第四章光電導(dǎo)器件wyzh

第4章光電導(dǎo)器件（Photoconductive—PC）4.1光敏電阻的工作原理5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲5.4光敏電阻的特點(diǎn)和應(yīng)用

光電導(dǎo)器件是利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種光電探測(cè)器。第4章

光電導(dǎo)器件（Photoconductive—PC）最典型的光電導(dǎo)器件是光敏電阻。

在軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域有廣泛用途。在可見光或近紅外波段主要用于射線測(cè)量和探測(cè)、工業(yè)自動(dòng)控制、光度計(jì)量等；在紅外波段主要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外熱成像、紅外遙感等方面。同學(xué)們想一想：為什么照相機(jī)會(huì)在不同光照下自動(dòng)曝光?為什么路燈能天黑亮而天亮滅？知識(shí)回顧提問(wèn)：什么是半導(dǎo)體光電效應(yīng)？半導(dǎo)體材料吸收光子能量，輸出電信號(hào)的現(xiàn)象。提問(wèn)：半導(dǎo)體光電效應(yīng)的分類？光電效應(yīng)外光電（光電發(fā)射）效應(yīng)發(fā)射體外自由電子，增加光電流內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)增加體內(nèi)自由電子，增大電導(dǎo)率光生伏特效應(yīng)增加結(jié)內(nèi)自由電子濃度，產(chǎn)生光生電壓光電發(fā)射器件光電導(dǎo)器件光生伏特器件半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件是利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電探測(cè)器。當(dāng)半導(dǎo)體材料受光照時(shí)，由于對(duì)光子的吸收引起載流子濃度的增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大的現(xiàn)象，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。一、光敏電阻(photocell)的工作原理提問(wèn)：什么是光電導(dǎo)效應(yīng)？提問(wèn)：發(fā)生光電導(dǎo)效應(yīng)的條件是什么？（1）本征吸收電子能量導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶（2）雜質(zhì)吸收電子能量導(dǎo)帶價(jià)帶施主能級(jí)結(jié)論：摻雜型光敏電阻對(duì)紅外波段較為敏感。

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(zhì)能級(jí)上電子的熱激發(fā)，常需要在低溫下工作。例如，Ge、Hg雜質(zhì)光電導(dǎo)探測(cè)器工作時(shí)必須采用裝有液氖的杜瓦瓶將其冷卻到77K以下，這給使用帶來(lái)極大的不便，也是遠(yuǎn)紅外探測(cè)的困難所在

強(qiáng)調(diào):從原理上說(shuō)，P型、N型半導(dǎo)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(dǎo)體材料制成的光敏電阻性能較穩(wěn)定，特性較好，故目前大都使用N型半導(dǎo)體光敏電阻。EcEvEd?EEcEvEg外電場(chǎng)方向?qū)ν环N材料，空穴的遷移率比電子的遷移率低，這是因?yàn)榭昭ǖ倪\(yùn)動(dòng)是共價(jià)鍵中的電子依次填補(bǔ)空穴的結(jié)果，它不如自由電子靈活，所以其漂移速度低。在電場(chǎng)作用下，半導(dǎo)體中的載流子作定向漂移運(yùn)動(dòng),由此形成的電流稱為漂移電流。在電場(chǎng)強(qiáng)度不太大時(shí)，電子和空穴移動(dòng)的速度（也稱漂移速度）vn、vp與電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比，可表示為

vn=－μnE

或vp=μpE式中，μn為電子遷移率；μp為空穴遷移率。遷移率μ是單位電場(chǎng)強(qiáng)度引起的載流子的平均漂移速度，其數(shù)值與半導(dǎo)體的材料、摻雜濃度、溫度等有關(guān)。在室溫300K時(shí)，硅材料的μn=0.13cm2/V×s;

μp=0.05cm2/V×s;

