光电技术第2章第1节

1、本章的主要内容涉及本章的主要内容涉及光敏电阻光敏电阻的工作原的工作原理、基本特性、几种常用的光敏电阻和理、基本特性、几种常用的光敏电阻和基本偏置电路，最后例举了光敏电阻在基本偏置电路，最后例举了光敏电阻在相机自动暴光和电路控制中的应用相机自动暴光和电路控制中的应用 第第2 2章章 光电导器件光电导器件 重点：重点：1 1、 影响光敏电阻光电流大小的因素；影响光敏电阻光电流大小的因素；2 2、 光敏电阻的光电特性；光敏电阻的光电特性；3 3 、光敏电阻的阻值计算；、光敏电阻的阻值计算；4 4 、光敏电阻在电路控制中的应用；、光敏电阻在电路控制中的应用；难点：光敏电阻的难点：光敏电阻的阻值计算阻值

2、计算。 第第2 2章章 光电导器件光电导器件 第第2 2章章 光电导器件光电导器件 利用具有光电导效应的材料（如硅、锗等本征半导体利用具有光电导效应的材料（如硅、锗等本征半导体与杂质半导体，硫化镉、硒化镉、氧化铅等）可以制成与杂质半导体，硫化镉、硒化镉、氧化铅等）可以制成电导随入射光度量变化器件，称为电导随入射光度量变化器件，称为光电导器件光电导器件（光敏电光敏电阻阻）。）。 光敏电阻具有体积小，坚固耐用，价格低廉，光谱光敏电阻具有体积小，坚固耐用，价格低廉，光谱响应范围宽等优点。广泛应用于响应范围宽等优点。广泛应用于微弱辐射信号微弱辐射信号的探测领的探测领域。域。 光敏电阻的光敏电阻的优点优

3、点：1 1、光谱响应范围宽；、光谱响应范围宽；2 2、工作电流大，可达数毫安；、工作电流大，可达数毫安；3 3、所测光强范围宽；、所测光强范围宽；4 4、灵敏度高；、灵敏度高；5 5、偏置电压低，无极性之分，使用方便；、偏置电压低，无极性之分，使用方便；缺点缺点：在强辐射下光电转换线性差；光电驰豫：在强辐射下光电转换线性差；光电驰豫过程长；频率响应低。使用时需要有外部电过程长；频率响应低。使用时需要有外部电源，同时当有电流通过它时，会产生热的问源，同时当有电流通过它时，会产生热的问题。题。2.1 2.1 光敏电阻的原理与结构光敏电阻的原理与结构 2.1.1 2.1.1 光敏电阻的基本原理光敏电

4、阻的基本原理 当光敏电阻的两当光敏电阻的两端加上适当的偏置端加上适当的偏置电压电压U Ubbbb（如图（如图2-12-1所示的电路）后，所示的电路）后，便有电流便有电流I Ip p流过，流过，用检流计可以检测用检流计可以检测到该电流。到该电流。 2.1.2 2.1.2 光敏电阻的基本结构光敏电阻的基本结构 2hclqdg dS, eg2121321, ef, eglKhbdqddgS2.1.3 2.1.3 典型光敏电阻典型光敏电阻 1 1、CdSCdS光敏电阻光敏电阻 CdS CdS光敏电阻是最常见的光敏电阻，光敏电阻是最常见的光敏电阻， 其光谱响应特其光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率性最接

5、近人眼光谱光视效率, ,它在它在可见光波段范围内的灵可见光波段范围内的灵敏度最高敏度最高，因此，被广泛地应用于灯光的自动控制，照，因此，被广泛地应用于灯光的自动控制，照相机的自动测光等。相机的自动测光等。 CdS CdS光敏电阻的峰值响应波长为光敏电阻的峰值响应波长为0.520.52mm CdS CdS光敏电阻的光敏面常为如图光敏电阻的光敏面常为如图2-22-2（b b）所示的）所示的蛇形蛇形光敏面结构。光敏面结构。 2 2、PbSPbS光敏电阻光敏电阻 PbS PbS光敏电阻是光敏电阻是近红外波段最灵敏近红外波段最灵敏的光电导器件。的光电导器件。 PbS PbS光敏电阻在光敏电阻在2m2m附

