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1、光电检测第五章光电导器件第1页，本讲稿共115页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件。光电导效应是半导体材料的一种体效应，无需形成PN结，故又常称为无结光电探测器。这种器件在光照下会改变自身的电阻率，光照越强，器件自身的电阻越小，因此常常又称为光敏电阻或光导管。常用的光敏电阻有CdS、CdSe、PbS等。其中CdS是工业应用最多的，PbS主要用于军事装备。5.15.1 光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理第第五五章章光光电电导导器器件件第2页，本讲稿共115页本章内容5.15.1 光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理5.2 5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特
2、性参数5.3 5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声5.4 5.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第3页，本讲稿共115页作业：4-1，4-2，4-3，4-4，4-55.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第第五五章章光光电电导导器器件件第4页，本讲稿共115页5.1 光敏电阻的工作原理5.15.1 光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理第第五五章章光光电电导导器器件件5.1.1 5.1.1 光敏电阻的结构和分类光敏电阻的结构和分类5.1.2 5.1.2 光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理返回第5页，本讲稿共115页5.2 光敏电阻的主要特性参数5.2 光敏
3、电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件5.2.15.2.1 光电导灵敏度光电导灵敏度5.2.2 5.2.2 光电导增益光电导增益5.2.35.2.3 量子效率量子效率5.2.4 5.2.4 光谱响应率与光谱响应曲线光谱响应率与光谱响应曲线5.2.5 5.2.5 响应时间和频率特性响应时间和频率特性5.2.6 5.2.6 光电特性和光电特性和值值5.2.7 5.2.7 前历效应前历效应5.2.85.2.8 温度特性温度特性返回第6页，本讲稿共115页5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器
4、器件件5.3.1 5.3.1 偏置电路偏置电路5.3.2 5.3.2 噪声等效电路噪声等效电路5.3.3 5.3.3 光敏电阻的变换电路光敏电阻的变换电路返回第7页，本讲稿共115页5.4 光敏电阻的特点和应用5.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第第五五章章光光电电导导器器件件5.4.1 5.4.1 光敏电阻的特点光敏电阻的特点5.4.2 5.4.2 光敏电阻使用时的注意事项光敏电阻使用时的注意事项5.4.35.4.3 常见光敏电阻常见光敏电阻5.4.4 5.4.4 光敏电阻的应用光敏电阻的应用返回第8页，本讲稿共115页光敏电阻的结构和分类 光敏电阻是用光电导体制成的光电器件,又
5、称光导管,其工作原理与符号如图所示。5.15.1 光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理第第五五章章光光电电导导器器件件第9页，本讲稿共115页5.15.1 光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理第第五五章章光光电电导导器器件件PGM5*series环环氧氧树树脂封装脂封装光敏电阻是在一块均质光电导体两端加上电极,贴在其他绝缘材料基板上,两端接有电极引线,封装在带有窗口的金属或塑料外壳内而成的。如图所示为实际的环氧树脂封装的PGM5系列光敏电阻的外形。第10页，本讲稿共115页光敏电阻分为两类:本征型光敏电阻掺杂型光敏电阻 从理论上说，P型、N型半导体均可制成5.15.1 光敏电阻的工作原理光敏电
6、阻的工作原理第第五五章章光光电电导导器器件件光敏电阻，但由于电子的迁移率比空穴大，而且用N型半导体材料制成的光敏电阻性能较稳定,特性较好,故目前大都使用N型半导体光敏电阻。返回第11页，本讲稿共115页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。5.15.1 光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理第第五五章章光光电电导导器器件件 无光照时,光敏电阻的阻值很大,电路中电流很小。当光电导体上加上电压,无光照时光电导体具有一定的热激发载流子浓度,其相应的暗电导率为第12页，本讲稿共115页式中：q为电子或空穴的电荷量；n0和p0分别为电子和空穴的
7、浓度；n和pn分别为电子和空穴在外电场E作用下的迁移率，表示为5.15.1 光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理第第五五章章光光电电导导器器件件式中，U是端电压，L是电压方向半导体的长度，vn和vp是载流子漂移的速度。第13页，本讲稿共115页 受光照时,由光照产生的光生载流子迅速增加,它的阻值急剧减少。在外电场作用下光生载流子沿一定方向运动,在电路中形成电流,光生载流子越多电流越大。5.15.1 光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理第第五五章章光光电电导导器器件件(5-2)产生的光生载流子浓度用n和p表示。则光照稳定情况下的电导率为第14页，本讲稿共115页得到由于光照变化的电导率为5.15
