光電導器件專題培訓課件

光電導器件光電導器件又稱光敏電阻（photovaristor）——利用具有光電導效應的材料制成電導隨入射光度量變化器件。光敏電阻材料：硅、鍺等本征半導體與雜質半導體，硫化鎘、硒化鎘、氧化鉛等。光電導效應——某些物質吸收了光子的能量產生本征吸收或雜質吸收，從而改變了物質電導率的現(xiàn)象。符號5/20/202322.1光敏電阻的原理與結構本征型光敏電阻本征半導體常用于可見光波段測量雜質半導體常用于紅外波段測量雜質型光敏電阻光照越強電阻越？5/20/20233光敏電阻的基本結構與電極間距平方成反比弱光照下強光照下與電極間距3/2次方成反比，與光通量有關且是非線性的因為增大受光面積，可以提高光電導；減小兩極間距離ｌ可以提高光電靈敏度。所以就將光敏電阻的形狀制造成蛇形。5/20/20234光敏電阻的優(yōu)缺點

光敏電阻優(yōu)點：1.光譜響應相當寬。2.所測的光強范圍寬，即可對強光響應，也可對弱光響應。3.無極性之分，使用方便，成本低，壽命長。4.靈敏度高，工作電流大，可達數(shù)毫安。

光敏電阻缺點：強光照射下線性較差，頻率特性也較差。5/20/202353.典型光敏電阻（1）CdS(硫化鎘)光敏電阻——可見光區(qū)CdS光敏電阻的峰值響應波長為0.52μm，CdSe(硒化鎘)光敏電阻為0.72μm，一般調整S和Se的比例，可使Cd（S，Se）光敏電阻的峰值響應波長大致控制在0.52~0.72μm范圍內。亮暗電導比可達1011，一般為106

被廣泛地應用于燈光的自動控制，照相機的自動測光等。5/20/20236（2）PbS(硫化鉛)光敏電阻——紅外區(qū)PbS光敏電阻在2μm附近的紅外輻射的探測靈敏度很高，因此，常用于火災的探測等領域。（3）InSb(銻化銦)光敏電阻——紅外區(qū)InSb光敏電阻是3~5μm光譜范圍內的主要探測器件之一。（4）Hg1-xCdxTe系列器件——紅外區(qū)它是目前所有紅外探測器中性能最優(yōu)良最有前途的探測器件。由HgTe（碲化汞）和CdTe兩種材料混合制造，其中x標明Cd元素含量的組分。不同x，Eg不同。一般組分x的變化范圍為0.18~0.4，對應長波長的變化范圍為1~30μm。5/20/20237光敏電阻分類紫外光敏電阻器：對紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等，用于探測紫外線。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，廣泛用于導彈制導、天文探測、非接觸測量、人體病變探測、紅外光譜，紅外通信等國防、科學研究和工農業(yè)生產中。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)，如光電自動開關門戶，航標燈、路燈和其他照明系統(tǒng)的自動亮滅，自動給水和自動停水裝置，機械上的自動保護裝置和“位置檢測器”，極薄零件的厚度檢測器，照相機自動曝光裝置，光電計數(shù)器，煙霧報警器，光電跟蹤系統(tǒng)等方面。5/20/20238光敏電阻命名規(guī)則第一部分：主稱第二部分：用途或特征第三部分：序號字母含義數(shù)字含義MG光敏電阻器0特殊序號，以區(qū)別該電阻器的外形尺寸及性能指標1紫外光2紫外光3紫外光4可見光5可見光6可見光7紅外光8紅外光9紅外光MG45-14（可見光敏電阻器）M――敏感電阻器G――光敏電阻器4――可見光5-14――序號例：5/20/202392.2光敏電阻的基本特性光敏電阻的基本特性參數(shù)包含光電導特性、時間響應、光譜響應、伏安特性與噪聲特性等。相關概念暗電流：無光時由熱激發(fā)產生的載流子形成的電流亮電流：光照時電阻加上一定的電壓所通過的電流光電導：光敏電阻由光照產生的電導光電流：由光照產生的電流暗電阻和暗電導：室溫下，光敏電阻在全暗時的電阻和電導亮電阻和亮電導：光敏電阻在一定光照時的電阻和電導5/20/202310光敏電阻的光電流與光照度之間的關系稱為光電特性。1.光電特性弱光照下強光照下弱光照時光電導與光照是線性關系，則一般情況下光電導與光照關系光電阻：強光時非線性光照越強電阻越？5/20/202311在對數(shù)坐標系中光敏電阻的阻值R在某段照度EV范圍內的光電特性近似表現(xiàn)為線性，即γ保持不變。則有：

