光电导器件
光敏电阻是一种典型的光电导器件
光敏电阻是一种典型的光电导器件。
所谓光电导效应是表示材料或器件受到光辐射后, 材料或器件的电导率发生变化。
光敏电阻和其它半导体光电器件相比有以下特点光谱响应范围宽。
根据光电导材料的不同, 光谱响应可从紫外光、可见光、近红外扩展到远红外, 尤其对红光和红外辐射有较高的响应度。
工作电流大, 可达数毫安。
所测光强范围宽, 既可测强光也可测弱光。
灵敏度高, 光导电增益大于, 偏置电压低, 无极性之分, 使用方便。
其缺点是在强光照射下光电转换线性较差。
光电驰豫过程较长, 频率响应很低。
根据半导体材料的分类, 光敏电阻有两种类型。
一种是本征型光敏电阻, 另一种是掺杂型光敏电阻。
掺杂型光敏电阻中型半导体材料制成的光敏电阻性能稳定, 特性较好, 故被广泛采用。
光敏电阻若按它的光谱特性及最佳工作波长范围可分为三类一类是对紫外光敏感的光敏电阻, 如硫化福和硒化福等。
一类是对可见光敏感的光敏电阻, 如硫化钝等。
另一类是对红外光敏感的光敏电阻, 如硫化铅等。
常见的光敏电阻有硫化锡光敏电阻、硫化铅光敏电阻、锑化锢光敏电阻、谛福汞系列光敏电阻等。
光敏电阻的工作原理是在其两极加上一定电压后, 当光照射光电导体时, 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, 达到光电转换的目的。
光敏电阻的光电流与人射的光系数、量子效率和光电导体长度有关。
在设计光敏电阻时, 常设法使减小, 使光电流增大。
的光敏面通常制成梳型状, 目的就是减小, 提高内部增益, 从而提高元件的响应度。
光敏电阻的基本偏置电路如图所示。
为光敏电阻, 为负载电阻, 为偏置电压为光敏电阻两端电压。
从图中可知二, ·当时, 二。
即负载电流与光敏电阻无关, 近似为常数。
此时为恒流偏置。
当时, 。
因此光敏电阻电压近似等于。
此时为恒压偏置。
当时, 表示负载匹配, 探测器输出功率最大。
此时的工作状态为恒功率偏置。
光敏电阻的主要参数有光导电增益表示长度为的光导电体两端加上电压后, 由光产生的光生载流子在电场的作用下所形成的外部光电流与光电子形成的内部电流之间的比值。
第2章光电导器件
下降时间τ 远大于上升时间τ 下降时间 f远大于上升时间 r
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强辐射作用情况下的下降时间远大于上升时间的原因： 强辐射作用情况下的下降时间远大于上升时间的原因： 当停止辐射时， 当停止辐射时，由于光敏电阻体内的光生电子和光生 空穴需要通过复合才能恢复到辐射前的稳定状态， 空穴需要通过复合才能恢复到辐射前的稳定状态，而且随 着复合的进行，光生载流子数密度在减小， 着复合的进行，光生载流子数密度在减小，复合几率在下 所以停止辐射的过度过程要远远大于入射辐射的过程。 降，所以停止辐射的过度过程要远远大于入射辐射的过程。 光敏电阻的暗电阻与其检测前是否被曝光有关， 光敏电阻的暗电阻与其检测前是否被曝光有关，这称 前例效应。 为光敏电阻的前例效应 为光敏电阻的前例效应。 受时间响应的 限制， 限制，光敏电阻的光 照频率必然受到限制， 照频率必然受到限制， 频率特性曲线反应这 种限制。如图PbS频 种限制。如图 频 率特性较好。 率特性较好。
光敏电阻为多数载流子导电的光电器件， 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。 特性。 以室温（ ℃ 以室温（25℃）的相对 光电导率为100%，观测光 光电导率为 ， 敏电阻的相对光电导率随温 度的变化关系， 度的变化关系，可以看出光 敏电阻的相对光电导率随温 敏电阻的相对光电导率随温 度的升高而下降， 度的升高而下降，光电响应 特性随着温度的变化较大。 特性随着温度的变化较大。 这是因为温度越高， 这是因为温度越高，晶格振 动对电流的阻碍就越大。 动对电流的阻碍就越大。
暗电阻和暗电导：室温下， 暗电阻和暗电导：室温下，光敏电阻在全暗时的电阻和电导 gd 亮电阻和亮电导： 亮电阻和亮电导：光敏电阻在一定光照时的电阻和电导 g 光电导： 光电导：光敏电阻由光照产生的电导
光电导效应的光电器件 -回复
光电导效应的光电器件-回复光电导效应（photoconductive effect）是指材料在受到光照射时其电导性能发生变化的现象。