8、.1 光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理第第五五章章光光电电导导器器件件式中,b=n/p为迁移比。(5-3)第15页，本讲稿共115页其中,g为载流子产生率,为载流子寿命。若入射的光功率为s，载流子产生率与光功率的关系为5.15.1 光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理第第五五章章光光电电导导器器件件在恒定的光照下,光生载流子不断产生,也不断复合。当光照稳定时,光生载流子的浓度为式中,为量子效率,V为材料体积。(5-4)第16页，本讲稿共115页在电场强度的作用下,短路光电流密度为5.15.1 光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理第第五五章章光光电电导导器器件件由于光照的增加,电导率增加了,
9、光电流也增加了。(5-5)第17页，本讲稿共115页5.15.1 光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理第第五五章章光光电电导导器器件件也可以推导出光电流随半导体电导率变化的公式。式中:L光电导体长度;A光电导体横截 面面积。若无光照时,如图所示光敏电阻的暗电流为第18页，本讲稿共115页在光辐射作用下,假定每单位时间产生N个电子-空穴对，它们的寿命分别为n和p，那么,由于光辐射激发增加的电子和空穴浓度分别为5.15.1 光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理第第五五章章光光电电导导器器件件第19页，本讲稿共115页于是,材料的电导率增加了=q（nn+pp）,则称为光电导率。5.15.1 光敏电阻
10、的工作原理光敏电阻的工作原理第第五五章章光光电电导导器器件件由式(5-6)知道,光敏电阻的光电流Ip与L的平方成反比。(5-6)由光电导率引起的光电流为第20页，本讲稿共115页因此在设计光敏电阻时为了既减小电极间的距离L,又保证光敏电阻有足够的受光面积,一般采用如图所示的几种电极结构。5.15.1 光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理第第五五章章光光电电导导器器件件返回第21页，本讲稿共115页光电导灵敏度按灵敏度定义(响应量与输入量之比),可得光电导灵敏度Sg为5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件其中，gp称为光敏电阻的光电导，单位为西门子S
11、(-1);E为照度,单位为勒克斯(lx)。gp可表示为(5-7)或注意以上两式中Sg单位不同。第22页，本讲稿共115页5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件 若考虑暗电导产生的电流时,则流过光敏电阻的电流为式中，Ip为亮电流；ID为暗电流：gd为暗电导：gp为亮电导。所以若考虑暗电流时，光敏电阻的光电导为(5-8)返回第23页，本讲稿共115页光电导增益光电导增益M是光敏电阻的一个重要特性参数,它表示长度为L的光电导体两端加上电压以后,由光照产生的光生载流子在电场作用下所形成的外部光电流与光电子形成的内部电流(qN)之间的比值。5.2 光敏电阻的
12、主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件(5-9)由式(5-6)得第24页，本讲稿共115页式中5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件Mn称为光敏电阻中电子的增益系数。tn为电子的漂移时间。Mp为光敏电阻中空穴的增益系数。tp为空穴的漂移时间。同理第25页，本讲稿共115页如果把1/tn和1/tp之和定义为1/tdr.,即5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件式中,tdr称为载流子通过极间距离L所需要的有效渡越时间,于是在半导体中,电子和空穴的寿命是相同的,都可用载流子的平均寿
13、命来表示,即=n=p,则本征型光敏电阻的增益可写成返回第26页，本讲稿共115页量子效率 光电导器件的量子效率,表示输出的光电流与入射光子流之比。5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件这是个无量纲的量,它表示单位时间内每入射一个光子所能引起的载流子数。假设入射的单色辐射功率()能产生N个光电子,则量子效率第27页，本讲稿共115页如图所示分别为硅和锗的量子效率与波长的关系曲线。5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件返回第28页，本讲稿共115页光谱响应率与光谱响应曲线因为通常入射光的单位以瓦或流明数表示
14、,量子效率在实际应用上很不方便。一般用安/瓦为单位的光谱响应率来表征光敏电阻的特性。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。输出光电流表示为5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件(5-11)第29页，本讲稿共115页则光谱响应率为5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件可以看出,增大增益系数可得到很高的光谱响应率。提高光敏电阻的光谱响应率受到如下因素影响。(5-12)减小电极间距 集光面积太小，电流太小。延长载流子寿命降低响应速度。因此在光敏电阻中,增益与响应速度是相互矛盾
