【文章內(nèi)容簡介】 摻金探測器的光譜特性 表 47列出了主要硅摻雜探測器的特性。 圖 432所示溫度為 27K時硅摻鎵探測器的光譜特性。圖 433所示為50K時鍺硅合金摻金探測器的光譜特性： 圖 432 硅摻鎵探測器的光譜特性 圖 433 鍺硅摻金探測器的光譜特性 4． 光敏電阻的工作特性 ? 光電特性 ? 靈敏度 ? 伏安特性 ? 時間響應(yīng)和頻率特性 ? 溫度特性 ? 光電特性：光電流與入射光照度的關(guān)系 ： (1)弱光時， γ=1，光電流與照度成線性關(guān)系 (2)強(qiáng)光時， γ=，光電流與照度成拋物線 光照增強(qiáng)的同時，載流子濃度不斷的增加，同時光敏電阻的溫度也在升高，從而導(dǎo)致載流子運動加劇，因此復(fù)合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢。（冷卻可以改善） ：外加電壓，歐姆接觸為電壓指數(shù)光電導(dǎo)，照度指數(shù)光USUESIgg)1(::)(:??????﹒ 光敏電阻的光電特性 I光為光電流， I光 =ILId； E為照度。照度指數(shù)與材料的入射強(qiáng)弱有關(guān)， 對 CdS光電導(dǎo)體， 在弱光照下，光電流與 E具有良好的線性關(guān)系 在強(qiáng)光照下則為非線性關(guān)系 其他光敏電阻也有類似的性質(zhì)。 ? 光敏電阻的靈敏度 : 光電導(dǎo) g與照度 E之比 . ：入射通量光敏面積， ?????:AAgEggS不同波長的光，光敏電阻的靈敏度是不同的。 在選用光電器件時必須充分考慮到這種特性。 ? 光敏電阻的增益 光電導(dǎo)增益反比于電極間距的平方。 ：電極間距：外加電壓，：遷移率，：載流子壽命，量子產(chǎn)額，????? ? ?UlUG:2?伏安特性 ? 在一定的光照下，光敏電阻的光電流與所加的電壓關(guān)系。 ? 光敏電阻是一個純電阻，因此符合歐姆定律，其伏安特性曲線為直線。 ? 不同光照度對應(yīng)不同直線 ?受耗散功率的限制，在使用時，光敏電阻兩端的電壓不能 超過最高工作電壓， ?圖中虛線為允許功耗曲線 ?由此可確定光敏電阻正常工作電壓。 ? 光敏電阻時間常數(shù)比較大，其上限截止頻率低。只有 PbS光敏電阻的頻率特性稍好些，可工作到幾千赫。 頻率特性 ? 光敏電阻的時間響應(yīng)特性較差 ? 材料受光照到穩(wěn)定狀態(tài)，光生載流子濃度的變化規(guī)律： ? 停止光照，光生載流子濃度的變化為 00( 1 e x p ( ) )tppp?? ? ? ? ?? 為穩(wěn)態(tài)光生載流子濃度0 e x p ( )tpp?? ? ? ?響應(yīng)時間 光 敏電阻的時間常數(shù)較大，慣性大，時間響應(yīng)比其它光電器件差。頻率響應(yīng)低。 時間特性與光照度、工作溫度有明顯的依賴關(guān)系。 Τ’r Τ’f E t O i(%) t O 100 63 37 τr τf 矩形光脈沖 10lx 100lx 光敏電阻是多數(shù)載流子導(dǎo)電，溫度特性復(fù)雜。隨著溫度的升高，光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要下降，溫度的變化也會影響光譜特性曲線。 例如：硫化鉛光敏電阻，隨著溫度的升高光譜響應(yīng)的峰值將向短波方向移動。 尤其是紅外探測器要采取 制冷措施 ， 控制光敏電阻工作的溫度的辦法提高工作穩(wěn)定性。 溫度特性 光譜特性 相對靈敏度與波長的關(guān)系 可見光區(qū)光敏電阻的光譜特性 光譜特性曲線覆蓋了整個可見光區(qū)，峰值波長在515～ 600nm之間。尤其 硫化鎘 （ 2）的峰值波長與人眼的很敏感的峰值波長（ 555nm）是很接近的，因此可用于與人眼有關(guān)的儀器。 紅外區(qū)光敏電阻的光譜特性 注明：此特性與所用材料的光譜響應(yīng)、制造工藝、摻雜濃度和使用的環(huán)境溫度有關(guān)。 光敏電阻參數(shù) ? 