4.4光電導探測器——光敏電阻

要求:了解光敏電阻的原理和結構

熟悉光敏電阻的特性

熟悉光敏電阻的特點

知道光敏電阻的使用注意事項4.4.0光電導探測器光電導探測器利用光電導效應原理工作的探測器。光電導效應為半導體材料的體效應，無須pn結，故又稱為無結光電探測器原理基于光電導效應，該器件在光照下會改變自身的電阻率；光照越強，其電阻越小，因此又稱為光敏電阻或光導管。適用性本征型，常溫下工作，可用來檢測可見光和近紅外輻射非本征型，在低溫下工作，可以檢測波長很長的輻射在儀器儀表、光電控制和光電制導等領域應用廣泛。4.4.1光電轉換原理以非本征N型材料為例進行分析，如圖M>1說明雖然載流子已經渡越完畢，但載流子的平均壽命還未終止。可理解為電子到達陽極消失時，半導體內的空穴仍存在，可以吸引其它電子使電子向陽極移動。有效量子效率電荷放大系數光電流內增益4.4.1光電轉換原理結構它由一塊涂在絕緣基底上的光電導材料薄膜和兩端接有兩個引線的電極構成，整體封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內。電極和光電導體之間呈歐姆接觸。光敏電阻在電路中的符號4.4.2工作特性對各種光響應靈敏度隨入射光波長變化而變化的特性；通常用光譜響應曲線、光譜響應范圍和峰值響應波長來描述；峰值波長取決于光敏材料的禁帶寬度：由于雜質和晶格缺陷的存在，光譜響應相對截止波長向長波方向擴展；又由于光敏材料對短波長光的吸收系數高，表面層載流子濃度很高，使得復合速度也變快，于是對短波長光的靈敏度降低，所以總有一定的響應范圍。光敏電阻的性能包括光譜響應特性、照度伏安特性、頻率響應和溫度特性等。1.光譜響應特性4.4.2工作特性利用半導體摻雜等技術可以改善光敏電阻的光譜響應范圍和峰值響應波長，從而滿足特殊需求；光譜響應曲線1.光譜響應特性波長/nm相對靈敏度4.4.2工作特性光敏電阻的光照特性呈非線性關系：在低偏壓（幾伏~幾十伏），弱光照（0.1lx~1000lx）條件下，照度特性和伏安特性都認為是線性的。2.光照特性和伏安特性：電壓指數，一般在1.0~1.2之間：照度指數，在0.5~1之間4.4.2工作特性伏安特性2.光照特性和伏安特性匹配工作狀態越大越好4.4.2工作特性伏安特性高頻時，光敏電阻的電容效應不能忽略（因為為了提高電流增益，往往減小電極間距離，卻使電容增大)，該效應使得響應時間增大，響應頻率減小；偏置電壓的選取應使得光敏電阻的消耗功率小于允許的最大耗散功率，否則將損壞。2.光照特性和伏安特性匹配工作狀態4.4.2工作特性光敏電阻受光照和被遮光后，回路電流并不立即增大或減小，而是有一響應時間。3.時間響應特性與光照度、所加電壓、負載電阻及前厲時間等有關；使用中，應盡量提高照明度，降低所加電壓、施加適當偏置光照，來提高時間響應特性。4.4.2工作特性指光敏電阻的時間特性與工作前“歷史”有關的一種現象。即測試前光敏電阻所處狀態對光敏電阻特性的影響。4.前歷效應暗態前歷效應：

1-黑暗放置3分鐘后

2-黑暗放置60分鐘后

3-黑暗放置24小時后亮態前歷效應：4.4.2工作特性光敏電阻的阻值隨溫度變化，但溫度穩定性在中等光照時較好。如CdS光敏電阻的溫度系數在10lx照度時為零，照度高于10lx時，溫度系數為正，小于10lx時，溫度系數為負。在低溫環境下（零下），光敏電阻的響應速度變慢；如在-30oC時的響應速度是20oC時的20倍。光敏電阻的允許功耗，隨環境溫度升高而降低。5.穩定特性4.4.2工作特性主要為熱噪聲、產生復合噪聲、1/f噪聲；噪聲與頻率的關系：減小噪聲的措施：紅外：減小溫漂，使信號放大，可調制較高的f;制冷，降低熱噪聲；選擇恰當的偏置電路，提高信噪比。6.噪聲特性4.4.3光敏電阻的特點靈敏度高，光電導增益大于1，工作電流大，無極性之分；光譜響應范圍寬，尤其對紅外有較高的靈敏度；所測光強范圍寬，可測強光、弱光。1.優點2.缺點強光下光電轉換線性差；光電導響應時間長；受溫度影響大；設計負載時，難始終保持匹配，還要考慮額定功耗；進行動態設計時，要考慮光敏電阻的前歷效應。4.4.4幾種典型的光敏電阻4.4.5使用注意事項用于測光的光源光譜特性必須與光敏電阻的光譜特性相匹配；要防止光敏電阻受雜散光的影響；要防止光敏電阻的電參數（電壓、功耗）超過允許值；根據不同用途，選用不同特性光敏電阻；數字信息傳輸時，宜選用亮暗電阻差別大、光照指數γ大的光敏電阻；模擬信息傳輸時，宜選用光照指數γ=1的光敏電阻（線性好）。練習如圖所示為光敏電阻自動計數器的示意圖，其中A為發光儀器，B為水平傳送帶，由電動機帶動做勻速直線運動。R1為光敏電阻，R2為定值電阻，R1、R2串聯在電路中，電源電壓保持不變．每當傳送帶上有易拉罐擋住由A射向R1的光線時，R1的電阻值就增大，計數器就計數一次。則：（1）當傳送帶上有易拉罐擋住由A射向R1的光線時，定值電阻R2兩端的電壓將________。（填“變大”、“變小”或“不變”）（2）已知相鄰的兩個易拉罐中心之間的距離均為20cm，若計數器從易拉罐第一次擋住光線開始計時，到恰好計數101次共用時間40s，則傳送帶的速度為多少m/s？答案：（1）由題意可知，當傳送帶上有易拉罐擋住由A射向R1的光線時，R1的電阻值就增大，由于R1、R2是串聯在電路中的，當R1電阻值增大，R1分得的電壓就增大，R2兩端的電壓將變小；（2）由v＝s/t＝(101-1)×0.2m/40s＝0.5m/s。知識鞏固