鍺材料的μn=0.38cm2/V×s;μp

=0.18cm2/V×s。對(duì)同一種材料，空穴的遷移率比電子的遷移率低，這是因?yàn)榭昭ǖ倪\(yùn)動(dòng)是共價(jià)鍵中的電子依次填補(bǔ)空穴的結(jié)果，它不如自由電子靈活，所以其漂移速度低。式中右邊的負(fù)號(hào)表明電子漂移運(yùn)動(dòng)的方向與電場(chǎng)相反。在均質(zhì)的光電導(dǎo)體兩端加上電極后構(gòu)成光敏電阻，兩電極加上一定電壓(可加直流電壓,也可加交流電壓)后，無(wú)光照時(shí)，光敏電阻的阻值很大，電路中電流很小。當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上，由光照產(chǎn)生的光生載流子(半導(dǎo)體中的電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶時(shí)，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴)迅速增加，它的阻值急劇減小。在外電場(chǎng)作用下光生載流子沿一定方向運(yùn)動(dòng)，在電路中形成電流，光生載流子越多電流越大。達(dá)到光電轉(zhuǎn)換的目的。

光敏電阻的工作原理及電路符號(hào)

光敏電阻沒(méi)有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)兩電極可加直流電壓，也可加交流電壓。價(jià)帶導(dǎo)帶常溫光照時(shí)無(wú)光照時(shí)：有光照時(shí)：光電導(dǎo)率為：UgIP光生載流子不斷的產(chǎn)生也不斷的復(fù)合,當(dāng)光照穩(wěn)定時(shí)設(shè)光生載流子的平均壽命為τ，當(dāng)光敏電阻接收到的輻射通量為фs，光敏電阻的體積為V，量子效率為η，設(shè)電場(chǎng)強(qiáng)度為Ex,則光電流密度為：則光生載流子的濃度為：g’載流子產(chǎn)生率可見：光照增加時(shí)，光敏電阻的電導(dǎo)率增大，相應(yīng)的光電流也增大了即單位時(shí)間內(nèi)單位體積內(nèi)載流子產(chǎn)生個(gè)數(shù)光電導(dǎo)率為：設(shè)：光電阻上的電壓為U,光電導(dǎo)長(zhǎng)度為L(zhǎng)（兩極間距）橫截面積為A無(wú)光照時(shí)電流為----光照產(chǎn)生的電流為-----暗電導(dǎo)暗電阻光照時(shí)電流為----亮電導(dǎo)亮電阻光電導(dǎo)暗電流亮電流光電流結(jié)論:光敏電阻的光電流Ip與L的平方成反比

微變等效電路光電阻Rp0--平均光照時(shí)光敏電阻的阻值U--光電阻Rp0上的分電壓。利用該等效電路可方便地計(jì)算光電導(dǎo)探測(cè)器接受交變輻射時(shí)的輸出信號(hào)。使用條件：光通量變化較小三種量之間的關(guān)系--------結(jié)論2光電導(dǎo)探測(cè)器光敏面做成蛇形等結(jié)構(gòu)結(jié)論1在電壓一定的條件下，光電導(dǎo)探測(cè)器為受控恒流源，電流大小由光輻射通量決定注：Rp0上是一個(gè)與輻通量有關(guān)的變量，只有在輻通量變化較小時(shí)才有近似線性的輸出，否則會(huì)出現(xiàn)較大的非線性光敏電阻的光敏面做成蛇形，電極做成梳狀。這樣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)既可保證光敏電阻有足夠的受光面積，又減小電極間的距離L，這樣增大了光電流（光電導(dǎo)增益M增大）有利于提高光敏電阻的靈敏度二、光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)

