光電導器件是利用半導體材料的光電導效應制成的一種光電探測器。光敏電阻又稱光導管或光電導體第4章

光電導器件1.光敏電阻的結構和分類一.光敏電阻的工作原理最典型的光電導器件是光敏電阻。

在一塊均質光電導體兩端加上電極，貼在硬質玻璃、云母或其它絕緣材料基板上，兩端接有電極引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內而成的。

在軍事和國民經濟的各個領域有廣泛用途。

在可見光或近紅外波段主要用于射線測量和探測、工業自動控制、光度計量等；

在紅外波段主要用于導彈制導、紅外熱成像、紅外遙感等方面。同學們想一想：為什么照相機會在不同光照下自動曝光?為什么路燈能天黑亮而天亮滅？

光敏電阻分為兩類：本征型光敏電阻和摻雜型光敏電阻。兩種類型光敏電阻能帶圖為減少雜質能級上電子的熱激發，常需要在低溫下工作。

強調:從原理上說，P型、N型半導體均可制成光敏電阻。

但是：由于電子的遷移率比空穴大，而且N型半導體材料制成的光敏電阻性能較穩定，特性較好，故目前大都使用N型半導體光敏電阻。EcEvEd?EEcEvEg外電場方向

在外電場的作用下，光生載流子沿一定方向運動，在電路中形成電流。沒有光照:阻值很大，電流較小；有光照:光生載流子增加，阻值減小，電流增加。

光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時兩電極可加直流電壓，也可加交流電壓。

當光電導體上加上電壓，無光照時具有熱激發載流子，其相應的暗電導率為2

.

光敏電阻的工作原理

有光照時，具有光生載流子出現，因此當光照穩定時，亮電導率為遷移比由此可以得到光電導率為

有光照時產生的光生載流子濃度用Δn和Δp表示。光照穩定情況下的載流子濃度為

在電場強度的作用下,短路光電流密度為

η為量子效率;V為材料體積

可以看出:由于光照的增加，電導率增加了，光電流也增加了。τ是什么意思?g為載流子產生率

N:單位時間產生的電子-空穴對;壽命分別為?L為光電導體長度A為光電導體橫截面面積

在光輻射作用下，由于光照增加的電子和空穴濃度，材料的電導率增加,增加多少呢?

U為所加電壓無光照:光敏電阻的暗電流

由光電導率引起的光電流結論:光敏電阻的光電流Ip與L的平方成反比光電導率UL結論:光敏電阻的光電流Ip與L的平方成反比

設計光敏電阻時為了減小電極間的距離L，保證光敏電阻有足夠的受光面積，一般采用下列結構:二光敏電阻的主要特性參數

暗電流:在室溫條件下，在全暗后經過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻.流過此電阻的電流.光電流+暗電流=亮電流

亮電流:在室溫條件下，光敏電阻在一定照度下的阻值，稱為該光照下的亮電阻,流過此電阻的電流.光敏電阻的特性參數有哪些?

光電導靈敏度;光電導增益;量子效率;光譜響應率與光譜響應曲線;響應時間和頻率特性;前歷效應;光電特性和溫度特性等.

強調：一般光敏電阻的暗電阻在10MΩ以上，光照后顯著降低，亮電阻和暗電阻比值在10-2-10-6之間，比值越小光敏電阻的靈敏度越高。如圖為硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線。其阻值與入射光量有關,而與電壓、電流無關。在給定偏壓下,光照度較大，光電流也越大。在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現象。但是電壓不能無限地增大，因為任何光敏電阻都受額定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導致光敏電阻永久性損壞。伏安特性：在一定照度下,流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關系稱為光敏電阻的伏安特性。1.光電導靈敏度Sggp:光電導，單位為西門子S（Ω-1）。E：照度，單位為勒克斯（lx）。Sg:單位為西門子/勒克斯（S/lx）或Sm2/W。gP稱為光敏電阻的光電導按靈敏度定義若考慮暗電導產生的電流時，則流過光敏電阻的電流為

式中,I為亮電流；Ip為光電流；Id為暗電流；gd為暗電導；

g為亮電導。響應量與輸入量之比

所以若考慮暗電流時光敏電阻的光電導為2.光電導增益

光電導增益M:表示長度為L的光敏電阻兩端加上電壓U后，由光照產生的光生載流子在電場作用下所形成的外部光電流與光電子形成的內部電流(qN)之間的比值光敏電阻電子增益系數:

空穴增益系數:

載流子的渡越時間:

