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1、3.2 3.2 光电导探测器光电导探测器(PC-Photoconductive).1光敏电阻的工作原理和结构光敏电阻的工作原理和结构.2光敏电阻的特性参数光敏电阻的特性参数.3光敏电阻的变换电路光敏电阻的变换电路.4光敏电阻的应用实例光敏电阻的应用实例 某某某某些些些些物物物物质质质质吸吸吸吸收收收收了了了了光光光光子子子子的的的的能能能能量量量量产产产产生生生生本本本本征征征征吸吸吸吸收收收收或或或或杂杂杂杂质质质质吸吸吸吸收收收收，从从从从而而而而改改改改变变变变了了了了物物物物质质质质电电电电导导导导率率率率的的的的现现现现象象象象称称称称为为为为物物物物质质质质的的的的光光光光电电电电
2、导导导导效效效效应应应应。利利利利用用用用具具具具有有有有光光光光电电电电导导导导效效效效应应应应的的的的材材材材料料料料（如如如如硅硅硅硅、锗锗锗锗等等等等本本本本征征征征半半半半导导导导体体体体与与与与杂杂杂杂质质质质半半半半导导导导体体体体，硫硫硫硫化化化化镉镉镉镉、硒硒硒硒化化化化镉镉镉镉、氧氧氧氧化化化化铅铅铅铅等等等等）可可可可以以以以制制制制成成成成电电电电导导导导随随随随入入入入射射射射光光光光度度度度量量量量变变变变化化化化器器器器件件件件，称称称称为为为为光光光光电电电电导导导导器器器器件。件。件。件。最典型的光电导器件是光敏电阻。最典型的光电导器件是光敏电阻。最典型的光电
3、导器件是光敏电阻。最典型的光电导器件是光敏电阻。光敏电阻光敏电阻 当光敏电阻受到光照时，当光敏电阻受到光照时，当光敏电阻受到光照时，当光敏电阻受到光照时，阻值减小。阻值减小。阻值减小。阻值减小。光电导效应：在光光电导效应：在光作用下使物体的电作用下使物体的电阻率改变的现象阻率改变的现象.光敏电阻有以下优点：光敏电阻有以下优点：光敏电阻有以下优点：光敏电阻有以下优点：光谱响应相当宽。光谱响应相当宽。光谱响应相当宽。光谱响应相当宽。根据光电导材料的不同，有的根据光电导材料的不同，有的根据光电导材料的不同，有的根据光电导材料的不同，有的在可见光区灵敏，有的灵敏区可达红外区或远红在可见光区灵敏，有的灵
4、敏区可达红外区或远红在可见光区灵敏，有的灵敏区可达红外区或远红在可见光区灵敏，有的灵敏区可达红外区或远红外区。外区。外区。外区。所测的光强范围宽，即可对强光响应，也可对弱所测的光强范围宽，即可对强光响应，也可对弱所测的光强范围宽，即可对强光响应，也可对弱所测的光强范围宽，即可对强光响应，也可对弱光响应。光响应。光响应。光响应。无极性之分，使用方便，成本低，寿命长。无极性之分，使用方便，成本低，寿命长。无极性之分，使用方便，成本低，寿命长。无极性之分，使用方便，成本低，寿命长。灵敏度高，工作电流大，可达数毫安。灵敏度高，工作电流大，可达数毫安。灵敏度高，工作电流大，可达数毫安。灵敏度高，工作电流
