第3章,光电导器件

在初始状态，开关K处于如图所示的位置，电压比较器的正输 入端的电位为R1与RW1分电源电压Ubb所得的阈值电压Vth（一般为 1~1.5V），而电压比较器的负输入端的电位VR近似为电源电位Ubb，
显然电压比较器负输入端的电位高于正输入端的电位，比较器输出
为低电平，三极管截止，电磁铁不吸合，开门叶片闭合。 当按动快门的按钮时，开关K与光敏电阻R及RW2构成的测光与 充电电路接通，这时，电容C两端的电压UC为0，由于电压比较器的 负输入端的电位低于正输入端而使其输出为高电平，使三极管T导 通，电磁铁将带动快门的叶片打开快门，照相机开始曝光。快门打
3、温度特性： 温度的变化，引起温度噪声，导致其灵敏度、光照特性、响 应率等都发生变化。为了提高灵敏度，必须采用冷却装置，尤 其是杂质型半导体受温度影响更明显。
I
200 150 100
50
0 20 40 60 80 100
T
4、时间响应： 时间特性与光照度、工作温度有明显的依赖关系。
时间响应及其与照度的关系
开的同时，电源Ubb通过电位器RW2与光敏电阻R向电容C充电，且充
电的速度取决于景物的照度，景物照度愈高光敏电阻R的阻值愈低， 充电速度愈快。VR的变化规律可由电容C的充电规律得到
VR=Ubb[1－exp(－t/τ )]
式中τ 为电路的时间常数
τ =（RW2+R）C
光敏电阻的阻值R与入射的光照度EV有关
由基本特性得到的光敏电阻主要参数
1）亮电阻（kΩ）：指光敏电阻器受到光照射时的电阻值。 2）暗电阻(MΩ)：指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时的 电阻值。 3）最高工作电压(V)：指光敏电阻器在额定功率下所允许承受 的最高电压 4）亮电流：指光敏电阻器在规定的外加电压下受到光照射时所 通过的电流。 5）暗电流(mA)：指在无光照射时，光敏电阻器在规定的外加 电压下通过的电流。 6）时间常数（s）：指光敏电阻器从光照跃变开始到稳定亮电 流的63％时所需的时间。 7）电阻温度系数：指光敏电阻器在环境温度改变1℃时，其电 阻值的相对变化。 8）灵敏度：指光敏电阻器在有光照射和无光照射时电阻值的相 对变化。
2
Rp
dU o
U W U be Re
（3-28）
图3-13 恒压偏置电路
或
uo UW Re R S gev
2
（3-29）
显然，恒流偏置电路的电压灵敏度SV为
Sv UW Re R Sg
2
（3-30）
Байду номын сангаас
3.3
恒压电路
利用晶体三极管很容易构成光敏电阻的恒压偏置 电路。如图3-14所示为典型的光敏电阻恒压偏置电路。
Ie U W U be Re
Re
Rp
（3-25）
图3-13 恒压偏置电路
在晶体管恒流偏置电路中输出电压Uo为 U o U bb I c R （3-26） 求微分得 （3-27） dU o I cdR 将
d R SgR d E v
2
Re
代入（3-27）得
R S gdE v
R 1 g E

Sg
当电容C两端的电压UC充电到一定的电位（VR≥Vth）时， 电压比较器的输出电压将由高变低，三极管T截止而使电 磁铁断电，快门叶片又重新关闭。 快门的开启时间t可由下式推出
t =（RW2+R）C · Ubb/ Vth ln
1、光电特性：
I p US
E g