光敏電阻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則：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(jié)構(gòu):光敏電阻實(shí)物圖梳型結(jié)構(gòu)在玻璃基底上面蝕刻成互相交叉的梳狀槽，在槽內(nèi)填入黃金或石墨等導(dǎo)電物質(zhì)，在表面再敷上一層光敏材料。即兩個(gè)梳型電極之間為光敏電阻材料。如圖所示。由于兩個(gè)梳型電極靠的很近，電極間距很小三種結(jié)構(gòu)形式蛇形結(jié)構(gòu)如圖，光敏面（光電導(dǎo)材料）制成蛇形，光電導(dǎo)兩側(cè)為金屬導(dǎo)電材料，并在其上設(shè)置電極。這種光敏電阻的電極間距（為蛇形材料的寬度）也很小。三種結(jié)構(gòu)形式刻線結(jié)構(gòu)在玻璃基片上鍍制一層薄的金屬箔，將其刻劃成柵狀槽，然后在槽內(nèi)填入光敏電阻材料層后制成。其結(jié)構(gòu)如下圖所示（側(cè)向圖）。三種結(jié)構(gòu)形式4.2光敏電阻的主要的特性參數(shù)亮電阻：光敏電阻在一定光照時(shí)的電阻值亮電流：此時(shí)電阻加上一定的電壓所通過(guò)的電流為亮電流光電導(dǎo)：光敏電阻由光照產(chǎn)生的電導(dǎo)光電流：由光照產(chǎn)生的電流暗電阻：光敏電阻在室溫條件下，在全暗時(shí)的電阻值暗電流：此時(shí)電阻加上一定的電壓所通過(guò)的電流為暗電流暗電導(dǎo)：光敏電阻在室溫條件下，在全暗時(shí)的電導(dǎo)亮電導(dǎo)：光敏電阻在一定光照時(shí)的電導(dǎo)值強(qiáng)調(diào)：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。光電流+暗電流=亮電流常用“100LX”表示常用“0LX”表示暗電導(dǎo)：亮電導(dǎo)：光電導(dǎo)：1.光電導(dǎo)靈敏度Sg暗電流：亮電流：光電流：定義光電導(dǎo)靈敏度為Sg:或響應(yīng)量與輸入量之比Sg:單位為西門子/勒克斯（S/lx）或Sm2/W。若考慮暗電導(dǎo)產(chǎn)生的電流時(shí)，則流過(guò)光敏電阻的電流為所以若考慮暗電流時(shí)光敏電阻的光電導(dǎo)為弱光照時(shí)的線性關(guān)系（后面詳細(xì)分析）例1在圖3—4所示的電路中，設(shè)光敏電阻的光電導(dǎo)靈敏度為Sg=2×10-5S／lx，RL=2kQ，Ub=30V。若光敏電阻所受的光照度E=15+2sinωt(lx)，求負(fù)載電阻RL輸出的交流電壓有效值UL。UbIPRL光敏電阻的阻值R。隨光照度的變化而變化，但光照度的變化較小，可取平均光照時(shí)的光敏電阻的阻值來(lái)進(jìn)行近似計(jì)算。平均光電導(dǎo)為光敏電阻兩端的電壓交流光電流為由RL和Rp分流，負(fù)載電阻RL的交流電壓為其有效值2.光電導(dǎo)增益M它表示長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光電導(dǎo)體兩端加上電壓以后,由光照產(chǎn)生的光生載流子在電場(chǎng)作用下所形成的外部光電流與光電子形成的內(nèi)部電流(qN)之間的比值。載流子渡越極間距離L所需的的渡越時(shí)間tdr:光敏電阻電子增益系數(shù)、空穴增益系數(shù)

在半導(dǎo)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(shù)可寫成:提高M(jìn)值減少電極間的間距L適當(dāng)提高工作電壓增大τ和μ的乘積輸出光電流

表明，光電導(dǎo)增益等于載流子的平均壽命與載流子的渡越時(shí)間之比，表示一個(gè)光生載流子對(duì)探測(cè)器外回路電流的有效貢獻(xiàn)。注意：靈敏度與光電增益的區(qū)別（1）靈敏度是光電導(dǎo)體在光照下產(chǎn)生光電導(dǎo)能力的大小。（2）增益指在工作狀態(tài)下，各參數(shù)對(duì)光電導(dǎo)效應(yīng)的增強(qiáng)能力。材料特性結(jié)構(gòu)參數(shù)3.量子效率入射一個(gè)光子所產(chǎn)生的電子或電子空穴對(duì)的數(shù)目假設(shè)入射的單色輻射功率φ(λ)能產(chǎn)生N個(gè)載流子，則量子效率