6、近的红外辐射的探测灵敏度很附近的红外辐射的探测灵敏度很高，因此，常用于高，因此，常用于 的探测等领域。的探测等领域。 PbS PbS光敏电阻的光谱响应特性与工作温度有关，光敏电阻的光谱响应特性与工作温度有关，随着随着工作温度的降低其峰值响应波长和长波限将向长波方向工作温度的降低其峰值响应波长和长波限将向长波方向延伸延伸。例如，室温下的。例如，室温下的PbSPbS光敏电阻的光谱响应范围为光敏电阻的光谱响应范围为13.5m13.5m，峰值波长为，峰值波长为2.4m2.4m。当温度降低到（。当温度降低到（195K195K）时，光谱响应范围为时，光谱响应范围为14m14m，峰值响应波长移到，峰值响应波

7、长移到2.8m2.8m。 3 3、InSbInSb光敏电阻光敏电阻 InSb InSb光敏电阻是光敏电阻是35m35m光谱范围内（光谱范围内（大气窗口范围大气窗口范围）的主）的主要探测器件之一。要探测器件之一。 InSb InSb材料不仅适用于制造单元探测器件，也适宜制造材料不仅适用于制造单元探测器件，也适宜制造阵列红外探测器件。阵列红外探测器件。 InSb InSb光敏电阻在室温下的长波限可达光敏电阻在室温下的长波限可达7.5m7.5m，峰值波，峰值波长在长在6m6m附近。当温度降低到附近。当温度降低到77K77K（液氮）时，其长波限（液氮）时，其长波限由由7.5m7.5m缩短到缩短到5.5

8、m5.5m，峰值波长也将移至，峰值波长也将移至5m5m。 4 4、HgHg1-x1-xCdCdx xTeTe系列光电导探测器件系列光电导探测器件 Hg Hg1-x1-xCdCdx xTeTe系列光电导探测器件是目前所有红外探测系列光电导探测器件是目前所有红外探测器中性能器中性能最优良最有前途最优良最有前途的探测器件，尤其是对于的探测器件，尤其是对于48m48m大气窗口波段辐射的探测更为重要。大气窗口波段辐射的探测更为重要。 HgHg1-x1-xCdCdx xTeTe系列光电导体是由系列光电导体是由HgTeHgTe和和CdTeCdTe两种材料的晶体混合两种材料的晶体混合制造的，其中制造的，其中x

9、 x标明标明CdCd元素含量的组分。在制造混合晶体时选用不元素含量的组分。在制造混合晶体时选用不同同CdCd的组分的组分x x，可以得到不同的禁带宽度，可以得到不同的禁带宽度E Eg g，便可以制造出不同波，便可以制造出不同波长响应范围的长响应范围的HgHg1-x1-xCdCdx xTeTe探测器件。一般组分探测器件。一般组分x x的变化范围为的变化范围为0.180.40.180.4，长波限的变化范围为，长波限的变化范围为130m130m。 (1) (1) 暗电阻暗电阻 光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻， 此时流过的电流称为此时流过的电流称为暗电流

10、暗电流。 暗电导暗电导 光敏电阻在不受光照射时的电导称为暗电导。光敏电阻在不受光照射时的电导称为暗电导。 (2) (2) 亮电阻亮电阻 光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为时流过的电流称为亮电流亮电流。 亮电导亮电导 光敏电阻在受光照射时的电导称为亮电导光敏电阻在受光照射时的电导称为亮电导 (3) (3) 光电流光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。 2.2 2.2 光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性 光敏电阻的基本特性参数包含光敏电阻的基本特性参数包含光电特性、时间响应、光谱响应、光电特性、时间响应、

