數(shù)碼相機(jī)為什么能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)曝光？數(shù)碼相機(jī)NIKON5第03章光電導(dǎo)探測(cè)器利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)制成的器件稱為光電導(dǎo)探測(cè)器，簡(jiǎn)稱PC（Photoconductive）探測(cè)器－－又稱為光敏電阻。特點(diǎn)：

①光譜響應(yīng)：紫外－－遠(yuǎn)紅外

②工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安

③可測(cè)強(qiáng)光，可測(cè)弱光

④靈敏度高，光電導(dǎo)增益大于1⑤無(wú)極性之分

hυ≥Eg

將產(chǎn)生光電子激發(fā),如圖硅:Eg=1.12ev鍺:Eg=0.67ev

λ0=1.1μmλ0=1.85μm雜質(zhì)吸收EcEvEdEcEaEv施主受主EvEcEg本征吸收電子空穴

Si:P(施主)△Ed=0.045evλ0=29μm

Si:IN(受主)△Ea=0.14evλ0=8μm

主要應(yīng)用于紅外探測(cè)

本征半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體光照１一定溫度下：δ0＝q(n0μn+p0μp)(n0

和p0為一定溫度下的載流子濃度)２光照情況下：△δ＝（△nμn＋△pμp）(△n和△p為光生載流子濃度)δ＝δ0＋△δ

即：光照→△δ→δ↑→R↓光照半導(dǎo)體材料第03章光電導(dǎo)探測(cè)器3.1材料結(jié)構(gòu)原理3.2主要特性參數(shù)3.3偏置電路和應(yīng)用3.1材料結(jié)構(gòu)原理3.1.1材料及分類Ⅲ－Ⅳ、Ⅲ－V族化合物，硅、鍺以及一些有機(jī)物等本征型光敏電阻：雜質(zhì)型光敏電阻：注意雜質(zhì)型：1.常用N型2.極低溫度下工作

雜質(zhì)型光敏電阻：極低溫度下工作???以N型為例：EcEvEdΔEd＝Ec－Ed<<EgEgΔEd2.常溫--雜質(zhì)原子束縛電子或空穴已被熱激發(fā)成自由態(tài)作為暗電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)量。長(zhǎng)波光照,已無(wú)束縛電子或束縛空穴供光激發(fā)用，即光電導(dǎo)Δσ為零或很微弱。1.雜質(zhì)原子濃度遠(yuǎn)比基質(zhì)原子濃度低得多。3.1材料結(jié)構(gòu)原理3.1.2光照下的光電導(dǎo)響應(yīng)過(guò)程光電導(dǎo)響應(yīng)的兩個(gè)基本結(jié)論：（1）弱光照——響應(yīng)時(shí)間為常數(shù)（等于載流子壽命），穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)與光生載流子的產(chǎn)生率成線性關(guān)系。（2）強(qiáng)光照——響應(yīng)時(shí)間是光照的函數(shù)，穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)與入射輻射通量平方根成正比關(guān)系。階躍光照時(shí)光電導(dǎo)響應(yīng)：正弦光照時(shí)光電導(dǎo)響應(yīng)：上限截止頻率：（頻域）響應(yīng)時(shí)間：（時(shí)域）光電導(dǎo)響應(yīng)速度3.1.2.光照下的光電導(dǎo)響應(yīng)過(guò)程3.1.3結(jié)構(gòu)和原理3.1材料結(jié)構(gòu)原理設(shè)樣品為N型材料任務(wù)：1.導(dǎo)出電流表達(dá)式光電導(dǎo)探測(cè)器平均光電流由此可得到兩個(gè)結(jié)論：(1).光電導(dǎo)探測(cè)器為受控恒流源

(2).光電導(dǎo)探測(cè)器光敏面做成蛇形3.1.3結(jié)構(gòu)和原理光電導(dǎo)探測(cè)器平均光電流(1).光電導(dǎo)探測(cè)器為受控恒流源