5、大，可达数毫安。光敏电阻的不足之处光敏电阻的不足之处光敏电阻的不足之处光敏电阻的不足之处：强光照射下线性较差，频率特性也较差。强光照射下线性较差，频率特性也较差。强光照射下线性较差，频率特性也较差。强光照射下线性较差，频率特性也较差。.1光敏电阻的工作原理和结构光敏电阻的工作原理和结构图所示为光敏电阻的原理图与光敏电阻的符号，在均图所示为光敏电阻的原理图与光敏电阻的符号，在均匀的具有光电导效应的半导体材料的两端加上电极便匀的具有光电导效应的半导体材料的两端加上电极便构成光敏电阻。构成光敏电阻。当光敏电阻的两端加当光敏电阻的两端加上适当的偏置电压上适当的偏置电压Ubb后，当光照射到光电后，当光照
6、射到光电导体上，由光照产生导体上，由光照产生的光生载流子在外加的光生载流子在外加电场作用下沿一定方电场作用下沿一定方向运动，在电路中产向运动，在电路中产生电流生电流Ip，用检流计可，用检流计可以检测到该电流。以检测到该电流。一。光敏电阻工作原理一。光敏电阻工作原理光敏电阻演示光敏电阻演示当光敏电阻当光敏电阻受到光照时，受到光照时，光生电子光生电子空空穴对增加，阻穴对增加，阻值减小，电流值减小，电流增大。增大。暗电流（越小越好）暗电流（越小越好）光电导增益参见光电导增益参见书上推导过程书上推导过程p173p175M1的理解的理解光电导内增益光电导内增益说明载流子已经渡越完毕，但载流子的平均寿命还
7、未说明载流子已经渡越完毕，但载流子的平均寿命还未中止。这种现象可以这样理解：光生电子向正极运动，中止。这种现象可以这样理解：光生电子向正极运动，空穴向负极运动，可是空穴的移动可能被晶体缺陷和空穴向负极运动，可是空穴的移动可能被晶体缺陷和杂质形成的俘获中心陷阱所俘获。因此，当电子到杂质形成的俘获中心陷阱所俘获。因此，当电子到达正极消失时，陷阱俘获的正电中心（空穴）仍留在达正极消失时，陷阱俘获的正电中心（空穴）仍留在体内，它又会将负电极的电子感应到半导体中来，被体内，它又会将负电极的电子感应到半导体中来，被诱导进来的电子又在电场中运动到正极，如此循环直诱导进来的电子又在电场中运动到正极，如此循环直
8、到正电中心消失。这就相当放大了初始的光生电流。到正电中心消失。这就相当放大了初始的光生电流。如何提高如何提高M光电导内增益光电导内增益选用平均寿命长、迁移率大的半导体材料；选用平均寿命长、迁移率大的半导体材料；减少电极间距离；减少电极间距离；加大偏压加大偏压光敏电阻分类本征型掺杂型入射光子的能量大于或等于入射光子的能量大于或等于入射光子的能量大于或等于入射光子的能量大于或等于半导体的禁带宽度时能激发半导体的禁带宽度时能激发半导体的禁带宽度时能激发半导体的禁带宽度时能激发电子空穴对电子空穴对电子空穴对电子空穴对EcEvEg入射光子的能量大于或等入射光子的能量大于或等入射光子的能量大于或等入射光子
9、的能量大于或等于杂质电离能时就能激发于杂质电离能时就能激发于杂质电离能时就能激发于杂质电离能时就能激发电子空穴对电子空穴对电子空穴对电子空穴对EcEvEg常用于可见光波段测试常用于可见光波段测试常用于可见光波段测试常用于可见光波段测试常用于红外波段甚至远红外测试常用于红外波段甚至远红外测试常用于红外波段甚至远红外测试常用于红外波段甚至远红外测试光电导器件材料光电导器件材料光电导器件材料光电导器件材料禁带宽度禁带宽度禁带宽度禁带宽度（eVeV）光谱响应范围光谱响应范围光谱响应范围光谱响应范围（nmnm）峰值波长峰值波长峰值波长峰值波长（nmnm）硫化镉（硫化镉（硫化镉（硫化镉（CdSCdS）2.