11、光谱响应、伏安特性与噪声特性伏安特性与噪声特性等。等。 光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数 实际上，光敏电阻在弱辐射到强辐射的作用下，它的光电实际上，光敏电阻在弱辐射到强辐射的作用下，它的光电特性可用在特性可用在“恒定电压恒定电压”作用下流过光敏电阻的电流作用下流过光敏电阻的电流Ip与作用与作用到光敏电阻上的光照度到光敏电阻上的光照度E的关系曲线来描述（的关系曲线来描述（光电流与照度的光电流与照度的关系关系称为光电特性）。称为光电特性）。 , e2lhqg 21,213eflKhbdqg光敏电阻的光电导灵敏度定义为光敏电阻的光电导灵敏度定义为光电导与输入的光照度之比光电导与输入的光照度之比。

12、AgAgEgSpppg2.2.1 2.2.1 光电特性光电特性 在恒定电压的作用下，流过光敏电阻的光电流在恒定电压的作用下，流过光敏电阻的光电流I Ip p为为 EUSUgIgpp式中式中S Sg g为光电导灵敏度，为光电导灵敏度，E E为光为光敏电阻的照度。显然，当照度很敏电阻的照度。显然，当照度很低时，曲线近似为线性；随照度低时，曲线近似为线性；随照度的增高，线性关系变坏，当照度的增高，线性关系变坏，当照度变得很高时，曲线近似为抛物线。变得很高时，曲线近似为抛物线。 光敏电阻的光电特性可用一个随光度量变化的指数光敏电阻的光电特性可用一个随光度量变化的指数因子伽玛（因子伽玛（）来描述，并定义

13、）来描述，并定义为光电转换因子。为光电转换因子。EUSUgIgpp光电转换因子在弱光电转换因子在弱辐射作用的情况下辐射作用的情况下为为1 1（=1=1），随着），随着入射辐射的增强，入射辐射的增强，值减小，当入射值减小，当入射辐射很强时辐射很强时值降值降低到低到0.50.5。图图2-4 (a)2-4 (a)为为线性线性直角坐标系中光敏电阻的阻值直角坐标系中光敏电阻的阻值R R与入射照度与入射照度E EV V的关的关系曲线，而系曲线，而(b)(b)为为对数对数直角坐标系下的阻值直角坐标系下的阻值R R与入射照度与入射照度E EV V的关系曲的关系曲线。线。 如图如图2-4(b)2-4(b)所示的

14、对数坐标系中光敏电阻的阻值所示的对数坐标系中光敏电阻的阻值R R在某段照度在某段照度E EV V范围内的光电特性表现为线性，即（范围内的光电特性表现为线性，即（2-22-2）式中的）式中的保持不变保持不变。 值为对数坐标下特性曲线的斜率。即值为对数坐标下特性曲线的斜率。即 1221ElgElgRlgRlg（2-3） R R1 1与与R R2 2分别是照度为分别是照度为E E1 1和和E E2 2时光敏电阻的阻值。时光敏电阻的阻值。 2.2.22.2.2 伏安特性伏安特性 在在一定照度一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电

15、阻的伏安特性。系称为光敏电阻的伏安特性。图图2-52-5所示为典型所示为典型CdSCdS光敏电阻的伏安特性曲线光敏电阻的伏安特性曲线 。光敏电阻在一定光敏电阻在一定的照度下，其的照度下，其I-UI-U曲线为直线曲线为直线。说。说明其阻值与入射明其阻值与入射光量有关，而与光量有关，而与电压电流无关。电压电流无关。2.2.3 2.2.3 温度特性温度特性 光敏电阻为光敏电阻为多数载流子导电多数载流子导电的光电器件，具有复杂的的光电器件，具有复杂的温度特性。温度特性。 以室温（以室温（2525）的相对光电导率）的相对光电导率为为100%100%，观测光敏电阻的，观测光敏电阻的相对光相对光电导率随温度

16、电导率随温度的变化关系，可以的变化关系，可以看出光敏电阻的相对光电导率看出光敏电阻的相对光电导率随随温度的升高而下降温度的升高而下降，光电响应特，光电响应特性随着温度的变化较大。光敏电性随着温度的变化较大。光敏电阻的光谱特性也有很大影响，随阻的光谱特性也有很大影响，随温度升高，温度升高，峰值波长向短波峰值波长向短波方向方向移动。移动。( (暗电阻随温度升高而下降暗电阻随温度升高而下降) )2.2.4 2.2.4 时间响应时间响应( (与入射光的照度、所加电压、负载电阻与入射光的照度、所加电压、负载电阻及照度变化前所经历的时间等因素有关及照度变化前所经历的时间等因素有关) ) 光敏电阻的时间响应

