当前课程知识点：集成传感器 > 第六章（上） > 第2节 光电导效应与光敏电阻 > 6-2 光电导效应与光敏电阻
这一讲将向大家介绍
几种不同类型的集成光传感器
例如这个表所总结的
其中光探测器
是基本的探测不同波长的
光的光强信号的传感器
它包括光敏电阻
光敏二极管 三极管
以及光电池
颜色传感器能够给出
光波的波长信息
图像传感器是光探测器阵列
然后可以得到图像
或者视频信息
从光探测器像素的工作原理上分
可以有CCD图像传感器
和CMOS图像传感器两类
光传感器在我们的社会生活中
有大量的应用
应用领域涵盖了
生活的方方面面
有些光传感器的应用
则是利用某些物理量
与光信号之间的相互作用
对这些物理量实现光学检测
光探测器用于
对这些光信号的读取
例如利用光原理的转速
速度 位移 距离
浊度 应力等传感器
还有各种荧光
光谱检测系统等等
此外 光波还可以作为
信息传输的载体
利用光纤通信和空间光通信
这些系统都需要各种各样的
光探测器读取信息
因此
光传感器的应用极其广泛
从科学研究到航空航天
工业生产 消费电子
到生态环境
医疗健康
甚至考古研究
都离不开光传感器的应用
下面我们介绍光敏电阻
在介绍光敏电阻之前
先来回顾一下
它的基本工作原理
也即是光电导效应
根据半导体的能带理论
只有导带中的电子
和价带中的空穴
才能够起导电作用
当半导体受到光辐射时
吸收的光子能量
有可能使价带电子
跃迁到导带
而产生非平衡电子
在价带中产生同样数量的
非平衡空穴
这就是光生非平衡电子空穴对
由于它们分别处于导带和价带
都对电导有贡献
因此 称作光生非平衡载流子
显然 光生非平衡载流子
将使半导体的电导率增大
这种现象就是光电导效应
是不是所有的光波
照射到半导体材料上
都会产生光电导效应呢
显然不是的
产生光电导效应的条件
是光子的能量要大于
或等于半导体的禁带宽度
也就是要满足左边这个式子
这个式子中υ和λ
分别为入射光的
频率和波长
h和c分别为普朗克常数
和真空中的光速
所以对于一种半导体材料
总存在一个照射光的长波线λ0
满足这样一个公式
只有波长小于λ0的光
照射在半导体上时
才能产生电子能带间的跃迁
从而使电导率增加
光电导作用的强弱
是用电导率的相对变化来表征的
也就是这个式子
在这个式子中
Δσph为光照产生的光生
非平衡电子和空穴
贡献的附加电导
称为光电导
式子中的Δn和Δp分别为
光生非平衡电子和空穴的浓度
式子中的分母σ0
为半导体在没有光照
情况下的电导率
即所谓的暗电导
它取决于一定温度下
半导体材料中平衡电子
和空穴的浓度
从刚才的式子可以看出
光电导与暗电导比值越大
光电导的作用越强
反之就越弱
因此选择平衡电子浓度n0
和空穴p0小的半导体材料
可以获得比较强的光电导作用
如果半导体材料的禁带宽度
比较窄
由于热激发的作用
材料内部会有较多的电子和空穴
使得光电导作用不再明显
对于禁带比较宽的半导体材料
室温下
热激发的电子和空穴较少
使其暗电导比较小
相应的光照引起的附加电导
作用则会十分明显
因此利用禁带宽度较宽的
半导体材料
制作光敏电阻传感器
有利于在室温下
获得较小的暗电导
和较高的传感器灵敏度
例如常用的制作光敏电阻的
半导体材料
硫化镉
它的禁带宽度为2.4个电子伏特
对应的光传感器的长波限
大概为0.516μm
硒化镉的禁带宽度
为1.8电子伏特
对应的光传感器长波线
约为0.69μm
一般情况下
可见光
或者近红外光
透入半导体的深度比较浅
光激发载流子主要发生在
光照表面的薄层内
因此要增大光敏电阻
传感器的灵敏度
半导体材料应该比较薄
实际的光敏电阻
都是利用薄膜材料而制成的
光敏电阻是一个
纯粹的电阻器件
它没有极性
使用时可以加直流偏压
也可以加交流偏压
当没有光照的时候
光敏电阻的阻值会很大
