第2章光電導器件利用具有光電導效應制成電導隨入射光度量變化器件，稱為光電導器件或光敏電阻。光敏電阻具有體積小，堅固耐用，價格低廉，光譜響應范圍寬等優點。廣泛應用于微弱輻射信號的探測領域2.1光敏電阻的原理與結構2.1.1光敏電阻的基本原理

圖2-1所示為光敏電阻的原理圖與光敏電阻的符號，在均勻的具有光電導效應的半導體材料的兩端加上電極便構成光敏電阻。

當光敏電阻的兩端加上適當的偏置電壓Ubb（如圖2-1所示的電路）后，便有電流Ip流過，用檢流計可以檢測到該電流。2.1.2光敏電阻的基本結構

在第1章討論光電導效應時我們知道，光敏電阻在微弱輻射作用的情況下光電導靈敏度Sg與光敏電阻兩電極間距離l的平方成反比，

根據光敏電阻的設計原則可以設計出如圖2-2所示的3種基本結構，圖2-2（a）所示光敏面為梳形的結構。材料峰值波長譜寬性能參數CdS光敏電阻0.52umPbS光敏電阻2umInSb光敏電阻3~5μmHg1-xCdxTe4-8um2.1.3典型光敏電阻

6---最小可測功率：信噪比為1時的入射信號光功率噪聲等效功率（NEP）歸一化噪聲等效功率器件的信噪比7探測度與比探測度探測度歸一化探測度---比探測度2.2光敏電阻的基本特性

2.2.1光電特性

光敏電阻在黑暗的室溫條件下，由于熱激發產生的載流子使它具有一定的電導，該電導稱為暗電導

。

當有光照射在光敏電阻上時，它的電導將變大，這時的電導稱為光電導。電導隨光照量變化越大的光敏電阻就越靈敏。這個特性稱為光敏電阻的光電特性。光敏電阻在弱輻射強輻射作用下光敏電阻的電流Ip與作用到光敏電阻上的光照度E的關系曲線

在恒定電壓的作用下，流過光敏電阻的光電流Ip為

式中Sg為光電導靈敏度，E為光敏電阻的照度。顯然，當照度很低時，曲線近似為線性，隨照度的增高，線性關系變壞，當照度變得很高時，曲線近似為拋物線形

綜合弱輻射和強輻射，用指數因子表示光電流與照度的關系，把指數因子叫光電轉換因子

光電轉換因子在弱輻射作用的情況下為1（γ=1），隨著入射輻射的增強，γ值減小，當入射輻射很強時γ值降低到0.5。

在實際使用時，常常將光敏電阻的光電特性曲線改用如圖2-4所示的特性曲線。其中(a)為線性直角坐標系中光敏電阻的阻值R與入射照度EV的關系曲線，而(b)為對數直角坐標系下的阻值R與入射照度EV的關系曲線。

如圖2-4(b)所示的對數坐標系中光敏電阻的阻值R在某段照度EV范圍內的光電特性表現為線性，即（2-2）式中的γ保持不變。

γ值為對數坐標下特性曲線的斜率。即R1與R2分別是照度為E1和E2時光敏電阻的阻值。2.2.2伏安特性

光敏電阻本身為電阻，在電路中滿足歐姆定律，但是阻值隨光照的變化而變化可以測出在不同光照下加在光敏電阻兩端的電壓U與流過它的電流Ip的關系曲線，并稱其為光敏電阻的伏安特性。2.2.3溫度特性

光敏電阻為多數載流子導電的光電器件，具有復雜的溫度特性。

圖2-6所示為典型CdS與CdSe光敏電阻在不同照度下的溫度特性曲線。以室溫（25℃）的相對光電導率為100%，觀測光敏電阻的相對光電導率隨溫度的變化關系，可以看出光敏電阻的相對光電導率隨溫度的升高而下降，光電響應特性隨著溫度的變化較大。2.2.4時間響應當用一個理想方波脈沖輻射照射光敏電阻時，光生電子要有產生的過程，光生電導率Δσ要經過一定的時間才能達到穩定。當停止輻射時，復合光生載流子也需要時間，把這個時間稱為光敏電阻的響應時間（慣性）。。

光敏電阻的慣性與入射輻射信號的強弱有關，下面分別討論1.弱輻射作用情況下的時間響應

t≥0t=0對于本征光電導器件在非平衡狀態下光電導率Δσ和光電流IΦ隨時間變化的規律為當t=τr時，Δσ=0.63Δσ0，IΦ=0.63IΦe0；

τr定義為光敏電阻的上升時間常數

停止輻射時，入射輻射通量Φe與時間的關系為t=0t≥0光電導率和光電流隨時間變化的規律為

光敏電阻在弱輻射作用下的上升時間常數τr與下降時間常數τf近似相等。2.強輻射作用情況下的時間響應

t=0t≥0當t=τr時，Δσ=0.76Δσ0，IΦ=0.76IΦe0；光電流上升到穩態值的76%所需要的時間為上升時間光電導率和光電流隨時間變化的規律為

光電導率和光電流的變化規律可表示為停止輻射時t=0t≥0當t=τr時，Δσ=0.5Δσ0，IΦ=5IΦe0；光電流下降到到穩態值的50%所需要的時間為下降時間2.2.5噪聲特性