10、452.45400400800800515515550550硒化镉（硒化镉（硒化镉（硒化镉（CdSeCdSe）1.741.74680680750750720720730730硫化铅（硫化铅（硫化铅（硫化铅（PbSPbS）0.400.405005003000300020002000碲化铅（碲化铅（碲化铅（碲化铅（PbTePbTe）0.310.316006004500450022002200硒化铅（硒化铅（硒化铅（硒化铅（PbSePbSe）0.250.257007005800580040004000硅（硅（硅（硅（SiSi）1.121.1245045011001100850850锗（锗（锗（锗（G
11、eGe）0.660.665505501800180015401540锑化铟（锑化铟（锑化铟（锑化铟（InSbInSb）0.160.166006007000700055005500砷化铟（砷化铟（砷化铟（砷化铟（InAsInAs）0.330.33100010004000400035003500常用光电导材料常用光电导材料每一种半导体或绝缘体都有一定的光电导效应，但只有其中一部分材料每一种半导体或绝缘体都有一定的光电导效应，但只有其中一部分材料经过特殊处理，掺进适当杂质，才有明显的光电导效应。现在使用的光经过特殊处理，掺进适当杂质，才有明显的光电导效应。现在使用的光电导材料有电导材料有-族、族、-
12、族化合物，硅、锗等，以及一些有机物。族化合物，硅、锗等，以及一些有机物。光敏电阻的结构是在一块光电导体两端加上电极，贴在硬质玻光敏电阻的结构是在一块光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其它绝缘材料基板上，两端接电极引线，封装璃、云母、高频瓷或其它绝缘材料基板上，两端接电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。在带有窗口的金属或塑料外壳内。二二.光敏电阻的基本结构光敏电阻的基本结构光敏面作成蛇形，电极是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或光敏面作成蛇形，电极是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。这种梳状电极可以保证有较大的受光表面，也可铟等金属形成的。这种梳状电极
13、可以保证有较大的受光表面，也可以减小电极之间距离，从而减小极间电子渡越时间，提高灵敏度。以减小电极之间距离，从而减小极间电子渡越时间，提高灵敏度。1-光导层;2-玻璃窗口;3-金属外壳;4-电极;5-陶瓷基座;6-黑色绝缘玻璃;7-电阻引线。RG12 34567(a)结构(b)电极(c)符号CdS光敏电阻的结构和符号（a a a a）梳状结构：梳形电极间距很小，之间为光敏电阻材料，灵敏度高。）梳状结构：梳形电极间距很小，之间为光敏电阻材料，灵敏度高。）梳状结构：梳形电极间距很小，之间为光敏电阻材料，灵敏度高。）梳状结构：梳形电极间距很小，之间为光敏电阻材料，灵敏度高。（b b b b）蛇形结构
14、：光敏面为蛇形，两侧为金属导电材料，并在其上设置电极。）蛇形结构：光敏面为蛇形，两侧为金属导电材料，并在其上设置电极。）蛇形结构：光敏面为蛇形，两侧为金属导电材料，并在其上设置电极。）蛇形结构：光敏面为蛇形，两侧为金属导电材料，并在其上设置电极。（c c c c）刻线式结构：在制备好的光敏电阻衬基上刻出狭窄的光敏材料条，再蒸涂）刻线式结构：在制备好的光敏电阻衬基上刻出狭窄的光敏材料条，再蒸涂）刻线式结构：在制备好的光敏电阻衬基上刻出狭窄的光敏材料条，再蒸涂）刻线式结构：在制备好的光敏电阻衬基上刻出狭窄的光敏材料条，再蒸涂金属电极。金属电极。金属电极。金属电极。导体吸收光子而产生的光电效应，只限
15、于光照表面薄层，虽然产生的载流子导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照表面薄层，虽然产生的载流子导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照表面薄层，虽然产生的载流子导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密