15、的两个量。第30页，本讲稿共115页不同频率时的光谱响应率连接起来就成为光谱响应曲线。图(a)为本征光电导材料的理想光谱响应曲线。5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件实际的光谱响应曲线如图(b)所示.一般情况下峰值靠近长波限,实际定义长波限为峰值一半处所对应的波长。第31页，本讲稿共115页光谱特性多用相对灵敏度与波长的关系曲线表示。从这种曲线中可以直接看出灵敏范围、峰值波长位置和各波长下灵敏度的相对关系。5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件返回第32页，本讲稿共115页响应时间和频率特性光电导材料
16、从光照开始到获得稳定的光电流所需要的时间叫响应时间;同样,当光照停止后光电流也是5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件逐渐消失的。这个过程如图所示,称为光电导弛豫过程。它反映了光敏电阻的惰性。第33页，本讲稿共115页 通常材料突然受光照到稳定状态时,光生载流子浓度的变化规律为5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件其中,p0为稳态光生载流子浓度。定义光生载流子浓度上升到稳态值的63%所需的时间称为光敏电阻的上升响应时间。(5-13)第34页，本讲稿共115页5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特
17、性参数第第五五章章光光电电导导器器件件同样,在停止光照后光生载流子浓度的变化为(5-14)光照停止后,定义光生载流子下降到稳定值的37%时所需的时间为下降时间。上升时间和下降时间相等，都等于载流子寿命,t=。第35页，本讲稿共115页5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件(5-15)当输入光功率按正弦规律变化时,光生载流子浓度随光调制频率变化的关系为 可见，输出光电流与调制频率的关系具有低通特性。第36页，本讲稿共115页如图所示，光电导的弛豫特性限制了器件对调制频率高的光信号的响应。许多光电导材料在弱光时表现为线性光电导，而在强光时光电导与入射光
18、功率的平方根成正比。此时定义上升和下降时间分别为稳态值的76%和50%。5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件第37页，本讲稿共115页 当光敏电阻接收交变调制光(入射光为(t)=ejt)时,随着调制光频率的增加,输出电压会减小。当输出的相对幅值下降至0.707倍(即零频时的信号功率的一半)时,入射光的频率就是该光敏电阻的截止频率f3dB。5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件(5-16)截止频率表示为第38页，本讲稿共115页 可见,响应时间与响应频率是完全等价的。5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电
19、阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件返回 如图给出了4种不同材料光敏电阻的频率响应曲线。对正弦调制光信号用频率响应来描述。一般对脉冲光信号用响应时间来描述；第39页，本讲稿共115页光电特性和值 光敏电阻的光电流与入射光通量之间的关系称光电特性,光电流与入射单色辐射通量之间的关系如下：5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件 当弱光照时、tdr不变,Ip()与()成正比,即保持线性关系。但当强光照时,与光电子浓度有关,tdr也会随电子浓度变大或出现温升而产生变化,故Ip()与()偏离线性而呈非线性。第40页，本讲稿共115页一般采用表示光
20、敏电阻的光电特性的公式为5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件或或式中:Sg光电导灵敏度,与光敏电阻材料有关;U外加电源电压:入射光通量;E入射光照度;照度指数。(5-17)第41页，本讲稿共115页在弱光照时,值为1,称直线性光电导;在强光照时,值为0.5,则为非线性光电导;一般情况下,值在0.51之间。5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件实验测得,当所加电压一定时,光电流和照度关系曲线如图所示。第42页，本讲稿共115页 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特性曲线。5.2 光
21、敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件第43页，本讲稿共115页 由图（a）所示的线性直角坐标系可见，光敏电阻的阻值R与入射照度Ev在光照很低时随光照度的增加而迅速降低，表现为线性关系；当照度增加到一定程度后，阻值的变化变缓，然后逐渐趋向饱和。但是，在如图(b)所示的对数坐标系中,光敏电阻的阻值R在某段照度Ev范围内的光电特性表现为线性。即（5-17）式中的值保持不变。5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件第44页，本讲稿共115页因此，值为对数坐标系下特性曲线的斜率,且从图b中可以看到保持不变，可得 5.2 光
22、敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件式中,R1与R2分别是照度为E1和E2时光敏电阻的阻值。显然,光敏电阻的值反映了在照度范围变化不大或照度的绝对值较大甚至光敏电阻接近饱和情况下的阻值与照度的关系。因此,定义光敏电阻值时必须说明其照度范围,否则值没有任何意义。(5-18)返回第45页，本讲稿共115页前历效应 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。一般情况下，工作电压越低，光照度越低，则暗态