微變等效電路光電阻Rp0--平均光照時(shí)光敏電阻的阻值U--光電阻Rp0上的分電壓。利用該等效電路可方便地計(jì)算光電導(dǎo)探測(cè)器接受交變輻射時(shí)的輸出信號(hào)。使用條件：光通量變化較小3.1.3結(jié)構(gòu)和原理結(jié)構(gòu)在一塊均勻光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母、高頻瓷或其他絕緣材料基板上，兩端接有電極引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。3.1.3結(jié)構(gòu)和原理三種結(jié)構(gòu)形式3.1.3結(jié)構(gòu)和原理梳型結(jié)構(gòu)在玻璃基底上面蝕刻成互相交叉的梳狀槽，在槽內(nèi)填入黃金或石墨等導(dǎo)電物質(zhì)，在表面再敷上一層光敏材料。如圖所示。三種結(jié)構(gòu)形式3.1.3結(jié)構(gòu)和原理蛇形結(jié)構(gòu)如圖，光電導(dǎo)材料制成蛇形，光電導(dǎo)兩側(cè)為金屬導(dǎo)電材料，并在其上設(shè)置電極。三種結(jié)構(gòu)形式3.1.3結(jié)構(gòu)和原理刻線結(jié)構(gòu)在玻璃基片上鍍制一層薄的金屬箔，將其刻劃成柵狀槽，然后在槽內(nèi)填入光敏電阻材料層后制成。其結(jié)構(gòu)如下圖所示。三種結(jié)構(gòu)形式3.1.3結(jié)構(gòu)和原理光電導(dǎo)探測(cè)器平均光電流(1).光電導(dǎo)探測(cè)器為受控恒流源

(2).光電導(dǎo)探測(cè)器光敏面做成蛇形－－光電流Ip與長(zhǎng)度lz的平方成反比3.1.3結(jié)構(gòu)和原理光敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖3.1.3結(jié)構(gòu)和原理第03章光電導(dǎo)探測(cè)器3.1材料結(jié)構(gòu)原理3.2主要特性參數(shù)3.3偏置電路和應(yīng)用3.2主要特性參數(shù)3.光電特性和γ值2.光電導(dǎo)靈敏度1.光電導(dǎo)增益9.噪聲特性5.頻率特性7.溫度特性8.前歷效應(yīng)6.光譜特性4.伏安特性1.光電導(dǎo)增益－－光電導(dǎo)探測(cè)器的內(nèi)增益，也稱為光電導(dǎo)增益提高M(jìn)值減少電極間的間距L適當(dāng)提高工作電壓

3.2主要特性參數(shù)2.光電導(dǎo)靈敏度弱光，光電導(dǎo)靈敏度：

S/1m，S/1xS/μW，S/μW/cm23.2主要特性參數(shù)注意：靈敏度與光電增益的區(qū)別（1）靈敏度是光電導(dǎo)體在光照下產(chǎn)生光電導(dǎo)能力的大小。（2）增益指在工作狀態(tài)下，各參數(shù)對(duì)光電導(dǎo)效應(yīng)的增強(qiáng)能力。材料特性結(jié)構(gòu)參數(shù)3.2主要特性參數(shù)3.光電特性和γ值光敏電阻的光電流與入射光通量（光照度）之間的關(guān)系稱光電特性3.2主要特性參數(shù)暗電阻：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無(wú)光照射）后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間測(cè)量的電阻值，稱為暗電阻。此時(shí)在給定電壓下流過(guò)的電流—暗電流。亮電阻：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻。此時(shí)流過(guò)的電流—亮電流。光電流：亮電流與暗電流之差。3.光電特性和γ值光敏電阻的光電流與入射光通量（光照度）之間的關(guān)系稱光電特性Sg比例系數(shù)，與材料有關(guān)α為電壓指數(shù)，～1γ＝