R1與R2分別是照度為E1和E2時光敏電阻的阻值。

5/20/2023122.光敏電阻伏安特性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。圖2-5所示為典型CdS光敏電阻的伏安特性曲線。圖中虛線為允許功耗曲線，由此可確定光敏電阻正常工作電壓。5/20/2023133.光敏電阻的溫度特性

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。這是因為溫度越高，晶格振動對電流的阻礙就越大。光敏電阻為多數(shù)載流子導電的光電器件，具有復雜的溫度特性。5/20/2023144.光敏電阻的時間響應

當光敏電阻受到脈沖光照時，光電流要經過一段時間才能達到穩(wěn)態(tài)值，光照突然消失時，光電流也不立刻為零。這說明光敏電阻有時延特性。由于不同材料的光敏電阻時延特性不同，所以它們的頻率特性也不相同。

光敏電阻的時間響應（又稱為慣性）比其他光電器件要差（慣性要大）些，頻率響應要低些，而且具有特殊性。5/20/2023151.弱輻射作用情況下的時間響應第一章推出（見P21）本征光電導器件在非平衡狀態(tài)下光電導率Δσ和光電流IΦ隨時間變化的為：可推出：T<0Φ=0T≥0Φ=Φ0T<0Φ=Φ0T≥0Φ=0上升時：下降時：當t=τ時，Δσ=0.63Δσ0上升時間τr=下降時間τf=載流子壽命τ5/20/2023162.強輻射作用情況下的時間響應

其光電流的變化規(guī)律為：

當t=τr時，IΦ=0.76IΦe0.；

當t=τf時，IΦ=0.50IΦe0.

對應脈沖前沿電導率的變化規(guī)律為：停止輻射時,光電導率和光電流的變化規(guī)律可表示為：下降時間τf遠大于上升時間τr5/20/202317當停止輻射時，由于光敏電阻體內的光生電子和光生空穴需要通過復合才能恢復到輻射前的穩(wěn)定狀態(tài)，而且隨著復合的進行，光生載流子數(shù)密度在減小，復合幾率在下降，所以停止輻射的過度過程要遠遠大于入射輻射的過程。光敏電阻的暗電阻與其檢測前是否被曝光有關，這稱為光敏電阻的前例效應。強輻射作用情況下的下降時間遠大于上升時間的原因：受時間響應的限制，光敏電阻的光照頻率必然受到限制，頻率特性曲線反應這種限制。如圖PbS頻率特性較好。PbSCdSTeS硒光敏電阻5/20/2023185.噪聲特性光敏電阻的主要噪聲有熱噪聲、產生復合和低頻噪聲(或稱1/f噪聲)。1、熱噪聲——由光敏電阻內載流子的熱運動產生的噪聲。2、產生復合噪聲——載流子產生-復合的平均數(shù)是一定的，但某一瞬間起伏引起半導體電導率的起伏，從而使輸出電流或電壓值起伏，引入的噪聲。3、低頻噪聲（電流噪聲）——由于光敏層內微粒的不均勻，或體內存有雜質而產生微火花放電引起電爆脈沖。它與調制頻率成反比。5/20/2023196.光譜響應對于不同波長的入射光，光敏電阻的相對靈敏度是不相同的。從圖中看出，硫化鎘的峰值在可見光區(qū)域，而硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域。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。5/20/2023202.3光敏電阻的變換電路則：

而，dR=d(1/g)=(-1/g2)dg2如圖解得：設iL=dIL，ev=dEvUR=R/(R+RL)Ubb，i與ev線性關系RL>>R恒流RL<<R恒壓5/20/2023212.恒流電路在簡單偏置電路中，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。然而，光敏電阻自身的阻值已經很高，再滿足恒流偏置的條件就難以滿足電路輸出阻抗的要求，為此，可引入如下晶體管恒流偏置電路。穩(wěn)壓管DW將晶體三極管的基極電壓穩(wěn)定，即UB=UW，流過晶體三極管發(fā)射極的電流Ie