光电导效应可用于制造各种光电器件，如光电导电阻器、光电导电流器等。
本文将以光电导效应的光电器件为主题，逐步回答相关问题，解释其中的原理和应用。
第一部分：光电导效应的原理光电导效应是指材料在光照射下产生额外的自由载流子（电子和空穴），从而改变其电导性能。
这种效应的基本原理可以通过半导体材料的能带结构来解释。
半导体材料的能带结构分为价带和导带。
当物质处于基态时，价带中的电子几乎全部填满，导带中没有电子。
当光照射到材料上时，光子的能量可能被部分或全部转化为电子激发能，使得部分电子从价带跃迁到导带中，形成自由电子和空穴。
自由电子和空穴的产生增加了材料中的载流子浓度，进而提高了材料的电导率。
第二部分：光电导器件的基本结构和工作原理光电导器件利用光电导效应实现信号的转换和控制。
其中最常见的光电导器件是光电导电阻器，它由一块光敏材料和接线块组成。
光电导电阻器的基本结构如下：首先，将光敏材料片置于透明基板上。
材料选择上常采用石英、硅等半导体材料；然后，在光敏材料上薄膜形成一对电极，电极可采用导电材料如金属等制成；最后，通过接线块将电阻器与电路连接，形成一个封装完整的器件。
当光照射到光敏材料上时，光子的能量被转化为电子激发能，从而增加光敏材料中的自由载流子浓度。
这导致了光敏材料的电导率发生变化，从而改变了器件的电阻值。
当光照的强度增加时，材料中电子和空穴的浓度也增加，电导率增大，电阻值减小；反之，当光照的强度减小或消失时，电导率减小，电阻值增大。
第三部分：光电导器件的应用光电导器件由于其对光照射的敏感性以及其响应速度快等特点，被广泛应用于光电器件领域。
1. 光敏电阻：光敏电阻是光电导器件的一种应用。
它可以根据光照的强度变化调节电路的电阻值，从而实现光敏控制与信号检测。
2. 光敏开关：光敏开关是通过光电导效应控制开关状态的器件。
光电导器件
入射光
光电导材料
Ip Ubb
I
两种类型光敏电阻能带图
本征吸收
要发生本征吸收,光子能量必须大于 材料禁带宽度,即 hv≥Eg或hc/λ≥Eg本 征吸收在长波方向必存在一个界限 λo=h×c/Eg=1.24/Eg(μm) h----普朗克常数为 6.62*10-34JS c----光在真空中的传播速3*108m/s
光敏电阻响应特性曲线
光敏电阻采用交变光照时，其输出将随入 光敏电阻采用交变光照时， 射光频率的增加而减小。 射光频率的增加而减小。
几种光敏电阻的频率特性曲线 1-硒化镉 2-硫化镉 3-硫化铊 4-硫化铅 硒化镉 硫化镉 硫化铊 硫化铅
9、噪声特性 、
光敏电阻的固有噪声主要有三种：热噪 声、产生－复合噪声及 1/f 噪声。
4.7nF
150kΩ
C4
VDW
6V
820kΩ PbS
R3
1kΩ
32kΩ
光敏电阻的电极常采用梳状图案， 光敏电阻的电极常采用梳状图案，它是在一定的 电极常采用梳状图案 掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。 掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。
光电导材料的两侧为金属导 电材料， 电材料，并在其上设置电极
为什么采用以上结构？ 为什么采用以上结构？ 减小光敏电阻两极间的距离可以大大提高增益； 减小光敏电阻两极间的距离可以大大提高增益； 光敏面作成蛇形，电极作成梳状是因为这 光敏面作成蛇形，电极作成梳状是因为这 蛇形 梳状 样即可以保证有较大的受光表面， 样即可以保证有较大的受光表面，也可以减小 电极之间距离，从而可减小极间电子渡越时间， 电极之间距离，从而可减小极间电子渡越时间， 有利于提高灵敏度。 有利于提高灵敏度。
什么是光的光电探测器和光电导
什么是光的光电探测器和光电导？光的光电探测器和光电导是光电传感器的重要类型，用于检测和测量光信号。
本文将详细介绍光的光电探测器和光电导的原理、结构和应用。
1. 光电探测器（Photodetector）的原理和结构：光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的器件。
它基于光子的能量被半导体材料吸收，激发带载流子，从而形成电流的原理。
最常见的光电探测器类型是光电二极管（Photodiode）和光电倍增管（Photomultiplier Tube），前文已经详细介绍过。
除了这两种常见类型，还有其他一些光电探测器，如光电晶体管、光电场效应晶体管和光电导等。