無(wú)量綱:它表示單位時(shí)間內(nèi)每入射一個(gè)光子所能引起的載流子數(shù)

原因：高增益系數(shù)的光敏電阻的電極間距很小，使得光敏電阻集光面積太小而不實(shí)用。延長(zhǎng)載流子壽命雖然能提高增益因數(shù)，但卻降低了響應(yīng)速度；可見:在光敏電阻中，增益與響應(yīng)速度是相矛盾的兩個(gè)量增大增益系數(shù)可提高的光譜響應(yīng)率（靈敏度）4.光譜響應(yīng)率（光譜靈敏度）與光譜響應(yīng)曲線

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

實(shí)際常用的光敏電阻的光譜響應(yīng)率<1A/W光譜特性

在可見光區(qū)靈敏的幾種光敏電阻的光譜特性曲線1-硫化鎘單晶

2-硫化鎘多晶

3-硒化鎘多晶

4-硫化鎘與硒化鎘混合多晶在紅外區(qū)靈敏的幾種光敏電阻的光譜特性曲線光譜響應(yīng)又稱光譜靈敏度，是指光敏電阻在不同波長(zhǎng)的單色光照射下的靈敏度。若將不同波長(zhǎng)下的靈敏度畫成曲線，就可以得到光譜響應(yīng)的曲線。光譜特性多用相對(duì)靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線表示。根據(jù)光敏電阻的光譜特性，可分為三種光敏電阻器：1、紫外光敏電阻器：對(duì)紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等，用于探測(cè)紫外線。2、紅外光敏電阻器：主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛。銻化銦等光敏電阻器，廣泛用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、天文探測(cè)、非接觸測(cè)量、人體病變探測(cè)、紅外光譜，紅外通信等國(guó)防、科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。3、可見光光敏電阻器：包括硒、硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等。主要用于各種光電控制系統(tǒng)，如光電自動(dòng)開關(guān)門戶，航標(biāo)燈、路燈和其他照明系統(tǒng)的自動(dòng)亮滅，自動(dòng)給水和自動(dòng)停水裝置，機(jī)械上的自動(dòng)保護(hù)裝置和“位置檢測(cè)器”，極薄零件的厚度檢測(cè)器，照相機(jī)自動(dòng)曝光裝置，光電計(jì)數(shù)器，煙霧報(bào)警器，光電跟蹤系統(tǒng)等方面。

Sg是光電導(dǎo)靈敏度，它與光敏電阻材料有關(guān)；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(guān)系式?jīng)Q定:當(dāng)弱光照時(shí)?當(dāng)強(qiáng)光照時(shí)?討論兩種情況:弱光照時(shí):τ和tdr不變，光電流和光照成正比.呈線性強(qiáng)光照時(shí):τ與光子濃度有關(guān)，tdr也因電子濃度變大或溫升而產(chǎn)生變化，光電流和光照呈非線性5.光電特性和γ值光敏電阻的光電流與入射光通量（光照度）之間的關(guān)系稱光電特性Sg光電導(dǎo)靈敏度，與材料有關(guān)U為外加電源電壓γ＝

0.5~1－－照度指數(shù)強(qiáng)光－－γ為0.5弱光－－γ為1弱光－－線性（測(cè)量）強(qiáng)光－－非線性（控制）利用光電導(dǎo)靈敏度的概念，結(jié)合微變等效電路可以方便地分析和計(jì)算線性光電導(dǎo)對(duì)交變輻射的響應(yīng)。照度指數(shù)γ值實(shí)用的光電特性參數(shù)：暗電阻～MΩ亮電阻～KΩRp1與Rp2分別是照度為E1和E2時(shí)光敏電阻的阻值。