17、（又称为惯性）比其他光电光敏电阻的时间响应（又称为惯性）比其他光电器件要差（惯性要大）些，频率响应要低些。当用一个器件要差（惯性要大）些，频率响应要低些。当用一个理想方波脉冲辐射理想方波脉冲辐射照射光敏电阻时，光生电子要有产生照射光敏电阻时，光生电子要有产生的过程，光生电导率的过程，光生电导率要经过一定的时间才能达到稳要经过一定的时间才能达到稳定。当停止辐射时，复合光生载流子也需要时间，表现定。当停止辐射时，复合光生载流子也需要时间，表现出光敏电阻具有较大的惯性。通常用响应时间来描述。出光敏电阻具有较大的惯性。通常用响应时间来描述。响应时间又分为响应时间又分为上升时间和下降时间上升时间和下降时

18、间。 光敏电阻的惯性与入射辐射信号的强弱有关光敏电阻的惯性与入射辐射信号的强弱有关1.1.弱辐射弱辐射作用情况下的时间响应作用情况下的时间响应 00t0t=0对于本征光电导器件在非平衡状态对于本征光电导器件在非平衡状态下光电导率下光电导率和光电流和光电流I I随时间随时间变化的规律为变化的规律为 )1 (, eteNn)1 (/0te)1 (/0teII(2-4)(2-5)当当t t=r r时，时， =0.630，I=0.63Ie0； r r定义为光敏电阻的上升时间常数定义为光敏电阻的上升时间常数 停止辐射时，入射辐射通量停止辐射时，入射辐射通量e e与时间的关系为与时间的关系为00t=0t0

19、nq 光电导率和光电流随时间变化的规律为光电导率和光电流随时间变化的规律为 /0te/0teII（2-6） （2-7） 显然，光敏电阻在弱辐射作用显然，光敏电阻在弱辐射作用下的上升时间常数下的上升时间常数r r与下降时与下降时间常数间常数f f近似相等近似相等。 2.2.强辐射作用情况下的时间响应强辐射作用情况下的时间响应 0000t=0t0t=0t0（2-8） （2-9） 光敏电阻电导率的变化规律为光敏电阻电导率的变化规律为 ttanhKNnfe,21ttanh0tIItanh0其光电流的变化规律为其光电流的变化规律为 （2-10） （2-11） 停止辐射时光电导率和光电流停止辐射时光电导率

20、和光电流的变化规律可表示为的变化规律可表示为 /110t/110tII当当t t=r r时，时， =0.76=0.760 0，I I=0.76I=0.76Ie0e0； r r定义为光敏电阻在强辐射作用下的上升时间常数；光敏电阻定义为光敏电阻在强辐射作用下的上升时间常数；光敏电阻的光电流下降到稳态值的的光电流下降到稳态值的5050所需要的时间定义为光敏电阻的所需要的时间定义为光敏电阻的下降时间常数下降时间常数f f nq 前历效应（前历效应（光敏电阻的时间特性与工作前光敏电阻的时间特性与工作前“历史历史”有关有关）暗态前历效应（工作前处于暗态）暗态前历效应（工作前处于暗态）：暗态前历越长，：暗态

21、前历越长，光电流上升越慢。一般，工作电压越低，光照度越光电流上升越慢。一般，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越显著。低，则暗态前历效应就越显著。亮态前历效应（工作前已处于亮态）亮态前历效应（工作前已处于亮态）：当照度与工作：当照度与工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象。时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象。一般，亮电阻由高照度状态变为低照度状态达到稳定一般，亮电阻由高照度状态变为低照度状态达到稳定值时所需要的时间要比由低照度状态变为高照度状值时所需要的时间要比由低照度状态变为高照度状态所需要的时间要短。态所需要的时间要短。2.2.5 2.2.5 噪声特性噪声特性 光敏电阻的主要噪声有光敏电阻的主要噪声有热噪声、产生复合热噪声、产生复合和低频噪声和低频噪声( (