作用。技术和自动化技术等工作领域发挥着巨大的作用。LOGOPPT MADE BY LHZ