23、前历效应就越严重。5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件第46页，本讲稿共115页硫化镉的暗态前历效应曲线如图所示5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件第47页，本讲稿共115页 亮态前历效应是指光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度于工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象，其效应曲线如图所示。一般情况5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件下，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，要比低照度状态变为高照度状态时短。返回第48页，本
24、讲稿共115页温度特性 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,其计算式为5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件R1、R2分别为与温度T1、T2相对应的亮电阻。(5-19)第49页，本讲稿共115页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敏感。但禁带很窄时,半导体中热激发也会使自由载流子浓5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件度增加,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。如图所示。第50页
25、，本讲稿共115页硫化镉单晶和多晶光敏电阻的温度特性如图所示。5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件第51页，本讲稿共115页光敏电阻的特性参数列表5.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数第第五五章章光光电电导导器器件件返回第52页，本讲稿共115页偏置电路如图是光敏电阻的原理电路图。其中：Rp为光敏电阻；RL为负载电阻；Ub为偏置电压；U为光敏电阻两端电压。5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器器件件第53页，本讲稿共115页在一定光照范围内光敏电阻阻值不随外电压改变,仅取决于输入光通量或光
26、照度E,当忽略暗电导,则5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器器件件或或因为即即第54页，本讲稿共115页对上式求导,得5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器器件件所以所以式中负号的物理意义,是指电阻值随光照度的增加而减小。(5-20)第55页，本讲稿共115页变化时,流过光敏电阻的电流和两端的电压都在变。设光通量变化时,电阻变化Rp,电流变化I,则有5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器器件件下图中画出了在不同的光照1、2、3下光敏电阻的伏安特性曲线和负载线。由
27、图可见,当光通量(5-21)第56页，本讲稿共115页 设光通量变化时,电阻变化Rp,电流变化I,则有5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器器件件(5-21)可得第57页，本讲稿共115页所以输出电流的变化为5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器器件件输出电压的变化为(5-22)(5-23)返回可见负载电流和电压的变化近似地与光通量的变化成正比。第58页，本讲稿共115页噪声等效电路 光敏电阻接入电路中时也会产生噪声和相应的噪声电流,它的噪声主要有3种:产生-复合噪声；热噪声；1/f噪声。5.3 光敏电阻的
28、偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器器件件第59页，本讲稿共115页5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器器件件相应的噪声电流也有三种。产生-复合噪声电流ingr；热噪声电流int；1/f噪声电流inf。由于3种噪声互相独立,所以光敏电阻总的噪声电流的均方值为第60页，本讲稿共115页光敏电阻若接收调制辐射,其噪声的等效电路如图所示。图中ip为光电流。5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器器件件第61页，本讲稿共115页光敏电阻的噪声合成频谱如图,频率低于100Hz时以1/f噪声
29、为主,频率在100Hz和1000Hz之间以产生-复合噪声为主,频率在1000Hz以上以热噪声为主。5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器器件件第62页，本讲稿共115页 可见,将调制频率取得高一些就可以减小噪声,频率在8001 000 Hz时可以消除1/f噪声和产生-复合噪声。还可以采用致冷装置降低器件的温度，以降低热噪声。*5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器器件件返回第63页，本讲稿共115页光敏电阻的变换电路5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器器件件1.