練習(xí)1：已知某光敏電阻在500lx的光照下阻值為550Ω，而在700lx的光照下的阻值為450Ω，試去求該光敏電阻在550lx光照下的阻值？（光照在500~700lx下γ值保持不變）(1)光敏電阻為純電阻，符合歐姆定律。其伏安特性曲線為直線。(2)光照使光敏電阻發(fā)熱，使得在額定功耗內(nèi)工作，其最高使用電壓由其耗散功率所決定。對(duì)于圖中，就是不能使靜態(tài)工作點(diǎn)居于虛線上方以內(nèi)的的區(qū)域。(3)伏安特性曲線和負(fù)載線的交點(diǎn)即為光敏電阻的工作點(diǎn)。在設(shè)計(jì)負(fù)載電阻時(shí)，應(yīng)不使負(fù)載線與額定功耗線相交。在一定的光照下，光敏電阻的光電流與所加的電壓關(guān)系6.伏安特性，光敏電阻在一定的光照下阻值穩(wěn)定因而廣泛地應(yīng)用在自動(dòng)化技術(shù)中。7.響應(yīng)時(shí)間和頻率特性

光電導(dǎo)材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流需要一定時(shí)間，這個(gè)時(shí)間叫響應(yīng)時(shí)間。

通常材料突然受光照到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)光生載流子濃度的變化規(guī)律為

ΔP0為穩(wěn)態(tài)光生載流子濃度響應(yīng)時(shí)間反映了光敏電阻的惰性，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)說(shuō)明光敏電阻對(duì)光的變化反應(yīng)慢或惰性大。

定義：光生載流子濃度上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所需的時(shí)間為上升響應(yīng)時(shí)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(wěn)定值的37%時(shí)所需的時(shí)間為下降時(shí)間。

當(dāng)輸入光功率按正弦規(guī)律變化時(shí)，光生載流子濃度隨光調(diào)制頻率變化的關(guān)系為上升時(shí)間和下降時(shí)間相等，同等于載流子壽命。當(dāng)輸入光功率按正弦規(guī)律變化時(shí)，光生載流子濃度隨光調(diào)制頻率變化的關(guān)系為：

輸出光電流與調(diào)制頻率的關(guān)系具有低通特性，光電導(dǎo)的弛豫特性限制了器件對(duì)調(diào)制頻率高的光信號(hào)的響應(yīng)。

當(dāng)光敏電阻接收交變調(diào)制光(入射光為Ф(t)=Ф·ejωt)時(shí)，隨著調(diào)制光頻率的增加，輸出電壓會(huì)減小。當(dāng)輸出的相對(duì)幅值下降至0.707倍（相應(yīng)的零頻時(shí)的信號(hào)功率為一半）時(shí)，入射光的頻率就是該光敏電阻的截止頻率fc：

，(脈沖光信號(hào)用響應(yīng)時(shí)間τ來(lái)描述；

正弦調(diào)制光信號(hào)用頻率響應(yīng)來(lái)描述)1.硒2.硫化鎘3.硫化砣4.硫化鉛

最高頻率~104HZ≈10KHZ響應(yīng)時(shí)間~ms量級(jí)光敏電阻的時(shí)間特性(慣性)比其它光器件要差(慣性更大)。頻率響應(yīng)要低一些，光電導(dǎo)探測(cè)器的頻率特性差，不適于接收高頻光信號(hào)。前歷效應(yīng)是指光敏電阻的時(shí)間特性與工作前“歷史”有關(guān)的一種現(xiàn)象。前歷效應(yīng)有暗態(tài)前歷與亮態(tài)前歷之分。暗態(tài)前歷效應(yīng)是指光敏電阻測(cè)試或工作前處于暗態(tài)，當(dāng)它突然受到光照后表現(xiàn)為暗態(tài)前歷越長(zhǎng)，光電流上升越慢。8、前歷效應(yīng)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(shí)后亮態(tài)前歷效應(yīng)是指光敏電阻測(cè)試或工作前已處于亮態(tài)，當(dāng)照度與工作時(shí)所要達(dá)到的照度不同時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定值所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象，其效應(yīng)曲線如下圖所示。一般情況下，亮電阻由高照度狀態(tài)變?yōu)榈驼斩葼顟B(tài)達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)所需的時(shí)間要比由低照度狀態(tài)變?yōu)楦哒斩葼顟B(tài)時(shí)短。用同樣的光照時(shí)，產(chǎn)生相同的光電流所用的時(shí)間不同。如是調(diào)制光，當(dāng)調(diào)制頻率很高時(shí)這個(gè)參數(shù)影響很大。