在半導體中，電子和空穴的壽命是相同的，都等于載流子的平均壽命τ，即τ＝τn＝τP，所以本征型光敏電阻的增益系數可寫成:

光電導器件的量子效率η:表示每個入射光子所釋放的平均電子數。

無量綱:它表示單位時間內每入射一個光子所能引起的載流子數

3.量子效率

硅和鍺光敏電阻的量子效率η-λ的關系曲線

假設入射的單色輻射功率φ(λ)能產生N個載流子，則量子效率

高增益系數的光敏電阻的電極間距很小，使得光敏電阻集光面積太小,使得光譜響應率<1A/W而不實用。

延長載流子壽命雖然能提高增益因數，但卻降低了響應速度；可見:在光敏電阻中，增益與響應速度是相矛盾的兩個量

增大增益系數可提高的光譜響應率4.光譜響應率與光譜響應曲線（波長選擇性）

光譜響應率表示在某一特定波長下，輸出光電流(或電壓)與入射輻射能量之比。輸出光電流

從圖中可見，硫化鎘光敏電阻的光譜響應的峰值在可見光區域,常被用作光度量測量（照度計）的探頭。硫化鉛光敏電阻響應于近紅外和中紅外區,常用做火焰探測器的探頭。如圖為幾種不同材料光敏電阻的光譜特性。不同波長,光敏電阻的靈敏度不同。不同材料的光敏電阻光譜響應曲線也不同。5.響應時間和頻率特性

光電導材料從光照開始到獲得穩定的光電流需要一定時間，這個時間叫響應時間。

通常材料突然受光照到穩定狀態時光生載流子濃度的變化規律為

ΔP0為穩態光生載流子濃度響應時間反映了光敏電阻的惰性，響應時間長說明光敏電阻對光的變化反應慢或惰性大。

定義：光生載流子濃度上升到穩態值的63%所需的時間為上升響應時間

停止光照后光生載流子濃度的變化為

光照停止后，光生載流子下降到穩定值的37%時所需的時間為下降時間。

當輸入光功率按正弦規律變化時，光生載流子濃度隨光調制頻率變化的關系為上升時間和下降時間相等，同等于載流子壽命。

輸出光電流與調制頻率的關系具有低通特性

四種不同材料光敏電阻的頻率響應曲線

1:硒2:硫化鎘3:硫化砣4:硫化鉛實驗證明：當所加電壓一定時，光電流和照度關系曲線

6.光電特性和γ值

光敏電阻的光電流與入射光通量之間的關系稱光電特性當弱光照時

?當強光照時

?討論兩種情況:

γ為照度指數:在弱光照時為1，稱線性光電導；在強光照時為0.5，為非線性光電導；一般情況下在0.5～l之間。

Sg是光電導靈敏度，它與光敏電阻材料有關；U為外加電源電壓；Ф為入射光通量；E為入射光照度；光敏電阻的光電特性一般用下列關系式決定:弱光照時:τ和tdr不變，光電流和光照成正比

強光照時:τ與光子濃度有關，tdr因電子濃度變大而變化變，光電流和光照呈非線性7.前歷效應

前歷效應：指光敏電阻的響應特性與工作前的“歷史”有關的一種現象。

前歷效應：暗態前歷效應、亮態前歷效應

暗態前歷效應：指光敏電阻測試（工作）前處于暗態，當它突然受到光照后所表現出的一些現象?

現象:暗態前歷越長，光電流上升越慢硫化鎘光敏電阻的暗態前歷效應曲線

1:3min2:1h3:24h

亮態前歷效應：指光敏電阻測試（工作）前已處于亮態，當照度與工作時所要達到的照度不同時，達到穩定值所需時間存在滯后現象

由低照度變為高照度狀態.長?

由高照度變為低照度狀態.短?亮態前歷現象測試結果圖,其中E2是要達到的照度。硫化鎘單晶溫度特性曲線:硫化鎘多晶溫度特性曲線:

硫化鉛光敏電阻在冷卻情況下相對光譜靈敏度的變化情況:

光敏電阻的溫度特性比較復雜，在一定的照度下，亮電阻的溫度系數α:8．溫度特性

溫度對光譜響應也有影響:光譜特性主要決定于材料的禁帶寬度，禁帶寬度越窄對長波越敏感，但禁帶很窄時，半導體中熱激發會使自由載流子濃度增加，使復合運動加快，靈敏度降低。式中，R1、R2分別為與溫度T1、T2相對應的亮電阻。