强光下，光照增强的同时，载 流子浓度不断的增加，同时光 敏电阻的温度也在升高，从而 导致载流子运动加剧，因此复 合几率也增大，光电流呈饱和 趋势。（冷却可以改善）
2、伏安特性： 在一定的光照下，光电流 I光与所加电压Ｕ的关系
I (mA)
10
1000 Lx 100 Lx
3.2
恒流电路
在简单偏置电路中，当RL» R时，流过光敏电阻的电 流基本不变，此时的偏置电路称为恒流电路。然而，光 敏电阻自身的阻值已经很高，再满足恒流偏置的条件就 难以满足电路输出阻抗的要求，为此，可引入如图3-13 所示的晶体管恒流偏置电路。 稳压管DW将晶体三极管的 基极电压稳定，即UB=UW，流 过晶体三极管发射极的电流Ie 为
半波整流滤波电路
测光与控制的电路 执行电路 设使照明灯点亮的光 照度为EV
继电器绕组的直流电阻为RJ，使继电器吸合的最小电流为 Imin，光敏电阻的光电导灵敏度为Sg，暗电导go=0，则
U Ev I min R R J Sg
显然，这种最简单的光电控制电路还有很多缺点，还需 要改进。在实际应用中常常要附加其他电路，如楼道照 明灯常配加声控开关或微波等接近开关使灯在有人活动 时照明灯才被点亮；而路灯光电控制器则要增加防止闪 电光辐射或人为的光源（如手电灯光等）对控制电路的 干扰措施。
（3-22）
将式（3-22）代入式（3-21）得
iL R R RL i
（3-23）
偏置电阻RL两端的输出电压为
RR L R RL U bb R R L S g (R R L )
2 2
u L R L iL
i
ev
（3-24）
从式（3-24）可以看出，当电路参数确定后，输出电 压信号与弱辐射入射辐射量（照度ev）成线性关系。
U bb R S g (R R L )
2
2
d EV
（3-20）
设iL=dIL，ev=dEv，则
iL U bb R S g (R R L )
2 2
ev
（3-21）
加在光敏电阻上的电压为R与RL对电压Ubb的分压， 即UR=R/(R+RL) Ubb，因此，光电流的微变量为
i U R S g ev U bb R R RL S g ev
2
火焰探测报警器
图3-18所示为采用光敏电阻为探测元件的火焰探测报警器 电路图。PbS光敏电阻的暗电阻的阻值为1MΩ ，亮电阻的 阻值为0.2MΩ (幅照度1mw/cm2下测试)，峰值响应波长为 2.2μ m，恰为火焰的峰值辐射光谱。
3 照相机电子快门
图3-19所示为利用光敏电阻构成的照相机自动曝光控 制电路，也称为照相机电子快门。 电子快门常用于电子程 序快门的照相机中，其中测 光器件常采用与人眼光谱响 应接近的硫化镉(CdS)光敏 电阻。照相机曝光控制电路 是由光敏电阻R、开关K和 电容C构成的充电电路，时 间检出电路(电压比较器)， 三极管T构成的驱动放大电 路，电磁铁M带动的开门叶 片（执行单元）等组成。
光敏电阻的配置电路
3.1 基本偏置电路
设在某照度Ev下，光敏电阻的阻值为R，电导为g，流 过偏置电阻RL的电流为IL
IL U bb R RL
用微变量表示
dI L U bb (R R L )
2
dR
2 而，dR=d(1/g)=(-1/g2 )dg
dg=S g dEv
因此
dI L
第三章 光电导器件
1,基本原理：
如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的
作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小：
光敏电阻阻值对光照特别敏感，是一种典型的利用光 电导效应制成的光电探测器件。 对于本征型，可用来检测可见光和近红外辐射 对于非本征型可以检测波长很长的辐射
2，基本结构：
组成：它由一块涂在绝缘基底 上的光电导材料薄膜和两端接有 两个引线，封装在带有窗口的金 属或塑料外壳内。电极和光电导 体之间呈欧姆接触。
5
10 Lx
E 0 0
50 100
V (V )
一定的光照下，Ｉ光与电压Ｕ的关系; 相同的电压下，Ｉ光与光照Ｅ的关系
（1) 光敏电阻为纯电阻，符合欧姆定律，对多数半导体，当 电场强度超过104伏特/厘米 （强光时），不遵守欧姆 定律。 硫化镉例外，其伏安特性在100多伏就不成线性了。 （2）光照使光敏电阻发热，使得在额定功耗内工作，其最 高使用电压由其耗散功率所决定，而功耗功率又和其面积 大小、散热情况有关。 （3）伏安特性曲线和负载线的交点即为光敏电阻的工作点。
光敏电阻在恒压偏置电路 的情况下输出的电流IP与处于放 大状态的三极管发射极电流Ie近 似相等。因此，恒压偏置电路 的输出电压为
U o E c I c Rc
取微分，则得到输出电压的变 化量为
光敏电阻的应用实例
1 照明灯的光电控制电路
如图3-17所示为一种最简单的由光敏电阻作光电敏 感器件的照明灯光电自动控制电路。 它由3部分构成
5、噪声特性： 热噪声、产生复合噪声 、1/f 噪声与调制频率的关系
IN
1 f 躁声
2
产生 复合躁声
热躁声
lg f
0
（1) 红外：减小温漂，使信号放大，可调制较高的f
（2）制冷可降低热噪声
（3）恰当的偏置电路，可使信噪比最大
6、光谱特性：相对灵敏度与波长的关系
可见光区光敏电阻的光谱特性：
光谱特性曲线覆盖了整个可见光区，峰值波长在 515～600nm之间。尤其硫化镉的峰值波长与人眼（380～ 780nm ）的很敏感的峰值波长（555nm）是很接近的，因此 可用于与人眼有关的仪器，例如照相机、照度计、光度计 等。