由低照度變?yōu)楦哒斩葼顟B(tài).長(zhǎng)

由高照度變?yōu)榈驼斩葼顟B(tài).短光敏電阻的溫度特性很復(fù)雜，在一定的照度下，亮電阻的溫度系數(shù)α有正有負(fù):

溫度對(duì)光譜響應(yīng)也有影響。一般說(shuō)，光譜特性主要決定于材料，材料的禁帶寬度越窄則對(duì)長(zhǎng)波越敏感，但禁帶很窄時(shí)，半導(dǎo)體中熱激發(fā)也會(huì)使自由載流子濃度增加，使復(fù)合運(yùn)動(dòng)加快，暗電導(dǎo)增大，靈敏度降低。因此，采取冷卻靈敏面的辦法來(lái)提高靈敏度往往是很有效的。9、溫度特性

以室溫的相對(duì)光電導(dǎo)率為100%,

光敏電阻的相對(duì)光電導(dǎo)隨

溫度升高而下降；光電響應(yīng)隨溫度變化教大；且變化無(wú)規(guī)律

(應(yīng)予制冷（采用冷卻裝置）以提高穩(wěn)定性)4.3光敏電阻的偏置電路和噪聲1、基本偏置電路提問(wèn)：若入射光照度為一恒定值E，求負(fù)載電阻兩端的輸出電壓及電流？流過(guò)負(fù)載電阻的電流輸出電壓

設(shè)暗電導(dǎo)為0解：設(shè)光照變化引起光敏電阻阻值的變化量ΔRp，輸出電流的變化量為ΔI提問(wèn)：若光照度發(fā)生變化ΔE，求輸出電壓、電流的變化量？1、基本偏置電路負(fù)號(hào)的物理意義是：當(dāng)光敏電阻上的照度增加，電導(dǎo)增大（dg>0），阻值減?。╠R<0），電流增加（dIL>0）。則輸出電流為

輸出電流的變化量為輸出電壓的變化量為2、恒流偏置電路

穩(wěn)壓管DW將晶體三極管的基極電壓穩(wěn)定，即UB=UW，流過(guò)晶體三極管發(fā)射極的電流Ie為提問(wèn)：求光照恒定及變化時(shí)的輸出電壓？輸出電壓為

若光照變化，則引起光敏電阻阻值變化為ΔRp，則輸出電壓為輸出電壓的變化量為

可見I與光敏電阻無(wú)關(guān)，基本恒定電壓靈敏度

2、恒流偏置電路提高I或選擇大的Rp，可顯著提高電壓靈敏度實(shí)際中常用的晶體管恒流偏置電路。適用于微弱光信號(hào)的探測(cè)

作業(yè)：在如圖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(wěn)壓二極管的輸出電壓為4V，光照度為40lx時(shí)輸出電壓為6V，80lx時(shí)為8V。（設(shè)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）。解:由于穩(wěn)壓管DW的作用，流過(guò)Re的電流為輸出為7V時(shí)光敏電阻的阻值應(yīng)為

（1）根據(jù)題目給的條件，可得到不同光照下光敏電阻的阻值

將Rp1與Rp2值代入γ值計(jì)算公式，得到光照度在40~80lx之間的γ值

此時(shí)的光照度可由γ值計(jì)算公式獲得E3=54.45（lx）

（2）電路的電壓靈敏度SV

3、恒壓偏置電路加在光敏電阻上的電壓近似為電源電壓，為不隨入射輻射量變化的恒定電壓，此時(shí)的偏置電路稱為恒壓偏置電路。提問(wèn)：求光照恒定及變化時(shí)的輸出電壓？恒壓偏置電路的輸出電壓為光照變化時(shí)，輸出電壓為輸出電壓的變化量為可見，輸出電壓信號(hào)與光敏電阻的阻值無(wú)關(guān)。需要更換光敏電阻時(shí)，對(duì)電路狀影響不大例2在如圖所示的恒壓偏置電路中，已知DW為2CW12型穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)定電壓值為6V，設(shè)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(dāng)CdS光敏電阻光敏面上的照度為150lx時(shí)恒壓偏置電路的輸出電壓為10V,照度為450lx時(shí)輸出電壓為8V,試計(jì)算輸出電壓為9V時(shí)的照度（設(shè)光敏電阻在100~500lx間的γ值不變）為多少lx？照度到500lx時(shí)的輸出電壓為多少？解:滿足穩(wěn)壓二極管的工作條件,三極管的基極被穩(wěn)定在6V