16、封装在玻璃壳体中。灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。.2光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数 光敏电阻为多数电子导电的光电敏感器件，它与其他光电器件的特性的差别表现在它的基本特性参数上。光敏电阻的基本特性参数包含光电导特性、时间响应、光谱响应、伏安特性与噪声特性等。一、光谱响应率光谱响应率光谱响应率表示在某一特定波长下，输出光电流(或电压)与入射辐射能量之比光谱响应率为由由和和光谱特性多用相对灵敏度与波长的关系曲线表示。光谱特性多用相对灵敏度与波长的关系曲线表示。在可见光区灵敏的几种光敏电阻的光谱
17、特性曲线在可见光区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线1-硫化镉单晶2-硫化镉多晶3-硒化镉多晶4-硫化镉与硒化镉混合多晶由图可见，硫化镉单晶、硫化由图可见，硫化镉单晶、硫化镉与硒化镉混合多晶，硫化镉多晶、镉与硒化镉混合多晶，硫化镉多晶、硒化镉多晶等几种光敏电阻的光谱硒化镉多晶等几种光敏电阻的光谱特性曲线覆盖了整个可见光区，峰特性曲线覆盖了整个可见光区，峰值波长在值波长在515600nm之间。这与之间。这与人眼的光谱光视效率人眼的光谱光视效率V()曲线的范曲线的范围和峰值波长（围和峰值波长（555nm）是很接近）是很接近的，因此可用于与人眼有关的仪器，的，因此可用于与人眼有关的仪器，例如照相机、照
18、度计、光度计等。例如照相机、照度计、光度计等。不过它们的形状与不过它们的形状与V()曲线还不完曲线还不完全一致。如直接使用，与人的视觉全一致。如直接使用，与人的视觉还有一定的差距，所以必须加滤光还有一定的差距，所以必须加滤光片进行修正，使其特性曲线与片进行修正，使其特性曲线与V()曲线完全符合，这样即可得到与人曲线完全符合，这样即可得到与人眼视觉相同的效果。眼视觉相同的效果。二、光谱特性光谱特性在红外区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线在红外区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线三.噪声特性 光敏电阻的主要噪声有热噪声、产生复合和低频噪光敏电阻的主要噪声有热噪声、产生复合和低频噪声声(或称或称1/f
19、1/f噪声噪声)。1、热噪声（1MHz）2、产生复合噪声(1kHz1MHz)3、低频噪声（电流噪声）总噪声高频低频高频低频/f热噪声产生复合噪声总噪声ffc0四、光电特性和光电特性和 值值光电特性：光敏电阻的光电流与入射光通量（照度）之间的关系1.弱光照射时，光电流与光通量（照度）成正比，即弱光照射时，光电流与光通量（照度）成正比，即保持线性关系保持线性关系式中式中Sg为光电导灵敏度，为光电导灵敏度，E为光敏电阻的照度。为光敏电阻的照度。2.强光照射时，强光照射时，光电流与光通量（照度）成非线性。光电流与光通量（照度）成非线性。为光电转换因子，是一个随光度量变化的指数为光电转换因子，是一个随光
20、度量变化的指数gp称为光敏电阻的光电导。称为光敏电阻的光电导。在通常的照度范围内(10-1104lx)，的值接近于1考虑到光敏电阻的暗电流，流过光敏电阻的电流为 与材料和入射光强弱有关，对于硫化镉光电导体，在弱光照下1，在强光照下1/2，一般1。如图所示的特性曲线反如图所示的特性曲线反应了流过光敏电阻的电流应了流过光敏电阻的电流Ip与入射光照度与入射光照度E间的变化关间的变化关系，由图可见它是由直线性系，由图可见它是由直线性渐变到非线性的。渐变到非线性的。电阻照度关系曲线电阻照度关系曲线 在实际使用时，常常将光敏电阻的光电特性曲线改用如图所示的两种坐标框架特性曲线。其中(a)为线性直角坐标系中