30、1.恒流电路恒流电路返回2.2.恒压电路恒压电路3.3.举例举例第64页，本讲稿共115页恒流电路在简单偏置电路中,当RL Rp时,流过光敏电阻的电流基本不变,此时的偏置电路称为恒流电路。然而,光敏电阻自身的阻值已经很高,若再满足恒流偏置条件,就难以满足电路输出阻抗的要求,为此,可引入如图所示的晶体管恒流偏置电路。5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器器件件第65页，本讲稿共115页电路中稳压管VDw用于稳定晶体三极管的基极电压,即UB=UW，流过晶体三极管发射极的电流为5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导
31、器器件件式中,Uw为稳压二极管的稳压值，Ube为三极管发射结电压,在三极管处于放大状态时基本为恒定值，Re为固定电阻。因此,发射极的电流Ie为恒定电流。三极管在放大状态下集电极电流与发射极电流近似相等,所以流过光敏电阻的电流为恒流。第66页，本讲稿共115页在晶体管恒流偏置电路中,输出电压为5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器器件件求微分得 由于gp=1/RP=SgEV，dRP=-SgRP2dEV，代入上式得第67页，本讲稿共115页显然,恒流偏置电路的电压灵敏度为5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器器
32、件件与光敏电阻阻值的平方成正比,与光电导灵敏度成正比。或 返回第68页，本讲稿共115页恒压电路 简单偏置电路很难构成恒压偏置电路。但是,利用晶体三极管很容易构成光敏电阻的恒压偏置电路。如图所示为典型的光敏电阻恒压偏置电路。5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器器件件第69页，本讲稿共115页 光敏电阻在恒压偏置电路的情况下,其输出的电流Ip与处于放大状态的三极管发射极电流Ic近似相等。因此,恒压偏置电路的输出电压为5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器器件件对上式取微分,则得到输出电压的变化量为说明恒压偏
33、置电路的输出信号电压与光敏电阻的阻值R无关。返回第70页，本讲稿共115页举例例1 在如图所示的恒流偏置电路中,已知Ubb=12V，Rb=820，Re=3.3K，稳压二极管的输出电压为4V，光照度为40lx时输出电压为6V，80lx时为8V。设光敏电阻在30100lx之间的值不变。试求:(1)输出电压为7V时的照度。(2)该电路的电压灵敏度(V/lx)。5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器器件件第71页，本讲稿共115页解：根据图所示的恒流偏置电路中所给的已知条件,当Uw=4V时，流过三极管发射极电阻的电流 5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻
34、的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器器件件这是恒流偏置电路的基本工作状况第72页，本讲稿共115页5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器器件件(1)根据题目给定的在不同光照情况下输出电压的条件,可以得到不同光照下光敏电阻的阻值光照度为40lx时光照度为80lx时第73页，本讲稿共115页将RP1与RP2的值代入光敏电阻的光电特性公式,得到光照度在4080lx时的光电特性5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器器件件输出电压为7V时光敏电阻的阻值应为依据光照特性第74页，本讲稿共115页可得5.3 光敏电
35、阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器器件件解得(2)电路的电压灵敏度为第75页，本讲稿共115页例2 在如图所示的恒压偏置电路中,已知VDW为稳压管,其稳压值为6V,设Rb=1k,Rc=510,Ubb=12V。当CdS光敏电阻光敏面上的照度为150lx时,输出电压为10V;照度为450lx时,输出电压为8V。试计算输出电压为9V时的照度(设光敏电阻在100500lx的值不变)。照度为500lx时的输出电压为多少?5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器器件件第76页，本讲稿共115页解:分析电路可知,三极管的基极被稳定在
36、6V。光照度为150lx时流过光敏电阻的电流5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器器件件光敏电阻的阻值为第77页，本讲稿共115页同样,照度为450 lx时,流过光敏电阻的电流与光敏电阻的阻值分别为5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器器件件由于光敏电阻在100一500 lx间的值不变,因此可得第78页，本讲稿共115页当输出电压为9V时,流过光敏电阻的电流及光敏电阻的阻值分别为5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器器件件设输出电压为9V时的入射照度为E3,则有第