电流很小
当光敏电阻受到一定波长
范围内的光波照射时
它的阻值会急剧减小
电流迅速增加
因此可以根据光敏电阻上
电流变化的大小
来检测光的有无和强弱
如果对光敏电阻施加电压V的话
同时用功率为Popt的光照射
那么光敏电阻上的电流
可以用这个式子来进行计算
式子中η为量子效率
它表示每个光子
产生载流子的数目
L为光敏电阻
两个电极之间的距离
τ为载流子的寿命
μn为载流子的迁移率
从光敏电阻的电流公式
我们可以看出式子右边的前两项
即表示单位时间内
入射光波Popt产生的
光生电荷量
也就是原始光电流
式子的第三项
为这个光敏电阻的光电流增益
而光电流增益
还可以表示为载流子寿命
与渡越时间的比值
对于少数载流者子的寿命长
电极间距小的光敏电阻
光电流增益
可能会远大于1
有的甚至高达10的6次方
光敏电阻的响应时间
由渡越时间tr决定
根据渡越时间的公式
我们可以知道
为了提高响应速率
必须减小电阻电极之间的距离
并提高电阻中的场强
或者说偏置电压
这个图是光敏电阻器件的照片
和它的电学符号
由于光电导效应只限于
光照的表面层
光电半导体材料
一般都做成薄膜
为了获得高灵敏度
提高光电流增益
光敏电阻的电极
一般采用梳状结构
从而缩短电极之间的距离
电极和光电半导体之间
呈欧姆接触
这个图是典型的光敏电阻
器件的光电特性曲线
这三条曲线分别表示
几个不同半导体材料
包括硫化镉
硒化镉
硫硒化镉材料的
光敏电阻器件
它的光谱响应
对于不同的半导体材料
它具有不同的禁带宽度
它对应的长波限
也是不尽相同的
-第1节 什么是传感器
-第2节 什么是集成传感器
-第3节 集成传感器的应用
-第4节 硅材料与半导体物理简介
-第5节 半导体器件简介
-第1节 集成力传感器
-第2节 集成压阻压力传感器
-第3节 电容式力传感器
-第二章--习题
-第1节 温度传感器简介
-第2节 硅热敏电阻
-第3节 PN结温度传感器
-第4节 双极型晶体管温度传感器
-第5节 热电传感器
-第三章--习题
-第1节 湿度传感器简介
-第2节 湿度的定义与检测方法
-第3节 多种原理的集成湿度传感器-1
-第4节 多种原理的集成湿度传感器-2
-第四章--习题
-第1节 磁传感器简介
-第2节 霍尔效应
--5-2 霍尔效应
-第3节 霍尔传感器的设计
-第4节 霍尔传感器的示例
-第五章（上）--习题
-第5节 磁电阻传感器
-第6节 磁敏二极管
-第7节 磁敏三极管
-第五章（下）--习题
-第1节 光波与光传感器简介
-第2节 光电导效应与光敏电阻
-第3节 光敏二极管和三极管-1
-第六章（上）--习题
-第4节 光敏二极管和三极管-2
-第5节 光电池
--6-5 光电池
-第6节 图像传感器
-第六章（下）--习题
-第1节 气体传感器概述
--Video
-第2节 气体传感器分类及性能指标
--Video
-第3节 接触（催化）燃烧式气体传感器
--Video
-第4节 电阻式金属氧化物半导体传感器
--Video
-第5节 电化学式气体传感器
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-第6节 MOSFET型气体传感器
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-第7节 集成气体传感器实例和未来
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--Video
-第七章（下）--习题
-讨论一
-讨论二
-讨论三
-第一部分 引言与智能传感器
--Video
-第二部分 无线传感网络、总结与展望
--Video
-第八章--习题
-讨论一
-讨论二
-讨论三