21、光敏电阻的阻值R与入射照度EV的关系曲线，而(b)为对数直角坐标系下的阻值R与入射照度EV的关系曲线。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 R1与与R2分别是照度为分别是照度为E1和和E2时光敏电阻的阻值。时光敏电阻的阻值。五.伏安特性 在不同光照下加在光敏电阻两端的电压在不同光照下加在光敏电阻两端的电压U与流过它的电流与流过它的电流Ip的关系曲线，并称其为光敏电阻的伏安特性。的关系曲线，并称其为光敏电阻的伏安特性。图所示为典型CdS光敏电阻的伏安特性曲线。图中的虚线为额定功耗线。图中的虚线为额定功耗线。使用光敏电阻时，应不使电阻使用光敏电阻时，应不使电阻的实际功耗
22、超过额定值。从图的实际功耗超过额定值。从图上来说，就是不能使静态工作上来说，就是不能使静态工作点居于虚线以内的区域。按这点居于虚线以内的区域。按这一要求在设计负载电阻时，应一要求在设计负载电阻时，应不使负载线与额定功耗线相交。不使负载线与额定功耗线相交。六、前历效应前历效应前历效应前历效应是指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种现象。前历效应有暗态前历与亮态前历之分。暗态前历效应是指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后表现为暗态。前历越长，光电流上升越慢。其效应曲线如下图所示。一般，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重。硫化镉光敏电阻的暗态前历效应曲线硫化镉光敏电
23、阻的暗态前历效应曲线1-黑暗放置3分钟后2-黑暗放置60分钟后3-黑暗放置24小时后亮态前历效应亮态前历效应指光敏电阻测试或工作前已处于亮态，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，其效应曲线如下图所示。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的时间要比由低照度状态变为高照度状态时短。硫化镉光敏电硫化镉光敏电阻亮态前历效阻亮态前历效应曲线应曲线七、温度特性七、温度特性光敏电阻的温度特性很复杂，在一定的照度下，亮电阻的温度系数有正有负R1、R2分别为与温度T1、T2相对应的亮电阻。温度对光谱响应也有影响。一般说，光谱特性主要决定于材料，材料的禁带宽度越窄则对长波越
24、敏感，但禁带很窄时，半导体中热激发也会使自由载流子浓度增加，使复合运动加快，灵敏度降低。因此，采取冷却灵敏面的办法来提高灵敏度往往是很有效的。光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。图所示为典型CdS（实线）与CdSe（虚线）光敏电阻在不同照度下的温度特性曲线。以室温（25）的相对光电导率为100%，观测光敏电阻的相对光电导率随温度的变化关系，可以看出光敏电阻的相对光电导率随温度的升高而下降，光电响应特性随着温度的变化较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流I和温度T的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐
25、射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。I/A100150200-50-1030 5010-30T/C204060801000/mI/mA+20C-20C硫化镉的光电流I和温度T的关系l一般n型半导体的EF位于Ei之上Ec之下的禁带中。lEF既与温度有关，也与杂质浓度ND有关：一定温度下掺杂浓度越高，费米能级EF距导带底Ec越近；如果掺杂一定，温度越高EF距Ec越远，也就是越趋向Ei。Si中不同掺杂浓度条件下费米能级与温度的关系八.响应时间和频率响应光敏电阻的响应时间（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，而且具有特殊性。当用一个理想方波脉冲辐射照射