使用材料 ：硫化鎘（ CdS），硫化鉛（ PbS），銻化銦（ InSb），碲鎘汞（ HgCdTe），碲錫鉛（ PbSnTe） . ? 光敏面 ： 13 mm ? 工作溫度 ： 40 – 80 oC ? 溫度系數(shù) ： 1 ? 極限電壓 ： 10 – 300V ? 耗散功率 ： 100 W ? 時間常數(shù) ： 5 – 50 ms ? 光譜峰值波長 ：因材料而不同，在可見 /紅外遠(yuǎn)紅外 ? 暗電阻 ： 108 歐姆 ? 亮電阻 ： 104 歐姆 ?光敏電阻的應(yīng)用 ? 基本功能：根據(jù)自然光的情況決定是否開燈。 ? 基本結(jié)構(gòu)：整流濾波電路；光敏電阻及繼電器控制；觸電開關(guān)執(zhí)行電路 ? 基本原理：光暗時，光敏電阻阻值很高， 繼電器 關(guān)，燈亮；光亮?xí)r，光敏電阻阻值降低，繼電器工作，燈關(guān)。 照明燈自動控制電路 K 220V 燈 常閉 CdS 光敏電阻工作性能特點： ? 光譜響應(yīng)范圍相當(dāng)寬?？梢姽?、紅外、遠(yuǎn)紅外、紫外區(qū)域 ? 工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安。 ? 所測光電強(qiáng)度范圍寬，既可測弱光，也可測強(qiáng)光 ? 靈敏度高，光電增益可以大于 1 ? 無選擇極性之分，使用方便。 缺點： 強(qiáng)光下光電線性度較差，弛豫時間過長，頻率特性差。 光敏電阻的種類及應(yīng)用 ?主要材料： Si、 Ge、 IIVI族和 IIIV族化合物，以及一些有機(jī)物。分紫外光、可見光、紅外及遠(yuǎn)紅外敏感的光敏電阻。 ?應(yīng)用：照相機(jī)、光度計、光電自動控制、輻射測量、能量輻射、物體搜索和跟蹤、紅外成像和紅外通信等技術(shù)方面制成的光輻射接收器件。 常用光敏電阻 ?CdS光敏電阻： 峰值響應(yīng)波長 ，摻銅或氯時峰值波長變長，光譜響應(yīng)向紅外區(qū)延伸，其亮暗電導(dǎo)比在 10lx照度上可達(dá) 1011(一般約為 106)，其時間常數(shù)與入射光強(qiáng)度有關(guān)， 100lx下可達(dá)幾十毫秒。是可見光波段最靈敏的光敏電阻。 ?PbS光敏電阻： 響應(yīng)波長在近紅外波段，室溫下響應(yīng)波長可達(dá) 3um，峰值探測率 Dλ *= 1011cmHz 1/2/w。缺點主要是響應(yīng)時間太長，室溫條件下 100300uS。內(nèi)阻約為 1MΩ ， ?銻化銦（ InSb）光敏電阻： 長波限 ，內(nèi)阻低（約 50Ω ）， 峰值探測率 Dλ*=Hz1/2/w。時間常數(shù) 。零度時探測率可提高 23倍。 ?碲鎘汞 HgCdTe系列光敏電阻。其性能優(yōu)良，最有前途的光敏電阻。不同的 Cd組分比例，可實現(xiàn) 13um,35um,814um的光譜范圍的探測。例如 氣窗口 814um，峰值波長 ， 響應(yīng)波長在 35um. ?碲錫鉛（ PbSnTe）系列光敏電阻： 不同的錫組分比例，響 應(yīng)波長不同。主要用在 810um波段探測 ，但探測率低，應(yīng)用不廣泛。 (1)比探測率 D*在使用中的轉(zhuǎn)化 設(shè)探測器與特定黑體間光譜匹配系數(shù)為 ，而探測器與目標(biāo)間光譜匹配系數(shù)為 ，那么，比探測率 D*應(yīng)修正為 ，即 通常探測器的頻率特性曲線如圖 434所示 ?,? ,?D圖 434 PbS探測器的頻率特性曲線 (2) 減小噪聲提高信噪比的措施 利用信號調(diào)制及選頻技術(shù)可抑制噪聲的引入。光電導(dǎo)探測器的噪聲譜如圖 435所示 ,而一般放大器的噪聲譜如圖 436所示。 圖 435 光敏電阻的噪聲頻率特性 圖 436 放大器的噪聲頻率特性 減少光敏電阻噪聲的另一種方法是將器件致冷，以減小熱發(fā)射，也可降低產(chǎn)生 — 復(fù)合噪聲。常用的液氮杜瓦瓶致冷器原理如圖 437所示。 