光电探测器的结构和工作原理与具体的类型有关。
总体而言，光电探测器通常包括光敏元件、电极、引线和封装等部分。
光敏元件是用于吸收光信号并产生电荷载流子的材料，电极用于收集和测量电流，引线用于连接光电探测器与外部电路，封装则是保护和固定光电探测器的外壳。
2. 光电探测器的应用：光电探测器在许多领域有着广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：-光通信：光电探测器用于接收光信号，将光信号转换为电信号，并通过电路进行处理和解码，实现光通信的接收端。
-光测量：光电探测器可以用于测量光的强度、波长、频率和相位等参数，用于光谱分析、光度计和光谱仪等。
-光电检测：光电探测器可以用于检测物体的存在、位置和运动等，用于光电开关、光电传感和光电探测等应用。
-光电能转换：光电探测器可以将光能转化为电能，用于太阳能电池板和光伏发电系统等。
3. 光电导（Photoconductor）的原理和结构：光电导是一种能够根据光信号的强度来改变电导率的材料。
光电导的原理是光照射到材料上时，光子的能量被吸收，激发带载流子，从而改变材料的导电性能。
光电导材料通常是半导体材料，如硒化铟（Indium Selenide）、硒化镉（Cadmium Selenide）和硒化铅（Lead Selenide）等。
半导体光电器件 类别
半导体光电器件类别随着科技的飞速发展，半导体光电器件作为光电子技术的重要组成部分，已经在各个领域展现出了巨大的应用潜力。
本文将从半导体光电器件的基本原理、主要种类以及应用领域等方面进行介绍和分析。
一、基本原理半导体光电器件是利用半导体材料的光电效应将光信号转换为电信号或者将电信号转换为光信号的器件。
其基本原理是光子的能量被半导体材料吸收后，使得材料内的电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。
通过适当的结构设计，可以将电子空穴对分离，并引导电子或空穴经过外部电路，从而产生电信号。
反之，当外部电信号通过器件时，也可以通过适当的结构将电信号转换为光信号的形式输出。
二、主要种类半导体光电器件的种类繁多，根据其工作原理和功能可以分为以下几类：1. 光电二极管：光电二极管是最简单的光电器件，其结构类似于常见的二极管。
当光照射到光电二极管上时，光子的能量被半导体材料吸收，产生电流。
光电二极管常用于光电转换、光电检测等应用中。
2. 光电导：光电导（Photocoductor）是一种能够在光照射下改变电阻的器件。
其基本原理是光照射到光电导材料上时，光子的能量被吸收，使得材料的电导率发生变化。
光电导器件广泛应用于光电传感、光电控制等领域。
3. 光电晶体管：光电晶体管是一种能够通过光照射控制电流放大的器件。
其结构类似于普通的晶体管，但在基极和发射极之间增加了一个光敏区域。
当光照射到光电晶体管的光敏区域时，光子的能量被吸收，使得光电晶体管的电流放大倍数发生变化。
光电晶体管常用于光电放大、光电开关等应用中。
4. 光电阻：光电阻是一种能够根据光照射强度改变电阻的器件。
其基本原理是光照射到光电阻材料上时，光子的能量被吸收，使得材料的电阻发生变化。
光电阻器件广泛应用于光敏电路、光敏控制等领域。
三、应用领域半导体光电器件在现代科技中的应用非常广泛，涉及到通信、传感、显示、能源等多个领域。
以下是一些典型的应用领域：1. 光通信：半导体光电器件在光纤通信中起着至关重要的作用。
半导体光电器件
1
第六章 半导体光电器件
6.1光电导型光电探测器件 6.2势垒型光电探测器件
2
6.1光电导型光电探测器件
一、概述 二、光敏电阻的结构 三、光敏电阻的工作原理 四、光敏电阻的特性 五、光敏电阻的特点 六、注意事项
3
一、概述
光电导型光电探测器件是利用光电导效应制 成的均质型光电探测器件。典型的光电导器 件为光敏电阻。
征 半 导
体
杂 质 半 导 体
8
四、光敏电阻的特性
1、光电导灵敏度 R 2、光谱响应特性 3、光照特性 4、伏安特性 5、响应特性（频率特性） 6、前历效应 7、温度特性 8、噪声
9
1、光电导灵敏度 R
按灵敏度定义（响应量与输入量之比），可得
其中：
Rg
g E
gA
（线形范围内）
g：光电导，单位为西门子 S（Ω-1）。
电源电压和负载电阻决定的负载线与伏安 特性的交点，就是不同光照情况下的光敏 电阻的工作点。
17
光敏电阻的伏安特性曲线
工作负载线的确定
基本偏置电流