26、光敏电阻时，光生电子要有产生的过程，光生电导率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，表现出光敏电阻具有较大的惯性。通常光敏电阻的响应时间与入射辐射的强弱有关，光照越强其时间常数越小，光照越弱其时间常数越大。下面分别讨论。1.1.弱辐射作用情况下的时间响应弱辐射作用情况下的时间响应弱辐射作用情况下的时间响应弱辐射作用情况下的时间响应 t0t0t=0t=0对于本征光电导器件在非平衡状态下光电对于本征光电导器件在非平衡状态下光电导率导率 和光电流和光电流II随时间变化的规律为随时间变化的规律为 当当t t=时，时，0 0，I Ie0e0；定义定义 r r为光敏电阻的上
27、升时间常数为光敏电阻的上升时间常数 停止辐射时，入射辐射通量为停止辐射时，入射辐射通量为t=0t=0t0t0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 显然，光敏电阻在弱辐射作用下的显然，光敏电阻在弱辐射作用下的上升时间常数上升时间常数r r与下降时间常数与下降时间常数f f近似相等。近似相等。当当t t=，0 0，I Ie0e0；定义定义 f f为下降时间常数为下降时间常数 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 t0t0t=0t=0光电导率和光电流变化的规律为光电导率和光电流变化的规律为 当
28、当t t=时，时，0 0，I Ie0e0；定义定义 r r为光敏电阻的上升时间常数为光敏电阻的上升时间常数 停止辐射时，入射辐射通量为停止辐射时，入射辐射通量为t=0t=0t0t0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 当当t t=，0 0，I Ie0e0；定义定义 f f为下降时间常数为下降时间常数 频率响应特性频率响应特性光敏电阻是依靠非平衡载流子效应工作的，非平衡载流子的产生光敏电阻是依靠非平衡载流子效应工作的，非平衡载流子的产生光敏电阻是依靠非平衡载流子效应工作的，非平衡载流子的产生光敏电阻是依靠非平衡载流子效应工作的，非平衡载流子的产生与复合都有一个时间
29、过程，这个时间过程在一定程度上影响了光与复合都有一个时间过程，这个时间过程在一定程度上影响了光与复合都有一个时间过程，这个时间过程在一定程度上影响了光与复合都有一个时间过程，这个时间过程在一定程度上影响了光敏电阻对变化光照的响应。光敏电阻采用交变光照时，其输出将敏电阻对变化光照的响应。光敏电阻采用交变光照时，其输出将敏电阻对变化光照的响应。光敏电阻采用交变光照时，其输出将敏电阻对变化光照的响应。光敏电阻采用交变光照时，其输出将随入射光频率的增加而减小。随入射光频率的增加而减小。随入射光频率的增加而减小。随入射光频率的增加而减小。1-硒 2-硫化镉 3-硫化铊 4-硫化铅 f3dB通常，通常，通
30、常，通常，CdSCdS的响应时间在几十毫秒至几秒；的响应时间在几十毫秒至几秒；的响应时间在几十毫秒至几秒；的响应时间在几十毫秒至几秒；CdSeCdSe的响应时间约为的响应时间约为的响应时间约为的响应时间约为1010-2-21010-3-3s s；PbSPbS约为约为约为约为1010-4-4s s。由此可见，要达到稳定输出，频率响。由此可见，要达到稳定输出，频率响。由此可见，要达到稳定输出，频率响。由此可见，要达到稳定输出，频率响应不会超过应不会超过应不会超过应不会超过10kHz10kHz，一般为，一般为，一般为，一般为1kHz1kHz。增益带宽积意义：当一个器件制作完后，外加电压确定后，增益增
31、益带宽积意义：当一个器件制作完后，外加电压确定后，增益增益带宽积意义：当一个器件制作完后，外加电压确定后，增益增益带宽积意义：当一个器件制作完后，外加电压确定后，增益带宽积为常量。也就是说，光电导器件的频带宽度和光电增益是带宽积为常量。也就是说，光电导器件的频带宽度和光电增益是带宽积为常量。也就是说，光电导器件的频带宽度和光电增益是带宽积为常量。也就是说，光电导器件的频带宽度和光电增益是矛盾的，二者不可兼容，灵敏度高的光电导器件，频带必然窄。矛盾的，二者不可兼容，灵敏度高的光电导器件，频带必然窄。矛盾的，二者不可兼容，灵敏度高的光电导器件，频带必然窄。矛盾的，二者不可兼容，灵敏度高的光电导器件