為

——恒流恒流電路電壓靈敏度為電壓靈敏度與光電阻有關5/20/2023223.恒壓電路在簡單偏置電路中，當RL<<R時，流過光敏電阻的電壓基本不變，此時的偏置電路稱為恒壓電路。然而這樣不好為此，可引入如下晶體管恒壓偏置電路。恒壓電路電壓靈敏度為電壓靈敏度與光電阻無關dUo=－RcdIc=－RcdIe=RcSgUwdφ

IP與Ie近似相等，因此，恒壓偏置電路的輸出電壓為

——恒壓5/20/202323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）。根據(jù)已知條件，流過穩(wěn)壓管DW的電流例2-1

解E3=54.45（lx）

5/20/202324一、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。

在實際應用中常常要附加其他電路，如樓道照明燈常配加聲控開關或微波等接近開關使燈在有人活動時照明燈才被點亮；而路燈光電控制器則要增加防止閃電光輻射或人為的光源（如手電燈光等）對控制電路的干擾措施。2.4光敏電阻的應用實例

當光照度小于一定值時繼電器斷開電路接通，照明燈亮5/20/202325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的暗電阻1MΩ，亮電阻0.2MΩ，峰值響應波長為2.2μm，恰為火焰的峰值輻射光譜。

二、火焰探測報警器

火災時R3突然下降，電流躍變，經C2耦合送下面放大。5/20/202326

本電路是一種簡單的暗激發(fā)繼電器開關電路。其工作原理是：當照度下降到設置值時由于光敏電阻阻值上升激發(fā)VT1導通，VT2的激勵電流使繼電器工作，常開觸點閉合，常閉觸點斷開，實現(xiàn)對外電路的控制三.光敏電阻式光控開關以光敏電阻為核心元件的帶繼電器控制輸出的光控開關電路有許多形式，如自鎖亮激發(fā)、暗激發(fā)及精密亮激發(fā)、暗激發(fā)等等，下面介紹其中一種典型電路。5/20/202327圖2-17所示為利用光敏電阻構成的照相機自動曝光控制電路，也稱為照相機電子快門。

電子快門測光器件常采用與人眼光譜響應接近的硫化鎘(CdS)光敏電阻。初始狀態(tài)，比較器輸出為低電平，三極管截止，電磁鐵不吸合，開門葉片閉合。當按動快門時，測光與充電電路接通，這時，電容C兩端的電壓UC為0，由于電壓比較器的負輸入端的電位低于正輸入端而使其輸出為高電平，使三極管T導通，電磁鐵將帶動快門的葉片打開快門，開始曝光。同時，電源Ubb向電容C充電，景物照度愈高光敏電阻R的阻值愈低，充電速度愈快。當電容C兩端的電壓UC充電到一定的電位時，電壓比較器的輸出電壓變低，快門葉片又重新關閉。四、照相機電子快門

5/20/2023282.1試說明為什么本征光電導器件在越微弱信號的輻射下，時間響應越長，靈敏度越高。習題答：微弱光靜態(tài)電導靈敏度這是平衡狀態(tài)時的靈敏度。動態(tài)時有動態(tài)時的靈敏度可見ｔ越大Sg越高5/20/2023292.2同一型號的光敏電阻來講，在不同光照度下和不同的環(huán)境溫度下，其光電導靈敏度和時間常數(shù)是否相同？為什么？在照度相同而溫度不同時情況又會如何？同一型號的光敏電阻，其材料性質一樣，只是決定了量子效率η和μ電子遷移率，而τ不確定，光照度和環(huán)境溫度不同，則產生的光生電子濃度和熱生電子濃度各異，決定了τ值不同，所以光照度和環(huán)境溫度只有要一個不同，其光電導靈敏度和時間常數(shù)都不相同。解：弱光τ=1/Kf(ni+pi)稱為載流子的平均壽命。

5/20/2023302.5設某光敏電阻在100lx的光照下的阻值為2KΩ，且已知它在90~120lx范圍內的γ=0.9。試求該光敏電阻在110lx光照下的阻值？解：g