37、79页，本讲稿共115页由值的计算公式可以得到照度为500 lx时,R4=634,I4=8.36 mA。从而得到此时的输出电压5.3 光敏电阻的偏置电路和噪声光敏电阻的偏置电路和噪声第第五五章章光光电电导导器器件件即在500 lx的照度下恒压偏置电路的输出电压为6.7V。得到返回解得第80页，本讲稿共115页光敏电阻的特点光敏电阻主要有以下优点：（1）光谱响应范围宽,尤其是对红光和红外辐射有较高的响应度;5.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第第五五章章光光电电导导器器件件（2）光敏电阻没有极性,使用方便；而结型光电器件有确定的正负极性。（3）偏置电压低,工作电流大;（4）动态范围宽
38、,既可测强光,也可测弱光;第81页，本讲稿共115页 （5）光电特性一致性好;（6）价格低廉。5.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第第五五章章光光电电导导器器件件返回缺点：1）光电弛豫过程长，频率特性较差；2）灵敏度较低；3）光电特性受温度影响较大；4）强光时，线性度较差；5）含污染环境的物质。第82页，本讲稿共115页5.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第第五五章章光光电电导导器器件件光敏电阻使用时的注意事项1.1.线性线性2.2.光度量测量校正光度量测量校正3.3.提高灵敏度的措施提高灵敏度的措施4.4.温度影响温度影响5.5.频带宽度与增益频带宽度与增益6.6.额
39、定功耗额定功耗7.7.前历效应前历效应8.8.器件选用器件选用返回第83页，本讲稿共115页线性用于模拟量测量时,因光照指数与光照强弱有关,只有在弱光照射下光电流与入射辐射通量成线性关系。*返回5.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第第五五章章光光电电导导器器件件第84页，本讲稿共115页光度量测量校正用于测光的光源光谱特性必须与光敏电阻的光敏特性匹配；当用于光度量测试时,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。*返回5.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第第五五章章光光电电导导器器件件第85页，本讲稿共115页提高灵敏度的措施光敏电阻的光谱特性与温
40、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。*返回5.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第第五五章章光光电电导导器器件件第86页，本讲稿共115页温度影响光敏电阻的温度特性很复杂,电阻温度系数有正有负。一般来说,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。*返回5.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第第五五章章光光电电导导器器件件第87页，本讲稿共115页光敏电阻频带宽度都比较窄,在室温下只有少数品种能超过1000 Hz,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
41、。*返回5.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第第五五章章光光电电导导器器件件频带宽度与增益第88页，本讲稿共115页额定功耗设计负载电阻时,应考虑到光敏电阻的额定功耗,负载电阻值不能很小,防止使光敏电阻的电参数（电压、功耗）超过允许值。*返回5.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第第五五章章光光电电导导器器件件第89页，本讲稿共115页前历效应进行动态设计时,应意识到光敏电阻的前历效应。*返回5.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第第五五章章光光电电导导器器件件第90页，本讲稿共115页器件选用根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。用于数字信息传输时，宜选用亮电
42、阻与暗电阻差别大的、且其光照指数较大的光敏电阻；用于模拟信息过程时，以选用值小的光敏电阻为好，因为这种光敏电阻的线形特性好。返回5.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第第五五章章光光电电导导器器件件第91页，本讲稿共115页5.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第第五五章章光光电电导导器器件件常见光敏电阻1.1.硫化镉硫化镉(CdS)(CdS)光敏电阻光敏电阻返回2.2.硫化铅硫化铅(PbS)(PbS)光敏电阻光敏电阻3.3.锑化铟锑化铟(InSb)(InSb)光敏电阻光敏电阻4.4.碲镉汞碲镉汞(HgcdTe)(HgcdTe)系列光敏电阻系列光敏电阻5.5.碲锡铅碲锡铅(
43、PbSnTe(PbSnTe）系列光敏电阻）系列光敏电阻第92页，本讲稿共115页CdS光敏电阻的峰值波长为0.52m。若在CdS中掺入微量杂质铜和氯,峰值波长变长,光谱响应将向远红外区域延伸。CdS光敏电阻的亮暗电导比在10 lx照度上可达1011(一般约为106),它的时间常数与入射照度有关,在100lx下约为几十毫秒。CdS光敏电阻是可见波段内最灵敏的光电导器件,被广泛地用于灯光自动控制、自动调光调焦和自动照相机中。5.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第第五五章章光光电电导导器器件件硫化镉(CdS)光敏电阻返回第93页，本讲稿共115页 PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导