0.5~1－－照度指數(shù)強(qiáng)光－－γ為0.5弱光－－γ為1弱光－－線性（測(cè)量）強(qiáng)光－－非線性（控制）

3.2主要特性參數(shù)照度指數(shù)γ值實(shí)用的光電特性參數(shù)：暗電阻～MΩ亮電阻～KΩ3.2主要特性參數(shù)4.伏安特性

(1)光敏電阻為純電阻，符合歐姆定律。(2)光照使光敏電阻發(fā)熱，使得在額定功耗內(nèi)工作，其最高使用電壓由其耗散功率所決定，而功耗功率又和其面積大小、散熱情況有關(guān)。(3)伏安特性曲線和負(fù)載線的交點(diǎn)即為光敏電阻的工作點(diǎn)。

在一定的光照下，光敏電阻的光電流與所加的電壓關(guān)系3.2主要特性參數(shù)5.頻率特性3.2主要特性參數(shù)光電導(dǎo)探測(cè)器總的響應(yīng)時(shí)間由探測(cè)器本身響應(yīng)時(shí)間決定，與外接負(fù)載電阻大小無(wú)關(guān)。響應(yīng)時(shí)間：

1.光－電載流子平均壽命

2.外接電路的時(shí)間常數(shù)

5.頻率特性3.2主要特性參數(shù)LoadresistanceRL/

1001kl0k100kResponsetimetr/ms5.45.55.45.4CdSe光電導(dǎo)探測(cè)器：光電導(dǎo)探測(cè)器總的響應(yīng)時(shí)間由探測(cè)器本身響應(yīng)時(shí)間決定，與外接負(fù)載電阻大小無(wú)關(guān)。5.頻率特性

最高頻率

~104HZ≈10KHZ響應(yīng)時(shí)間~ms量級(jí)3.2主要特性參數(shù)響應(yīng)時(shí)間：

1.光－電載流子平均壽命

（較大）

2.外接電路的時(shí)間常數(shù)（可忽略）光電導(dǎo)探測(cè)器的頻率特性差，不適于接收高頻光信號(hào)。C6.光譜特性

峰值波長(zhǎng)在515～600nm，接近555nm，可用于與人眼有關(guān)的儀器，例如照相機(jī)、照度計(jì)、光度計(jì)等，加濾光片進(jìn)行修正3.2主要特性參數(shù)可見(jiàn)光區(qū)靈敏的幾種光敏電阻6.光譜特性紅外區(qū)靈敏的幾種光敏電阻3.2主要特性參數(shù)6.光譜特性3.2主要特性參數(shù)每一種器件都有特定的光譜響應(yīng)波段。常用的光電導(dǎo)探測(cè)器組合起來(lái)后可以覆蓋從可見(jiàn)光、近紅外、中紅外延伸至極遠(yuǎn)紅外波段的光譜響應(yīng)范圍常用光電導(dǎo)探測(cè)器的光譜響應(yīng)示意圖可見(jiàn)光近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外近中紫外波長(zhǎng)增大依據(jù)圖3－10、3－11，表3－2、3－3

7.溫度特性

3.2主要特性參數(shù)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(huì)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(dòng)。尤其是紅外探測(cè)器要采取制冷措施8．前歷效應(yīng)

指光敏電阻的時(shí)間特性與工作前“歷史”有關(guān)的一種現(xiàn)象。即測(cè)試前光敏電阻所處狀態(tài)對(duì)光敏電阻特性的影響。

暗態(tài)前歷效應(yīng)：指光敏電阻測(cè)試或工作前處于暗態(tài)，當(dāng)它突然受到光照后光電流上升的快慢程度。一般，工作電壓越低，光照度越低，則暗態(tài)前歷效應(yīng)就越重。

