第2章光電技術(shù)基礎(chǔ)

第2章光電導(dǎo)器件利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)制成電導(dǎo)隨入射光度量變化器件，稱為光電導(dǎo)器件或光敏電阻。光敏電阻具有體積小，堅(jiān)固耐用，價(jià)格低廉，光譜響應(yīng)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于微弱輻射信號(hào)的探測領(lǐng)域2.1光敏電阻的原理與結(jié)構(gòu)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(hào)，在均勻的具有光電導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料的兩端加上電極便構(gòu)成光敏電阻。

當(dāng)光敏電阻的兩端加上適當(dāng)?shù)钠秒妷篣bb（如圖2-1所示的電路）后，便有電流Ip流過，用檢流計(jì)可以檢測到該電流。2.1.2光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)

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

根據(jù)光敏電阻的設(shè)計(jì)原則可以設(shè)計(jì)出如圖2-2所示的3種基本結(jié)構(gòu)，圖2-2（a）所示光敏面為梳形的結(jié)構(gòu)。材料峰值波長譜寬性能參數(shù)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(shí)的入射信號(hào)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(fā)產(chǎn)生的載流子使它具有一定的電導(dǎo)，該電導(dǎo)稱為暗電導(dǎo)

。

當(dāng)有光照射在光敏電阻上時(shí)，它的電導(dǎo)將變大，這時(shí)的電導(dǎo)稱為光電導(dǎo)。電導(dǎo)隨光照量變化越大的光敏電阻就越靈敏。這個(gè)特性稱為光敏電阻的光電特性。光敏電阻在弱輻射強(qiáng)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(guān)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(dǎo)靈敏度，E為光敏電阻的照度。顯然，當(dāng)照度很低時(shí)，曲線近似為線性，隨照度的增高，線性關(guān)系變壞，當(dāng)照度變得很高時(shí)，曲線近似為拋物線形

綜合弱輻射和強(qiáng)輻射，用指數(shù)因子表示光電流與照度的關(guān)系，把指數(shù)因子叫光電轉(zhuǎn)換因子

光電轉(zhuǎn)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(qiáng)，γ值減小，當(dāng)入射輻射很強(qiáng)時(shí)γ值降低到0.5。

在實(shí)際使用時(shí)，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(biāo)系中光敏電阻的阻值R與入射照度EV的關(guān)系曲線，而(b)為對數(shù)直角坐標(biāo)系下的阻值R與入射照度EV的關(guān)系曲線。

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

γ值為對數(shù)坐標(biāo)下特性曲線的斜率。即R1與R2分別是照度為E1和E2時(shí)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(guān)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(shù)載流子導(dǎo)電的光電器件，具有復(fù)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(dǎo)率為100%，觀測光敏電阻的相對光電導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系，可以看出光敏電阻的相對光電導(dǎo)率隨溫度的升高而下降，光電響應(yīng)特性隨著溫度的變化較大。2.2.4時(shí)間響應(yīng)當(dāng)用一個(gè)理想方波脈沖輻射照射光敏電阻時(shí)，光生電子要有產(chǎn)生的過程，光生電導(dǎo)率Δσ要經(jīng)過一定的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)停止輻射時(shí)，復(fù)合光生載流子也需要時(shí)間，把這個(gè)時(shí)間稱為光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間（慣性）。。

光敏電阻的慣性與入射輻射信號(hào)的強(qiáng)弱有關(guān)，下面分別討論1.弱輻射作用情況下的時(shí)間響應(yīng)

t≥0t=0對于本征光電導(dǎo)器件在非平衡狀態(tài)下光電導(dǎo)率Δσ和光電流IΦ隨時(shí)間變化的規(guī)律為當(dāng)t=τr時(shí)，Δσ=0.63Δσ0，IΦ=0.63IΦe0；

τr定義為光敏電阻的上升時(shí)間常數(shù)

停止輻射時(shí)，入射輻射通量Φe與時(shí)間的關(guān)系為t=0t≥0光電導(dǎo)率和光電流隨時(shí)間變化的規(guī)律為

光敏電阻在弱輻射作用下的上升時(shí)間常數(shù)τr與下降時(shí)間常數(shù)τf近似相等。2.強(qiáng)輻射作用情況下的時(shí)間響應(yīng)

t=0t≥0當(dāng)t=τr時(shí)，Δσ=0.76Δσ0，IΦ=0.76IΦe0；光電流上升到穩(wěn)態(tài)值的76%所需要的時(shí)間為上升時(shí)間光電導(dǎo)率和光電流隨時(shí)間變化的規(guī)律為

光電導(dǎo)率和光電流的變化規(guī)律可表示為停止輻射時(shí)t=0t≥0當(dāng)t=τr時(shí)，Δσ=0.5Δσ0，IΦ=5IΦe0；光電流下降到到穩(wěn)態(tài)值的50%所需要的時(shí)間為下降時(shí)間2.2.5噪聲特性

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

熱噪聲、產(chǎn)生復(fù)合和低頻噪聲(或稱1/f噪聲)。

1、熱噪聲：載流子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)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(chǎn)生復(fù)合噪聲半導(dǎo)體受光照，載流子不斷生產(chǎn)-復(fù)合，在平衡狀態(tài)，產(chǎn)生復(fù)合數(shù)相等，但在瞬間，產(chǎn)生復(fù)合數(shù)是有起伏的，載流子濃度的起伏引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的起伏，引起電流電壓值得起伏，這中噪聲稱為產(chǎn)生復(fù)合噪聲。3、低頻噪聲（電流噪聲）這種噪聲由于半導(dǎo)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(nèi)以電流噪聲為主；隨著頻率的升高產(chǎn)生復(fù)合變得明顯；頻率很高時(shí)以熱噪聲為主。噪聲都與帶寬有關(guān)，與帶寬成正比。2.2.6光譜響應(yīng)光敏電阻的光譜響應(yīng)主要由光敏材料禁帶寬度、雜質(zhì)電離能、材料摻雜比與摻雜濃度等因素有關(guān)。不同的材料，響應(yīng)的峰值波長不同光敏電阻應(yīng)用繼電器，電阻，光敏電阻，燈泡可組成簡單的光控?zé)?。請各組同學(xué)自選型號(hào)，實(shí)現(xiàn)光控應(yīng)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(shè)在某照度Ev下，光敏電阻的阻值為R，電導(dǎo)為g，流過偏置電阻RL的電流為IL

用微變量表示

設(shè)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(dāng)電路參數(shù)確定后，輸出電壓信號(hào)和電流信號(hào)與輻射入射輻射量（照度ev）成線性關(guān)系。

2.3.2恒流電路

當(dāng)RL?R時(shí)，流過光敏電阻的電流基本不變，此時(shí)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(jīng)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(wěn)壓管DW將晶體三極管的基極電壓穩(wěn)定，即UB=UW，流過晶體三極管發(fā)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(hào)ev2.3.3恒壓電路

利用晶體三極管還可以構(gòu)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(shè)入射照度為ev，

由上式可以看出恒壓偏置電路的輸出信號(hào)電壓與光敏電阻的阻值無關(guān)。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(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）。

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(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？2.4光敏電阻的應(yīng)用實(shí)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(dòng)控制電路。

它由3部分構(gòu)成

半波整流濾波電路

測光與控制的電路

執(zhí)行電路

2.4.2火焰探測報(bào)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(bào)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(yīng)波長為2.2μm，恰為火焰的峰值輻射光譜。

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