光敏电阻、光电池.ppt

§3．1．4光敏二极管(PD)光敏二极管是一种用PN结单向导电性的结型光电信息转换器件。一、结构和工作原理与一般半导体二极管类似，其PN结装在管子的顶部，以便使光线集中在光敏面，光敏二极管的外形结构如图（a）所示。光敏二极管工作时加反向偏压，图(b)，加反向偏压的目的是加一个方向与PN结内电场方向一致的外电场，克服了光电池弱点，线性特性和频率特性将彻底改善，光电流的输出仅受光照强弱变化的影响，与负载电阻的大小无关。无光照时，光敏二极管工作在截止状态，只有少数载流子在反向偏压作用下，渡越阻挡层，形成微小的反向电流，即暗电流。光敏二极管受光照时，PN结附近受光子轰击吸收其能量而产生电子空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，在外加电场和内电场的共同作用下，P区的电子渡越阻挡层进入N区，N区的空穴进人P区，从而使通过PN结的方向电流大大增加，这就形成了光电流。第63页，讲稿共98页，2023年5月2日，星期三1．光照特性图(a)画出了硅光敏二极管的光电流I与照度L的特性曲线。从图上可看出，它的光照特性线性较好，适合于检测方面的应用。，光谱特性决定于所采用的材料，图3．1．4—2(b)示出了锗的光谱响应曲线。由图可知，它的响应光谱长波限为18000埃，短波限在4000埃附近，最灵敏的响应波长大约14000～15000埃之间。硅的光谱特性可见图(b)，它的最灵敏响应波长在8000～9000埃之间。二、特性2．光谱特性硅光敏二极管在入射光波长为9000埃处，其光谱灵敏度不小于0．4微安／微瓦。第64页，讲稿共98页，2023年5月2日，星期三图(c)示出了硅光敏二极管的实际伏安特性曲线，由光照控制的光敏二极管，与由基极控制的晶体三极管的工作情况相类似，因而光敏二极管在不同照度下的伏安特性，与一般晶体管在不同基极电流下的输出特性相似。由此可知，光敏二极管对光信号的作用，正像一般晶体管在基极上加上电信号时的放大作用一样。光敏二极管在外加电压为零时仍有电流，这是光生伏特效应所产生的短路电流。3．伏安特性第65页，讲稿共98页，2023年5月2日，星期三4．频率特性(a)结电容(一般小于20微微法)和杂散电容，因它与负载电阻并联，负载电阻越大，它的高额旁路作用越显著，高频响应变差。负载电阻小，能使高频响应改善，但输出电压要减小，两者应同时考虑，以选择合适的负载电阻。在负载电阻为l千欧的情况下，截止频率可达1.5兆赫或更高；(b)光生载流子在薄层中的扩散时间及PN结(耗尽层或阻挡层)中的漂移时间，前者与入射光的波长有关。当波长超过某限度(材料对长波的吸收系数小)，入射光可透过二极管PN结而到达体内(N区)较深部位几十到上千微米，它激发的光生载流子要扩散到PN结后才能形成光电流。这一扩散时间限制了对长波光的频率响应。光敏二极管的频率响应与下述因素有关：波长较短的光生载流子大部分产生在PN结内，没有体内扩散时间的问题，而且频率响应要好得多。对硅二极管，由波长不同引起的响应时间可相差102～108倍。第66页，讲稿共98页，2023年5月2日，星期三5．温度特性光敏二极管在电压不变(50伏)和照度不变的情况下，其光电流随温度T而变如图。在精密光电测量中要注意温度对测量精度的影响，桥式电路是减小温度影响的措施之一。在用调制光照射时，可采用交流放大器以抑制变化较慢的温度影响。6．暗电流图示出的曲线l和2各为锗和硅光敏二极管的暗电流随温度T而变化的曲线。温度升高，半导体受热激发，少数载流子增加，使暗电流增加。硅器件的暗电流及其温度系数都比锗器件小，因此对锗器件需要适当的温度补偿。使用时要注意不使管壳侧面沾污。否则会引起漏电流，使暗电流变大。光敏二极管体积小，灵敏度高，稳定性好，响应速度快，易于获得定向性，光谱在可见和红外区，它在检测和自动控制中用得较多。第67页，讲稿共98页，2023年5月2日，星期三第68页，讲稿共98页，2023年5月2日，星期三第69页，讲稿共98页，2023年5月2日，星期三5．疲乏特性图(e)的曲线l和2分别表示出型号不同的两种硫化镉光敏电阻的疲乏特性。初制成的光敏电阻，由于体内机构的不稳定，以及电阻体与其介质间的作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的。在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二个星期的老化，性能可达到稳定。光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上升了，有些样品阻值下降了，各不一样，但最后总能达到一个稳定值，以后就不再变了。这是光敏电阻的主要优点，它以其高度的稳定性而被广泛地应用在自动化技术上。第31页，讲稿共98页，2023年5