1-黑暗放置3分鐘后

2-黑暗放置60分鐘后

3-黑暗放置24小時(shí)后3.2主要特性參數(shù)亮態(tài)前歷效應(yīng)：

光敏電阻測(cè)試或工作前已處于亮態(tài)，當(dāng)照度與工作時(shí)所要達(dá)到的照度不同時(shí)，所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象。其效應(yīng)曲線如下圖所示。3.2主要特性參數(shù)9.噪聲特性光敏電阻噪聲：減小噪聲途徑：－－光調(diào)制技術(shù)－－致冷－－合理偏置電路3.2主要特性參數(shù)總結(jié)：常用光電導(dǎo)探測(cè)器

光電導(dǎo)探測(cè)器波長(zhǎng)響應(yīng)范圍按工作波長(zhǎng)：按材料分，兩大類型：本征型光敏電阻

雜質(zhì)型光敏電阻紫外光響應(yīng)可見(jiàn)光響應(yīng)紅外光響應(yīng)紫外光可見(jiàn)光紅外－－極遠(yuǎn)紅外光a.

硫化鎘（CdS）

光譜響應(yīng)：0.3μm~0.8μm，峰值波長(zhǎng)0.52um，響應(yīng)時(shí)間為數(shù)百毫秒。常用于照相機(jī)測(cè)光。

b.硫化鉛（PbS）

光譜響應(yīng)：1μm~3μm，λP=2.4μm，響應(yīng)時(shí)間t=100~300μs。

致冷(195K干冰)條件下，光譜響應(yīng)：1~4μm，λP=2.8μm。

c.銻化錮（InSb）

Eg=0.23，適用于3~5μm的大氣紅外窗口測(cè)量。

d.碲鎘汞（Hg1-xCdxTe）系列改變HgTe和CdTe化合物的組份，可以得到各種響應(yīng)波段的紅外探測(cè)器。如：1~3μm,3~5μm,8~14μm三種三氣窗口。

Eg（ev）=1.59x-0.25+5.233×10-4T(1-2.08x)+0.327x3e.摻雜型（鍺摻雜）

Ge:Au(77K),3~9μm,t=3ms

Ge:Hg(77K),6~14μm,t=0.1ms

Ge:Zn(4.2K),20~40μm,t=2×10-8s常用的光敏電阻CdS光敏電阻

CdS光敏電阻是最常見(jiàn)的光敏電阻，它的光譜響應(yīng)特性最接近人眼光譜光視效率，它在可見(jiàn)光波段范圍內(nèi)的靈敏度最高，因此，被廣泛地應(yīng)用于燈光的自動(dòng)控制，照相機(jī)的自動(dòng)測(cè)光等。

CdS光敏電阻的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為0.52μm，CdSe光敏電阻為0.72μm，一般調(diào)整S和Se的比例，可使Cd（S，Se）光敏電阻的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)大致控制在0.52~0.72μm范圍內(nèi)。PbS光敏電阻

PbS光敏電阻是近紅外波段最靈敏的光電導(dǎo)器件，因此，常用于火災(zāi)的探測(cè)等領(lǐng)域。

PbS光敏電阻的光譜響應(yīng)和比探測(cè)率等特性與工作溫度有關(guān)，隨著工作溫度的降低其峰值響應(yīng)波長(zhǎng)和長(zhǎng)波限將向長(zhǎng)波方向延伸，且比探測(cè)率D*增加。例如，室溫下的PbS光敏電阻的光譜響應(yīng)范圍為1~3.5μm，峰值波長(zhǎng)為2.4μm，峰值比探測(cè)率D*高達(dá)1×1011cm·Hz·W-1。當(dāng)溫度降低到（195K）時(shí)，光譜響應(yīng)范圍為1~4μm，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)移到2.8μm，峰值波長(zhǎng)的比探測(cè)率D*也增高到2×1011cm·Hz·W-1。