32、，频带必然窄。忽视外电路时间常数影响时，响应时间等于光生载流子平均寿命忽视外电路时间常数影响时，响应时间等于光生载流子平均寿命忽视外电路时间常数影响时，响应时间等于光生载流子平均寿命忽视外电路时间常数影响时，响应时间等于光生载流子平均寿命增益带宽积增益带宽积.3光敏电阻的变换电路一、基本偏置电路RLRpVbIVPmax由电路图：当光通量变化时，光敏电阻变化Rp，电流变化 I：a.恒流偏置(RLRp)b.恒压偏置(RLRp)c.恒功率偏置(RLRp)设入射于光敏电阻的辐射为调制辐射正弦，如：RLRpVbRLRpipCpVL等效微变电路基本偏置电路输出的交流部分电流输出的交流电压二、噪声和等效电路
33、用光敏电阻检测微弱信号时需考虑器件的固有噪声热噪声、产生复合噪声及/f噪声光敏电阻若接收调制辐射，其噪声的等效电路如图所示ipingrintinfRLRpC噪声等效电路.4应用举例光谱响应范围宽，光谱响应范围宽，测光范围宽，测光范围宽，灵敏度高，灵敏度高，无极性之分无极性之分,价格便宜。价格便宜。光敏电阻的光敏电阻的重要特点重要特点是：是：光敏电阻按光谱范围可分为紫外、可见光、红外；光敏电阻按光谱范围可分为紫外、可见光、红外；按晶体结构分为单晶和多晶；按制作工艺分为薄按晶体结构分为单晶和多晶；按制作工艺分为薄膜烧结型和真空蒸发型。膜烧结型和真空蒸发型。几种常用的光敏电阻几种常用的光敏电阻光敏电
34、阻紫外硫化镉(CdS)和硒化镉(CdSe)可见硫化铊(TiS)、硫化镉(CdS)和硒化镉(CdSe)红外硫化铅(PbS)、碲化铅(PbTe)、锑化铟(InSb)、碲汞镉（Hg1-xCdxTe）光敏电阻常用光电导材料一一.典型光敏电阻典型光敏电阻1、CdS光敏电阻CdS光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率，它在可见光波段范围内的灵敏度最高，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。CdS光敏电阻的峰值响应波长为m，CdSe光敏电阻为m，一般调整S和Se的比例，可使Cd（S，Se）光敏电阻的峰值响应波长大致控制在m范围内。CdS光敏电阻的光敏面常为蛇形光
35、敏面结构。光敏电阻PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件。PbS光敏电阻在2m附近的红外辐射的探测灵敏度很高，因此，常用于火灾的探测等领域。PbS光敏电阻的光谱响应和比探测率等特性与工作温度有关，随着工作温度的降低其峰值响应波长和长波长将向长波方向延伸，且比探测率D*增加。例如，室温下的PbS光敏电阻的光谱响应范围为m，峰值波长为m，峰值比探测率D*高达11011cmHzW-1。当温度降低到（195K）时，光谱响应范围为14m，峰值响应波长移到m，峰值波长的比探测率D*也增高到21011cmHzW-1。光敏电阻InSb光敏电阻是35m光谱范围内的主要探测器件之一。InSb材料不仅适用于制
36、造单元探测器件，也适宜制造阵列红外探测器件。InSb光敏电阻在室温下的长波长可达m，峰值波长在6m附近，比探测率D*约为11011cmHzW-1。当温度降低到77K（液氮）时，其长波长由m缩短到m，峰值波长也将移至5m，恰为大气的窗口范围，峰值比探测率D*升高到21011cmHzW-1。4.Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件是目前所有红外探测器中性能最优良最有前途的探测器件，尤其是对于48m大气窗口波段辐射的探测更为重要。Hg1-xCdxTe系列光电导体是由HgTe和CdTe两种材料的晶体混合制造的，其中x标明Cd元素含量的组分。在制造混合晶体时选用不
37、同Cd的组分x，可以得到不同的禁带宽度Eg，便可以制造出不同波长响应范围的Hg1-xCdxTe探测器件。一般组分x的变化范围为，长波长的变化范围为130m。二二.应用实例应用实例1 照明灯的光电控制电路照明灯的光电控制电路 如图所示为一种最简单的由光敏电阻作光电敏感器件的照明灯光电自动控制电路。它由3部分构成：半波整流滤波电路（整流二极管D和滤波电容C）测光与控制的电路（限流电阻R、光敏电阻及继电器绕组）执行电路（继电器的常闭触头）设使照明灯点亮的光照度为EV，继电器绕组的直流电阻为RJ，使继电器吸合的最小电流为Imin，光敏电阻的光电导灵敏度为Sg，暗电导go=0，则显然，这种最简单的光电控