在一定波長光照下，光電探測輸出信號不平直，而是在平均值上下隨機起伏，隨機起伏的部分稱為噪聲。光敏電阻的主要噪聲：

熱噪聲、產生復合和低頻噪聲(或稱1/f噪聲)。

1、熱噪聲：載流子無規則的熱運動造成的噪聲

熱噪聲存在于任何電阻中，熱噪聲與溫度成正比。2、產生復合噪聲半導體受光照，載流子不斷生產-復合，在平衡狀態，產生復合數相等，但在瞬間，產生復合數是有起伏的，載流子濃度的起伏引起半導體電導率的起伏，引起電流電壓值得起伏，這中噪聲稱為產生復合噪聲。3、低頻噪聲（電流噪聲）這種噪聲由于半導體器件表面引起的，噪聲功率與頻率成反比，故稱為1/f噪聲。

在幾百赫茲以內以電流噪聲為主；隨著頻率的升高產生復合變得明顯；頻率很高時以熱噪聲為主。噪聲都與帶寬有關，與帶寬成正比。2.2.6光譜響應光敏電阻的光譜響應主要由光敏材料禁帶寬度、雜質電離能、材料摻雜比與摻雜濃度等因素有關。不同的材料，響應的峰值波長不同光敏電阻應用繼電器，電阻，光敏電阻，燈泡可組成簡單的光控燈。請各組同學自選型號，實現光控應用。/us/63281440/29777052.shtml/show/Z9boIR0WVc-VuQIyuPHMhQ...html?nr=12.3光敏電阻的變換電路2.3.1基本偏置電路

設在某照度Ev下，光敏電阻的阻值為R，電導為g，流過偏置電阻RL的電流為IL

用微變量表示

設入射照度為ev，光敏電阻的電流為偏置電阻RL兩端的輸出電壓為

從上式可以看出，當電路參數確定后，輸出電壓信號和電流信號與輻射入射輻射量（照度ev）成線性關系。

2.3.2恒流電路

當RL?R時，流過光敏電阻的電流基本不變，此時的偏置電路稱為恒流電路。在簡單偏置電路中

光敏電阻自身的阻值已經很高，要滿足恒流偏置的條件就難以滿足電路輸出阻抗的要求

穩壓管DW將晶體三極管的基極電壓穩定，即UB=UW，流過晶體三極管發射極的電流Ie

為晶體管恒流偏置電路在晶體管恒流偏置電路中輸出電壓Uo為恒流偏置電路的電壓靈敏度SV為交變光信號ev2.3.3恒壓電路

利用晶體三極管還可以構成光敏電阻的恒壓偏置電路。恒壓偏置電路的輸出電壓為設入射照度為ev，

由上式可以看出恒壓偏置電路的輸出信號電壓與光敏電阻的阻值無關。例2-1在如圖2-13所示的恒流偏置電路中，已知電源電壓為12V，Rb為820Ω，Re為3.3kΩ，三極管的放大倍率不小于80，穩壓二極管的輸出電壓為4V，光照度為40lx時輸出電壓為6V，80lx時為8V。（設光敏電阻在30到100lx之間的值不變）試求：（1）輸出電壓為7伏的照度為多少勒克司？（2）該電路的電壓靈敏度（V/lx）。

例2-2

在如圖2-14所示的恒壓偏置電路中，已知DW為2CW12型穩壓二極管，其穩定電壓值為6V，設Rb=1kΩ，RC=510Ω,三極管的電流放大倍率不小于80，電源電壓Ubb=12V，當CdS光敏電阻光敏面上的照度為150lx時恒壓偏置電路的輸出電壓為10V,照度為450lx時輸出電壓為8V,試計算輸出電壓為9V時的照度（設光敏電阻在100~500lx間的γ值不變）為多少lx？照度到500lx時的輸出電壓為多少？2.4光敏電阻的應用實例

2.4.1照明燈的光電控制電路

如圖2-15所示為一種最簡單的由光敏電阻作光電敏感器件的照明燈光電自動控制電路。

它由3部分構成

半波整流濾波電路

測光與控制的電路

執行電路

2.4.2火焰探測報警器

圖2-16所示為采用光敏電阻為探測元件的火焰探測報警器電路圖。PbS光敏電阻的暗電阻的阻值為1MΩ，亮電阻的阻值為0.2MΩ(幅照度1mw/cm2下測試)，峰值響應波長為2.2μm，恰為火焰的峰值輻射光譜。

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