InSb光敏電阻

InSb光敏電阻是3~5μm光譜范圍內(nèi)的主要探測(cè)器件之一。

InSb材料不僅適用于制造單元探測(cè)器件，也適宜制造陣列紅外探測(cè)器件。

InSb光敏電阻在室溫下的長(zhǎng)波長(zhǎng)可達(dá)7.5μm，峰值波長(zhǎng)在6μm附近，比探測(cè)率D*約為1×1011cm·Hz·W-1。當(dāng)溫度降低到77K（液氮）時(shí)，其長(zhǎng)波長(zhǎng)由7.5μm縮短到5.5μm，峰值波長(zhǎng)也將移至5μm，恰為大氣的窗口范圍，峰值比探測(cè)率D*升高到2×1011cm·Hz·W-1。Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)探測(cè)器件

Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)探測(cè)器件是目前所有紅外探測(cè)器中性能最優(yōu)良最有前途的探測(cè)器件，尤其是對(duì)于4~8μm大氣窗口波段輻射的探測(cè)更為重要。

Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)體是由HgTe和CdTe兩種材料的晶體混合制造的，其中x標(biāo)明Cd元素含量的組分。在制造混合晶體時(shí)選用不同Cd的組分x，可以得到不同的禁帶寬度Eg，便可以制造出不同波長(zhǎng)響應(yīng)范圍的Hg1-xCdxTe探測(cè)器件。碲鎘汞(HgCdTe)系列光敏電阻Hg1-xCdxTex是Cd含量組分，變化范圍0.18～0.4，長(zhǎng)波限為3～30μmx=0.2，光譜響應(yīng)8～14μmx=0.28，光譜響應(yīng)3～5μmx=0.39，光譜響應(yīng)1～3μm碲鎘汞(HgCdTe)系列光敏電阻Hg1-xCdxTe合金法：CdTe

HgTe

x是Cd含量組分，變化范圍1.8～0.4，長(zhǎng)波限為3～30μmx=0.2，光譜響應(yīng)8～14μmx=0.28，光譜響應(yīng)3～5μmx=0.39，光譜響應(yīng)1～3μm工作溫度3.3偏置電路1．基本偏置電路及直流參數(shù)的計(jì)算2．幾種典型的偏置電路3．光敏電阻應(yīng)用舉例3.1.1基本偏置電路及直流參數(shù)的計(jì)算為使器件正常工作，提供合適的電流或者電壓。TRb+VCCcR偏置電路:例如：意義：1.提高探測(cè)靈敏度2.降低噪聲3.提高頻率響應(yīng)－－偏置電壓－－偏置電阻3.3偏置電路基本偏置電路:直流參數(shù)計(jì)算:1）.計(jì)算Ub,RL2）.計(jì)算ΔΦ對(duì)應(yīng)的輸出電壓3.3偏置電路3.1.1基本偏置電路及直流參數(shù)的計(jì)算1）.計(jì)算Ub,RL3.3偏置電路2）.計(jì)算ΔΦ對(duì)應(yīng)的輸出電壓3.3偏置電路1．恒流偏置電路RL>>RP

特點(diǎn):信噪比高－－弱信號(hào)檢測(cè)3.3偏置電路3.3.2幾種典型偏置電路2．恒壓偏置電路RL<<RP

特點(diǎn):輸出信號(hào)與光敏電阻無(wú)關(guān)－－更換3.3偏置電路3.3.2幾種典型偏置電路光電導(dǎo)效應(yīng)蛇形光敏面特性參數(shù)典型電路

靈敏度高，光電導(dǎo)增益大于1

工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安，無(wú)極性之分光譜響應(yīng)范圍寬，尤其對(duì)紅外有較高的靈敏度所測(cè)光強(qiáng)范圍寬，可測(cè)強(qiáng)光、弱光強(qiáng)光下光電轉(zhuǎn)換線性差光電導(dǎo)弛豫時(shí)間長(zhǎng)溫度影響大特點(diǎn)應(yīng)用恒流偏置恒壓偏置光敏電阻的原理及結(jié)構(gòu)數(shù)碼相機(jī)為什么能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)曝光？數(shù)碼相機(jī)NIKON5數(shù)碼相機(jī)NIKON51照明燈的光電控制電路