18
基本概念
暗电阻Rd ：无光照射时，光敏电阻值的大 小。其值一般为几十千欧到几兆欧。
暗电导Gd ：暗电阻的倒数。 亮电阻Rg ：有光照射时的电阻值，其值与
29
7、温度特性
灵敏度、光照特性、 响应率、光谱响应率、 峰值波长、长波限都 将发生变化，而且这 种变化缺乏一定的规 律
随着温度的升高光电 导值下降，随着温度 的下降光电导值增大， 而与照度无关
光敏电阻的温度特性
30
8、噪声
光敏电阻的固有噪 声主要有三种：
噪声（100Hz以 下）；
光电器件工作原理
光电器件工作原理光电器件是一类能够将光能转化为电能或将电能转化为光能的器件。
光电器件的工作原理主要涉及光的吸收、光电转换和电流产生等过程。
一、光的吸收光电器件中的光吸收通常通过半导体材料实现。
半导体材料具有带隙能级，当光束照射到半导体材料上时，其中的光子能量可以被半导体吸收。
在光照射下，光子能量被半导体吸收后，电子会从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。
光的吸收程度与光子能量与半导体带隙能级之间的关系有关。
二、光电转换光电转换是指将光能转化为电能的过程。
在光电器件中，光的吸收会导致电子在半导体中的能级发生变化，从而产生电流。
根据光电转换的机制不同，光电器件可以分为光电导型器件和光电势型器件。
1. 光电导型器件光电导型器件是通过光照射下的光电导效应来实现光电转换的。
当光照射到光电导型器件上时，光子能量被半导体吸收后，会激发产生电子空穴对。
在电场的作用下，电子和空穴会分别向着相应的电极运动，形成电流。
光电导型器件常见的应用包括光电二极管、光电晶体管等。
2. 光电势型器件光电势型器件是通过光照射下的内光电效应来实现光电转换的。
内光电效应是指当光照射到半导体材料中时，由于光子能量的吸收，半导体材料内部会形成电势差。
通过将半导体材料的两侧连接外电路，就可以利用这个电势差产生电流。
光电势型器件常见的应用包括太阳能电池、光敏电阻等。
三、电流产生在光电器件中，光的吸收和光电转换最终会导致电流的产生。
电流的大小取决于光的强度和光电器件的特性。
光电器件中的电流可以通过外电路连接到其他电子器件中，从而实现光电器件的应用。
根据不同的光电器件类型和具体的应用需求，光电器件的工作原理会有所差异。
但总体而言，光的吸收、光电转换和电流产生是光电器件工作的基本过程。
通过合理设计光电器件的材料、结构和电路，可以实现高效、稳定和可靠的光电转换效果，从而满足各种光电应用的需求。
总结光电器件的工作原理主要涉及光的吸收、光电转换和电流产生等过程。
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图2-5所示为典型CdS光敏电阻的伏安特性曲线 。
• 2.2.3 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。
图2-6所示为典型CdS 与CdSe光敏电阻在不同照 度下的温度特性曲线。
0 (1 et / )
I I0 (1 et / )
▪ 当t=τr时，Δσ =0.63Δσ0，IΦ=0.63IΦe0； ▪ τr定义为光敏电阻的上升时间常数 ▪ 停止辐射时，入射辐射通量Φe与时间的关系为
00
t =0 t ≥0
• 光电导率和光电流随时间变化的规律为
0et /
I I0et /
产生的过程，光生电导率Δσ要经过一定的时间才能达到稳定。 当停止辐射时，复合光生载流子也需要时间，表现出光敏电
阻具有较大的惯性。 光敏电阻的惯性与入射辐射信号的强弱有关，下面分别讨论。
▪ 1.弱辐射作用情况下的时间响应
0
t=0导器件在非平衡状态下光电导率Δσ和光电流IΦ随时间变 化的规律为
近的探测灵敏度很高，因此，常用于火灾的探测等领域。 它的光谱响应和比探测率等特性与工作温度有关，随着工作
温度的降低其峰值响应波长和长波长将向长波方向延伸，且比 探测率D*增加。如，室温下它的光谱响应为1~3.5μm，峰值为 2.4μm，峰值比探测率D*高达1×1011cm·Hz·W-1。温度低至195K， 光谱响应为1~4μm，峰值波长为2.8μm，D*为2×1011cm·Hz·W-1。
敏电阻的原理图与光 敏电阻的符号。
• 2.1.2 光敏电阻的基本结构
根据光敏电 阻的设计原则可以 设计出如图2-2所 示的3种基本结构： （a）梳形结构； （b）蛇形结构； （c）刻线式结构。 • 2.1.3 典型光敏电阻 1、CdS光敏电阻