38、制电路还有很多缺点，还需要改进。在实际应用中常常要附加其他电路，如楼道照明灯常配加声控开关或微波等接近开关使灯在有人活动时照明灯才被点亮；而路灯光电控制器则要增加防止闪电光辐射或人为的光源（如手电灯光等）对控制电路的干扰措施。2 2 火焰探测报警器火焰探测报警器 图所示为采用光敏电阻为探测元件的火焰探测报警器电路图。PbS光敏电阻的暗电阻的阻值为1M，亮电阻的阻值为0.2M(幅照度1mw/cm2下测试)，峰值响应波长为，恰为火焰的峰值辐射光谱。3照相机电子快门 图所示为利用光敏电阻构成的照相机自动曝光控制电路，也称为照相机电子快门。电子快门常用于电子程序快门的照相机中，其中测光器件常采用与人眼
39、光谱响应接近的硫化镉(CdS)光敏电阻。照相机曝光控制电路是由光敏电阻R、开关K和电容C构成的充电电路，时间检出电路(电压比较器)，三极管T构成的驱动放大电路，电磁铁M带动的开门叶片（执行单元）等组成。在初始状态，开关K处于如图所示的位置，电压比较器的正输入端的电位为R1与RW1分电源电压Ubb所得的阈值电压Vth（一般为），而电压比较器的负输入端的电位VR近似为电源电位Ubb，显然电压比较器负输入端的电位高于正输入端的电位，比较器输出为低电平，三极管截止，电磁铁不吸合，开门叶片闭合。当按动快门的按钮时，开关K与光敏电阻R及RW2构成的测光与充电电路接通，这时，电容C两端的电压UC为0，由于电
40、压比较器的负输入端的电位低于正输入端而使其输出为高电平，使三极管T导通，电磁铁将带动快门的叶片打开快门，照相机开始曝光。快门打开的同时，电源Ubb通过电位器RW2与光敏电阻R向电容C充电，且充电的速度取决于景物的照度，景物照度愈高光敏电阻R的阻值愈低，充电速度愈快。VR的变化规律可由电容C的充电规律得到VR=Ubb1exp(t/)式中为电路的时间常数=（RW2+R）C光敏电阻的阻值R与入射的光照度EV有关当电容C两端的电压UC充电到一定的电位（VRVth）时，电压比较器的输出电压将由高变低，三极管T截止而使电磁铁断电，快门叶片又重新关闭。快门的开启时间t可由下式推出t=（RW2+R）C ln
41、Ubb/Vtha.光电导探测器具有内增益M特性，M与材料器件性质和外加电场大小有关。b.当用于模拟量测量时，因光照指数与光照强弱有关，只有在弱光照弱光照下光电流与入射辐射通量成线性关系。c.用于光度量测试仪器时，必须对光谱特性曲线进行修正，保证其与人眼的光谱光视效率曲线符合。d.光敏电阻的光谱特性与温度有关，温度低时，灵敏范围和峰值波长都向长波方向移动，可采取冷却灵敏面的办法来提高光敏电阻在长波区的灵敏度。三三.小结小结e.光敏电阻的温度特性很复杂，电阻温度系数有正有负，一般说，光敏电阻不适于在高温下使用，温度高时输出将明显减小，甚至无输出。f.光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下只有少数品种能
42、超过1kHz，而且光电增益与带宽之积为一常量，如要求带宽较宽，必须以牺牲灵敏度为代价。g.设计负载电阻时，应考虑到光敏电阻的额定功耗，负载电阻值不能很小。h.进行动态设计时，应意识到光敏电阻的前历效应。特点特点环氧树脂封装反应速度快体积小可靠性好光谱特性好 灵敏度高应用应用照相机自动测光光电控制室内光线控制光控音乐I.C.工业控制光控开关光控灯电子玩具怎样检查光敏电阻的好坏光敏电阻的好坏可用万用表光敏电阻的好坏可用万用表Rx100Rx100电阻档，按图电阻档，按图1 1连接好。连接好。当没有光照在光敏电阻上时，当没有光照在光敏电阻上时，光敏电阻的阻值应在光敏电阻的阻值应在1M1M以上，以上，当有较强光照在光敏电阻上时，当有较强光照在光敏电阻上时，光敏电阻的阻值应在光敏电阻的阻值应在10k10k以下。以下。一般光敏电阻的电阻值不受光一般光敏电阻的电阻值不受光照时是受光照射时的照时是受光照射时的10010010001000倍。倍。用万用表测量光敏电阻的好坏用万用表测量光敏电阻的好坏