可見,采取冷卻靈敏面的方法,可提高靈敏度。

結論:溫度低時，靈敏范圍和峰值波長都向長波方向移動。

一般規定在100lx下測試

9.穩定性初制成的光敏電阻，由于體內機構工作不穩定，以及電阻體與其介質的作用還沒有達到平衡，所以性能是不夠穩定的。但在人為地加溫、光照及加負載情況下，經一至二周的老化，性能可達穩定。光敏電阻在開始一段時間的老化過程中，有些樣品阻值上升，有些樣品阻值下降，但最后達到一個穩定值后就不再變了。這就是光敏電阻的主要優點。光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下，幾乎是無限長的。硫化鎘光敏電阻的時間特性曲線三光敏電阻的偏置電路和噪聲1.偏置電路

圖中:

Rp為光敏電阻，RL為負載電阻，Ub為偏置電壓，UL為負載電阻兩端電壓。

在一定光照范圍內光敏電阻阻值不隨所加電壓改變，而是取決于輸入光照E，忽略暗電導時

結論：電阻值隨光照度的增加而減小RLRPUbIUL

實線：不同光照下光敏電阻的伏安特性曲線和負載線。保證：光敏電阻在任何光照下不因過熱而損壞！

結論:

光通量Φ變化時，流過光敏電阻電流和兩端電壓都在變。

虛線：光敏電阻的極限功耗曲線;

光敏電阻的功耗為P=IU，實際使用時要求P=IU<PMAX

負載電流和電壓的變化近似與光通量的變化Δφ成正比

光敏電阻的伏安特性曲線Q1、Q2、Q3

為工作點ΔI=?

設光通量變化ΔΦ，電阻變化ΔRp，電流變化ΔI

？

定義：負載電流與光敏電阻無關的電路為恒流偏置電路。討論幾種情況:(1).恒流偏置滿足條件:

RL>>RP

表明:負載電流與光敏電阻無關,近似保持常數I=?RLRPUbIUL

負載電流隨著光通量的變化關系式為：說明：輸出信號電流與光敏電阻和負載電阻的比值有關，與偏置電壓正比。恒流偏置電路特點優點：電壓信噪比高，適用于高靈敏度測量；缺點：負載很大，光敏電阻正常工作的偏置電壓達100V，使用起來不方便；可用晶體管實現恒流。

定義：光敏電阻上的電壓保持不變的電路為恒壓偏置電路(2).恒壓偏置滿足條件:RL<<RP

表明:光敏電阻上的電壓近似等于UbUL=?RLRPUbIUL

負載上的信號電壓為：說明：輸出信號電壓與光敏電阻無關，與電導的相對變化有關。優點：電路需更換光敏電阻時，對電路初始狀態影響不明顯(3).恒功率偏置滿足條件:RL=RP

表明:負載匹配時,光敏電阻輸出的電功率最大。P=?RLRPUbIUL

注意：當兩個光通量相差幾個數量級時,相應的光電阻也相差很大,此時想要保持阻抗匹配，是相當困難的。

經過分析計算知，當RL=?負載上可以得到最大的電壓變化幾何平均數（Geometricmean）

例題，若負載電阻RL=1MΩ，光敏電阻的亮電阻為1MΩ，

Pmax=0.1W/cm2，當光敏面積為0.01cm2時，求最大偏置電壓？

解：設光敏電阻的亮電阻為Rg，偏置電壓為U,根據題意有RLRgUiUL功率匹配時有RL=Rg，因此有代入已知數有：該系列光敏電阻是目前所有探測器中性能最優良和最有前途的光敏電阻。它有CdTe和HgTe兩種材料混合而成，Cd的含量不同敏感范圍不同。該系列光敏電阻的探測率較低，用的較少。它由PbTe和SnTe兩種材料混合而成，Sn的含量不同,峰值波長和長波限也跟著改變。(1).硫化鎘(CdS)光敏電阻

1.常見光敏電阻及其特點(2).硫化鉛(PbS)光敏電阻

(3).銻化銦(InSb)光敏電阻

(4).碲鎘汞系列光敏電阻(5).碲錫鉛(PbSnTe)系列光敏電阻峰值波長為0.52微米，是可見光段內最靈敏的光電導器件，主要用于燈控，自動調焦，自動相機中。是近紅外波段最靈敏的光電導器件。室溫下長波限為7.5微米，四光敏電阻的特點和應用

光敏電阻常用來制作光控開關，例如照相機自動曝光電路和路燈自動控制電路

J~220VRDCCdS燈常閉分析工作原理2.光敏電阻的應用

電路兩部分組成：電阻R、電容C和二極管D組成半波整流濾波電路；CdS光敏電阻和繼電器J組成控制電路。