設(shè)光照度為150lx時(shí)的輸出電流為I1，光敏電阻的阻值R1，則

同樣,照度為450lx時(shí)流過(guò)光敏電阻的電流I2、電阻R2為由于光敏電阻在500到100lx間的γ值不變，因此該光敏電阻的γ值應(yīng)為

當(dāng)輸出電壓為9V時(shí)，設(shè)流過(guò)光敏電阻的電流為I3，阻值為R3，則

代入γ值的計(jì)算公式便可以計(jì)算出輸出電壓為9V時(shí)的入射照度E3E3=196(lx)

由γ值的計(jì)算公式可以找到500lx時(shí)的阻值R4及三極管的輸出電流I4為

R4=631Ω

I4=8.4(mA)而此時(shí)的輸出電壓UO為UO=Ubb－I4Rc=7.1(V)即，在500lx的照度下恒壓偏置電路的輸出電壓為7.1V。

4.3.2噪聲等效電路產(chǎn)生復(fù)合噪聲：半導(dǎo)體受光照時(shí)，載流子不斷地產(chǎn)生-復(fù)合，載流子產(chǎn)生-復(fù)合的平均數(shù)是一定的，但某一瞬間是起伏的，這種起伏引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的起伏，從而使輸出電流或電壓值起伏，由此引入的噪聲叫……光敏電阻的固有噪聲主要有三種：熱噪聲、產(chǎn)生－復(fù)合噪聲及1/f噪聲。----在任何電阻性材料中,載流子都會(huì)有無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng),從而引起輸出電流或電壓的起伏，此種噪聲稱為…….是最常見的一種噪聲形式.----這類噪聲的大小與頻率成反比,因此而得名,它的產(chǎn)生與器件的雜質(zhì)和工藝缺陷有關(guān),但原因比較復(fù)雜.熱噪聲：1/f噪聲：綜上，光敏電阻的噪聲均方根：不同的器件影響不同：