圖 437 杜瓦瓶致冷器原理圖 (3) 幾種典型的偏置電路 ①恒流偏置電路 在一定光照下，光敏電阻產(chǎn)生的信號和噪聲均與通過光敏電阻的電流大小有關(guān)，其關(guān)系曲線如圖 438所示。 圖 438 信號、噪聲、倍噪比與光敏電阻中電流間的關(guān)系 由圖 438中可知，信噪比曲線有一極大值存在，從這一特點出發(fā)希望偏置電路使器件偏流穩(wěn)定，并取值在最佳電流 Iopt的區(qū)域中。按此要求設(shè)計的恒流偏置電路如圖 439所示。 圖 439 晶體管恒流偏置電路 ② 恒壓偏置電路 將恒流偏置電路稍加改變便可形成如圖 440所示的恒壓偏置電路。 圖 440 晶體管恒壓偏置電路 ③ 最大輸出及繼電器工作的偏置電路 這類簡單的光敏電阻偏置電路如圖 441所示。圖 442所示是對應(yīng)平均照度 E0、最大照度 E”和最小照度 E’的三條伏安特性曲線。 圖 441 光敏電阻偏置電路 圖 442 不同照度下光敏電阻的伏安特性 的確定 RL的選擇原則是在一定 RG、 ΔRG和 E的條件下，使信號電壓 u的輸出最大。通過取極值 ，則有 于是有 , LR012)( ??????? ?????GLLGLG RR RRR RE GL RR ?0/ ?LdRdu 的確定 從以上各式都可以看到、選用較大的電源電壓對產(chǎn)生信號十分有利、但又必須以保持長期正常工作，不損壞光敏電阻為原則。有時在器件的說明書中給出。 21 GGL RRR ??2121m a x21 )(GGGGRRRREUU????LR基本偏置電路 RP U RL UL I 忽略暗電導(dǎo) Gd(暗電阻很大 )： G=Gp=SgE或 G=SgΦ 即 對 R求導(dǎo)得到 負(fù)號表示電阻是隨溫度的增加而減小。 當(dāng)光通量變化時，電阻變化 ΔRp， 電流變化 ΔI，即有： 即 ESR g?1ESRR g ???? 2? ?ppLb RRRUII ??????? ? 2pLbppLbppLbRRURRRURRRUI???????????? ? ?????? 22 pLbgp RRUSRIU RL UL I 輸出電壓 ? ?? ? ??????????????????LpLbgppLLbpLRRRUSRRRRURU222火焰檢測報警器 R1 2kΩ 中心站放大器 VDW 6V R2 200kΩ R3 PbS C1 68nF C2 68uF R4 R5 820kΩ R7 1kΩ R8 32kΩ R6 R9 150kΩ C4 + C3 100uF V1 V2 V3 PbS光敏電阻： Rd=1MΩ, Rl=(幅照度 1mw/cm2下測試 )，峰值波長 。 恒壓偏置電路 高輸入阻抗放大電路 Vo 92 快門按鈕 驅(qū)動單元 Uth UR Uth=??? UR=??? + _ A Rp2 10kΩ Rp1 10kΩ R2 300Ω R1 C1 1uF M VD T R CdS Ubb 照相機(jī)電子快門 照明燈的光電控制電路 C K VD R CdS 常閉 燈 ~220V 半波整流 測光與控制 執(zhí)行控制 光敏電阻使用的注意事項 1. 測光的光源光譜特性與光敏電阻的光敏特性相匹配。 2. 要防止光敏電阻受雜散光的影響。 3. 要防止使光敏電阻的電參數(shù) (電壓 ,功耗 )超過允許值。 4. 根據(jù)不同用途，選用不同特性的光敏電阻。 一般 , 數(shù)字信息傳輸 :亮電阻與暗電阻差別大，光照指數(shù)γ大的光敏電阻。 模擬信息傳輸 :則以選用 γ值小、線性特性好的光敏電阻。 1. PN結(jié)與光伏效應(yīng) （ Photo Voltage Effect） 當(dāng) P型半導(dǎo)體和 N型半導(dǎo)體直接接觸時，P區(qū)中的多數(shù)載流子 — 空穴向空穴密度低的 N區(qū) 擴(kuò)散 ，同時 N區(qū)中的多數(shù)載流子 — 電子向 P區(qū)擴(kuò)散。這一擴(kuò)散運動在 P區(qū)界面附近積累了負(fù)電荷，而在 N區(qū)界面附近積累了正電荷，正負(fù)電荷在兩界面間形成內(nèi)電場。在該電場逐步形成和增加的同時，在它的作用下產(chǎn)生載流子的 漂移 運