CdS光敏电阻是最常见的光敏电阻，它光谱响应特性最接近 人眼光谱光视效率，在可见光波段范围内的灵敏度最高，因此， 被广泛地应用于灯光的自动控制，照相机的自动测光等。
光敏电阻在弱辐射作用下,上
升τr与下降时间常数τf近似
相等。 2.强辐射作用情况下的时间响应
如图 (b)所示，用 对数坐标，阻值R在 某段照度EV范围内的 光电特性表现为线性， γ 保持不变。其斜率
logR1 logR2
logE2 logE1
R1与R2分别是照度为 E1和E2时的阻值。
• 2.2.2 伏安特性
光敏电阻的本质是电阻，符合欧姆定律。因此，它具有与 普通电阻相似的伏安特性，但是它的电阻值是随入射光度量而 变化的。
Hg1-xCdxTe光电导器件是目前红外探测器中最优良最有前途 的器件，尤其对于4~8μm大气窗口更为重要。它由HgTe和CdTe 两种材料的晶体混合制造，x为Cd元素含量。
在制造时选用不同Cd组分x，可以得到不同禁带宽度Eg，制 造 出 不 同 响 应 范 围 的 Hg1-xCdxTe 器 件 。 组 分 x 的 变 化 范 围 为 0.18~0.4，长波长的变化范围为1~30μm。
第2章 光电导器件
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）可以制成电导率随入 射光度量变化的器件，称为光电导器件或光敏电阻。
光敏电阻具有体积小，坚固耐用，价格低廉，光谱响应范 围宽等优点。广泛应用于微弱辐射信号的探测领域。
2.1 光敏电阻的原理与结构
• 2.1.1 光敏电阻的基本原理 图 2-1 所 示 为 光
光敏电阻在弱辐射和强辐射作用下表现出不同的光电特性 （线性与非线性），光电导与辐射通量的关系。
弱辐射
g
q hl 2
Φe,
为线性
强辐射
1
g
q
bd hK fl
3
2
1
2 e ,
为非线性
实际上，光敏电阻在弱辐射到强辐射的作用下，其光电特
性可用在“恒定电压”作用下流过光敏电阻的电流Ip与光照度 E的关系曲线来描述，如图2-3所示。
以室温的相对光电导率 为100%，观测光敏电阻的 相对光电导率随温度的变 化关系，可见，其相对光 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。
• 2.2.4 时间响应 光敏电阻的时间响应（又称为惯性）比其他光电器件要差
（惯性要大）些，频率响应要低些，而且具有特殊性。 当用一个理想方波脉冲辐射照射光敏电阻时，光生电子要有
2.2 光敏电阻的基本特性
光敏电阻为多数载流子导电的器件，它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。 • 2.2.1 光电特性
光敏电阻在黑暗的室温条件下，热激发产生的载流子使它具 有一定的电导，称为暗电导 。
有光照射时，它的电导增大，这时的电导称为光电导。 电导随光照量变化越大就越灵敏。称为光敏电阻的光电特性。
• 3、InSb光敏电阻
InSb光敏电阻是3~5μm光谱范围内的主要探测器件之一。它 不仅适用于制造单元探测器件，也适宜制造阵列探测器件。室 温下长波长可达7.5μm，峰值在6μm，D*约为1×1011cm·Hz·W-1。
当温度降低到77K（液氮）时，其长波长缩短到5.5μm，峰 值移至5μm，恰为大气窗口范围，D*升高到2×1011cm·Hz·W-1。 • 4、Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件
I p g pU USg E
式中，Sg为光电导灵敏度，E 为照度。
随照度的增高，线性关系 变坏，当照度变得很高时，曲 线弯曲，线性变坏。
光电特性可用一个随光度量变化的指数伽玛（γ）来描述，并
定义γ为光电转换因子。 I p g pU USg E
光电转换因子在弱辐射作用的情况下为1，即γ=1，随入射辐射 的增强，γ值减小，辐射很强时γ值降低到0.5。
CdS光敏电阻的峰值响应波长为0.52μm，CdSe光敏电阻为 0.72μm，调整S和Se的比例，可使峰值响应波长大致控制在 0.52~0.72μm范围内。
CdS光敏电阻的光敏面常为如图2-2（b）所示的蛇形光敏面 结构。
• 2、PbS光敏电阻 PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件。在2μm附