1，幾百Hz內(nèi)，1/f噪聲為主；

2，隨頻率升高，產(chǎn)生復(fù)后噪聲變顯著；

3，頻率很高時(shí)，以熱噪聲為主；將每個(gè)噪聲看成一個(gè)電流源，希望這三個(gè)電流越小越好分析噪聲等效電路，目的是找到它的最佳工作狀態(tài)4.4光敏電阻的特點(diǎn)和應(yīng)用1光敏電阻的特點(diǎn)與結(jié)型光電器件相比，光敏電阻具有以下特點(diǎn)：（1）產(chǎn)生光電變換的部位不同。光敏電阻是任何部位均可，位結(jié)型光電器件是結(jié)區(qū)附近（2）光敏電阻沒(méi)極性（3）光敏電阻時(shí)間常數(shù)大，頻率響應(yīng)較差（4）有些結(jié)型光電器件可以有放大功能，所以輸出較大，而光敏電阻沒(méi)有放大功能光譜響應(yīng)范圍寬，測(cè)光范圍寬，靈敏度高，無(wú)極性之分。2、使用中應(yīng)注意：4、設(shè)計(jì)負(fù)載電阻時(shí)，應(yīng)考慮到光敏電阻的額定功耗，負(fù)載電阻值不能很小。5、進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)意識(shí)到光敏電阻的前歷效應(yīng)。6、選用光敏電阻器時(shí)，應(yīng)首先確定應(yīng)用電路中所需光敏電阻器的光譜特性類型。然后看所選光敏電阻器的主要參數(shù)（包括亮電阻、暗電阻、最高工作電壓、亮電流、暗電流、額定功率、靈敏度等）是否符合應(yīng)用電路的要求。1、因光照指數(shù)γ與光照強(qiáng)弱有關(guān)，只有在弱光照下光電流與入射光通量成線性關(guān)系。2、用于光度量測(cè)試儀器時(shí)，必須對(duì)光譜特性曲線進(jìn)行修正，保證其與人眼的光譜光視效率曲線符合。3、光敏電阻的光譜特性與溫度有關(guān)，光敏電阻不適于在高溫下使用，溫度低時(shí)，靈敏范圍和峰值波長(zhǎng)都向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，可采取冷卻光敏面的辦法來(lái)提高光敏電阻在長(zhǎng)波區(qū)的靈敏度。1、CdS光敏電阻CdS光敏電阻被廣泛地應(yīng)用于燈光的自動(dòng)控制，自動(dòng)調(diào)光調(diào)焦和自動(dòng)照相機(jī)中。CdS光敏電阻峰值波長(zhǎng)為0.52μm，CdSe光敏電阻為0.72μm，一般調(diào)整S和Se的比例，可使Cd（S，Se）光敏電阻的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)大致控制在0.52~0.72μm范圍內(nèi)。特性1：光譜響應(yīng)最接近人眼光譜光視效率，是可見光波段內(nèi)最靈敏的光電導(dǎo)器件。3、幾種常用光敏電阻2、PbS光敏電阻光譜響應(yīng)：近紅外波段最靈敏的光電導(dǎo)器件，在2μm附近的靈敏度很高，常用于火災(zāi)的探測(cè)等領(lǐng)域。

溫度特性：隨著工作溫度的降低，其峰值響應(yīng)波長(zhǎng)和長(zhǎng)波限將向長(zhǎng)波方向延伸，且歸一化探測(cè)率D*增加。溫度光譜響應(yīng)峰值波長(zhǎng)峰值探測(cè)率室溫25°C1~3.5um2.4um干冰溫度1~4um2.8um

響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。3、InSb光敏電阻InSb光敏電阻是3~5μm光譜范圍內(nèi)的主要探測(cè)器件之一。

溫度特性：溫度長(zhǎng)波限峰值波長(zhǎng)峰值探測(cè)率室溫25°C7.5um6um液氮溫度5.5um5um4、Hg1-xCdxTe系列光敏電阻

Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)探測(cè)器件是目前所有紅外探測(cè)器中性能最優(yōu)良最有前途的探測(cè)器件，尤其是對(duì)于4~8μm大氣窗口波段輻射的探測(cè)更為重要。長(zhǎng)波長(zhǎng)的變化范圍為1~30μm。1.照明燈的光電控制電路由光敏電阻作光電敏感器件的照明燈光電自動(dòng)控制電路。它由3部分構(gòu)成半波整流濾波電路—由整流二極管VD和濾波電容C構(gòu)成，為光控制電路提供直流電源；測(cè)光與控制電路—限流電阻R、CdS光敏電阻及繼電器繞組構(gòu)成；執(zhí)行電路—由繼電器的常閉觸頭構(gòu)成。圖4-15照明燈自動(dòng)控制電路4.光敏電阻的應(yīng)用實(shí)例設(shè)使照明燈點(diǎn)亮的光照度為Ev，繼電器繞組的直流電阻為RJ，使繼電器吸合的最小電流為Imin，光敏電阻的光電導(dǎo)靈敏度為Sg，暗電導(dǎo)go=0，則這種最簡(jiǎn)單的光電控制電路有很多缺點(diǎn)，需要改進(jìn)。當(dāng)自然光較暗需要點(diǎn)燈時(shí)，CdS光敏電阻的阻值很高，繼電器J的繞組電流變得很小，不能維持工作而關(guān)閉，常閉觸頭使照明燈點(diǎn)亮；當(dāng)自然光增強(qiáng)到一定的照度Ev時(shí)，光敏電阻的阻值減小到一定的值，流過(guò)繼電器的電流使J動(dòng)作，常