繼電器繞組的直流電阻為RJ使繼電器吸合的最小電流為Imin光敏電阻的光電導(dǎo)靈敏度為Sg暗電導(dǎo)go=0應(yīng)用電路舉例CKVDRCdS常閉燈~(yú)220V半波整流測(cè)光與控制執(zhí)行控制2火焰探測(cè)報(bào)警器圖所示為采用光敏電阻為探測(cè)元件的火焰探測(cè)報(bào)警器電路圖。PbS光敏電阻的暗電阻的阻值為1MΩ，亮電阻的阻值為0.2MΩ(幅照度1mw/cm2下測(cè)試)，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為2.2μm，恰為火焰的峰值輻射光譜。

前置放大器VT1集電極電壓變化量？3照相機(jī)電子快門(mén)

圖所示為利用光敏電阻構(gòu)成的照相機(jī)自動(dòng)曝光控制電路，也稱為照相機(jī)電子快門(mén)。

電子快門(mén)常用于電子程序快門(mén)的照相機(jī)中，其中測(cè)光器件常采用與人眼光譜響應(yīng)接近的硫化鎘(CdS)光敏電阻。照相機(jī)曝光控制電路是由光敏電阻R、開(kāi)關(guān)K和電容C1構(gòu)成的充電電路，時(shí)間檢出電路(電壓比較器)，三極管T構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)放大電路，電磁鐵M帶動(dòng)的開(kāi)門(mén)葉片（執(zhí)行單元）等組成。

3照相機(jī)電子快門(mén)

VR=Ubb[1－exp(－t/τ)]

式中τ為電路的時(shí)間常數(shù)

τ=（RW2+R）C

光敏電阻的阻值R與入射的光照度EV有關(guān)

當(dāng)電容C兩端的電壓UC充電到一定的電位（VR≥Vth）時(shí)，電壓比較器的輸出電壓將由高變低，三極管T截止而使電磁鐵斷電，快門(mén)葉片又重新關(guān)閉。

快門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間t可由下式推出

t=（RW2+R）C·ln

Ubb/Vth

設(shè)Ubb=12V，Rw1=5.1kΩ，Rw2=8.2kΩ

C1=1uF,CdS的光電導(dǎo)靈敏度為Sg=0.5x10-6S/lx,暗電導(dǎo)g0=5x10-8S，求景物照度為2lx時(shí)快門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間？（Uth=1.5V）t=（RW2+R）C·ln

Ubb/Vth

4.臺(tái)燈自動(dòng)開(kāi)關(guān)5.用光線控制電扇開(kāi)關(guān)3．光電導(dǎo)探測(cè)器噪聲主要包括：熱噪聲、g-r噪聲和1／f噪聲本章小結(jié)：1．利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)制成的器件稱為光電導(dǎo)探測(cè)器：

本征光電導(dǎo)探測(cè)器和雜質(zhì)光電導(dǎo)探測(cè)器光譜響應(yīng)范圍可從紫外－－遠(yuǎn)紅外波段2．光電流Ip=(eη/hv)MΦ，M－內(nèi)增益，與器件材料、性質(zhì)和外加電場(chǎng)大小有關(guān)4．上限截止頻率fc或響應(yīng)時(shí)間τ，與光電導(dǎo)探測(cè)器的光生載流子的平均壽命有關(guān)。響應(yīng)頻率僅在幾兆赫的數(shù)量級(jí)。5．偏置電路：恒流電路、恒壓電路、交流等效電路例1、在如圖所示的電路中，已知Re=3.3kΩ，UW=4V，Ubb=12V；光敏電阻為RP，當(dāng)光照度為30lx時(shí)輸出電壓為6V，80lx時(shí)為9V。（設(shè)該光敏電阻在30到100lx之間的值不變）

試求：

輸出電壓為8V時(shí)的照度為多少lx？