44、探测器件。在室温下工作时 响应波长可达3m；峰值探测率D*=1.51011cm Hz1/2/W。响应时间,在室温条件下为100一300 s。5.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第第五五章章光光电电导导器器件件硫化铅(PbS)光敏电阻返回第94页，本讲稿共115页室温下：长波限可达7.5m；峰值探测率D*=1.2109cm Hz1/2/W；时间常数为210-2s。冷却至0时,D*可提高23倍。5.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第第五五章章光光电电导导器器件件锑化铟(InSb)光敏电阻返回第95页，本讲稿共115页Hg(1-x)cdxTe系列光敏电阻是目前所有探测器中性能
45、最优良、最有前途的一种,它由化合物CdTe和HgTe两种材料混合而成,其中x是Cd含量的组分比例,决定其敏感范围。常用的有13m、35m、814m这3种波长范围的探测器,例如Hg0.8Cd0.2Te探测器,光谱响应在大气窗口814m之间,峰值波长为10.6m,可与CO2激光器的激光波长相匹配。Hg0.72Cd0.28Te探测器的光谱响应范围为35m。5.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第第五五章章光光电电导导器器件件碲镉汞(HgcdTe)系列光敏电阻返回第96页，本讲稿共115页Pb1-xSnxTe系列光敏电阻由PbTc和SnTe两种材料混合而成,其中x是Sn的组分含量。组分比例不
46、同,峰值波长及长波限也随之改变。碲锡铅(PbSnTe)系列光敏电阻目前能在810m波段工作,由于探测率较低,应用不广泛。5.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第第五五章章光光电电导导器器件件碲锡铅(PbSnTe）系列光敏电阻返回第97页，本讲稿共115页5.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第第五五章章光光电电导导器器件件光敏电阻的应用1.1.火焰检测报警器火焰检测报警器返回2.2.照相机电子快门照相机电子快门3.3.照明灯的光电控制电路照明灯的光电控制电路4.4.太阳能自动跟踪控制器太阳能自动跟踪控制器第98页，本讲稿共115页如图所示为采用光敏电阻作为检测元件的火焰检测
47、报警器电路图。5.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第第五五章章光光电电导导器器件件火焰检测报警器第99页，本讲稿共115页 PbS光敏电阻的暗电阻为1M,亮电阻的阻值为0.2M。由V1、电阻R1、R2和稳压二极管VDW构成对光敏电阻R3的恒压偏置电路。恒压偏置电路具有更换光敏电阻方便的特点,只要保证光电导灵敏度Sg不变,输出电路的电压灵敏度就不会因为更换光敏电阻的阻值而改变,从而使前置放大器的输出信号稳定。当被检测物体的温度高于燃点或被点燃处发生火灾时,物体将发生波长接近于2.2m的辐射(或“跳变”的火焰信号)。5.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第第五五章章光光电电导
48、导器器件件第100页，本讲稿共115页 该辐射光将被PbS光敏电阻R3接收,使前置放大器的输出跟随火焰“跳变”的信号,并经电容C2耦合,送给由V2、V3组成的高输入阻抗放大器放大。火焰的“跳变”信号被放大后送给控制检测中心的放大器,并由控制检测中心发出火灾警报信号或执行灭火动作,如喷淋出水或灭火泡沫。5.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第第五五章章光光电电导导器器件件返回第101页，本讲稿共115页如图所示为利用光敏电阻构成的照相机自动曝光控制电路,也称为照相机的电子快门。5.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第第五五章章光光电电导导器器件件照相机电子快门第102页，本讲
49、稿共115页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C1构成的充电电路,时间检出电路(电压比较器)、三极管V构成的驱动放大电路和电磁铁M带动的开门叶片(执行单元)等组成。5.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第第五五章章光光电电导导器器件件第103页，本讲稿共115页 在初始状态,开关K处于图中所示的位置,电压比较器的正输入端的电位为R1与RP1对电源电压Ubb分压所得的阈值电压Uth(一般为11.5V),而电压比较器的负输入端的电位UR近似为电源电位Ubb,显然电压比较器负输
50、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。5.4 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用第第五五章章光光电电导导器器件件第104页，本讲稿共115页 当按动快门的按钮时,开关K与由光敏电阻R及RP2构成的测光与充电电路接通,这时,电容C1两端的电压UC为0。由于电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V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RP2与光敏电阻RP2向电容C1充电,且充电的速度取决于景物的照度,景物照度愈高,则光敏电阻R的阻值愈低,充电速度愈快，从而实现照