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第4章?? 光电导器件 ? 光电导器件是利用半导体材料的光电导效应制成的一种光电探测器，所谓光电导效应是当材料受到光辐射后，材料的电导率发生变化的现象。最典型也是最常用的光电导器件是光敏电阻。 4.1 光敏电阻的工作原理 4.1.1光敏电阻的结构和分类 光敏电阻是利用光电导效应制成的的光电器件，其工作结构图如图4-1，结构原理图如图4-2。 图4-1 光敏电阻工作原理图及其符号 图4-2 光敏电阻解构原理图 光敏电阻分为两类--本征型光敏电阻和掺杂型光敏电阻。本征型光敏电阻在光子能量大于禁带宽度时才能激发出一个电子空穴对（如图4-3（a））。非本征光敏电阻只要光子能量大于杂质电离能就能产生载流子（如图4-3（b））。目前使用N型半导体光敏电阻使用最广范。 4.1.2??光敏电阻的工作原理 光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时两电极可加直流电压，也可加交流电压。图4-4分别为光敏电阻结构示意图。当光电导体上加上电压，无光照时，其相应的暗电导率为： 图4-3 两种类型光敏电阻能带图 光照稳定情况下的电导率为 迁移比 光电导率 1．光电导体 2．电极 3．绝缘基底 4．导电层 4.2 光敏电阻的主要特性参数 光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻，对应电流为暗电流。 光敏电阻在室温条件下，光敏电阻在一定照度下的阻值，称为该光照下的亮电阻，对应电流为亮电流。 亮电流-暗电流=光电流。 光敏电阻有以下几个特性参数： （a）梳状态型 （b）刻线型 （c）夹层型 图4-4 光敏电阻结构示意图 1.光电导灵敏度Sg gp：光电导，单位为西门子S（Ω-1）。 E：照度，单位为勒克斯（lx）。 Sg ：单位为西门子/勒克斯（S/lx）或Sm2/W。 gP称为光敏电阻的光电导 2.光电导增益 对于本征型光敏电阻： 令 则 3.量子效率 光电导器件的量子效率η，表示输出的光电流与入射光子流之比，是无纲量。图4-5为硅和锗的量子效率。假设入射的单色辐射功率Ф(λ)能产生N个光电子，则量子效率： 4.光谱响应率与光谱响应曲线 图4-5 硅和锗的量子效率 输出光电流 则光谱响应率 图4-6为本征型半导体的光谱响应曲线，(a)为理想情况，(b)为实际情况。如果用类似于视觉函数的形式去表达，则得相对灵敏度，见于图4-7和4-8。 5.响应时间和频率特性 图4-6 光电导材料的光谱响应 图4-7 可见光区的几种光敏电阻的光谱特性曲线 图4-8 红外光区的几种光敏电阻的光谱特性曲线 图4-10 光电导的频率特性 图4-9 光电导的弛豫过程 图4-11 几种光敏电阻的频率特性变化曲线 光照时光生载流子变化规律： 光照停止时光生载流子变化规律： 输入光为正弦规律时光生载流子变化规律： 6.光电特性和γ值 式中 ，Sg是光电导灵敏度，它与光敏电阻材料有关； U为外加电源电压； Ф为入射光通量； E为入射光照度； γ为照度指数。 在弱光照时，γ值为1，称线性光电导；在强光照时，γ值为0.5，则为非线性光电导；一般情况下γ值在0.5～l之间。 图4-12 光电导的光照特性 7.前历效应 前历效应是指光敏电阻的响应特性与工作前的“历史”有关的一种现象。前历效应有暗态前历效应与亮态前历效应之分。 暗态前历是在处于暗态突然受到光照后，亮态前历已经处于亮态光照改变时的响应曲线。 图4-13 硫化镉光敏电阻的暗态前历效应曲线 图4-14 硫化镉光敏电阻的亮态前历效应曲线 8.温度特性 光敏电阻的温度特性很复杂，在一定的照度下，亮电阻的温度系数α有正有负。R1、R2分别为与温度T1、T2 相对应的亮电阻。 4.3 光敏电阻的偏置电路和噪声 4.3.1.偏置电路 图4-15 硫化镉光敏电阻的温度特性曲线 图4-16 硫化镉光敏电阻冷却情况下的光谱特性曲线 图4-17 电路原理 图4-18 伏安特性曲线 由公式可以推导出：在光照情况下光敏电阻随温度变化的变化率为 。可知，电阻随光照度增加而减小。 由图4-17求解可得，，其输出电流变化率和输出电压变化率。可知输出电流和输出电压可近似于光通量变化率成正比，见下式。 输出电流变化率为 输出电流变化率为 4.3.2.噪声等效电路 光敏电阻接入电路时产生噪声和