第十二讲 光敏电阻

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三、典型应用
3 火焰探测报警器 采用PbS光敏电阻为探测元件的火焰探测报 警器。PbS光敏电阻暗电阻为1MΩ，亮电阻的 阻值为0.2 MΩ(辐射照度1mW/cm2下测试的)， 其峰值波长为2.2μm，恰为火焰的峰值辐射光谱。
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四、器件特点
1、优点： 灵敏度高，光电导增益大于1，工作电流大，无极性之分光谱响应范 围宽，尤其对红外有较高的灵敏度所测光强范围宽，可测强光、弱光。 2、不足： 强光下光电转换线性差，光电导弛豫时间长，受温度影响大，由伏 安特性知，设计负载时，应考虑额定功耗进行动态设计时，应考虑光敏
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二、特性参数
4、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
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
5
10 Lx E 0
0
50
100
V (V )
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二、特性参数
4、伏安特性 说明：
（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。
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一、原理与结构
3 基本类型 (3) InSb(锑化铟) 为3~5μm光谱范围内的主要探测器件之一。
在 室 温 下 的 长 波 长 可 达 7.5μm ， 峰 值 波 长 在 6μm 附 近 ， D* 约 为
1×1011cm· Hz· W-1。当温度降到77K（液氮）时，其长波长由7.5μm缩短
（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。
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二、特性参数
5、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
《光电子技术》
Photoelectronic Technique
光敏电阻 周自刚
本讲主要内容
一、原理与结构 二、特性参数 三、典型应用
四、器件特点
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一、原理与结构
某些物质吸收了光子的能量产生本征吸收
或杂质吸收，从而改变了物质电导率的现象称
为物质的光电导效应。 利用具有光电导效应的材料（如硅、锗等
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二、特性参数
8、时间与频率响应 时间响应（又称为惯性）比其他光电器件要差（惯性要大）些， 频率响应要低些，而且具有特殊性。当用一个理想方波脉冲辐射照射 光敏电阻时，光生电子要有产生的过程，光生电导率Δσ 要经过一定的 时间才能达到稳定。当停止辐射时，复合光生载流子也需要时间，表 现出光敏电阻具有较大的惯性。 时间特性与光照度、工作温度有明显的依赖关系。
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二、特性参数
2.光电导灵敏度
S g定义为光电导g p与输入光照度E之比。
gp gpA Sg Φ E Φ A gp
g p ： 光电导（西门子S）
： 照度（勒克斯lx）
A：入射通量（流明lm)
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二、特性参数
2.光电导灵敏度 灵敏度与光电增益的区别 材料特性 （1）灵敏度是光电导体在光照下产生光电导能力的大小。 结构参数 （2）增益指在工作状态下，各参数对光电导效应的增强能力。
2、光电流、增益、光电导灵敏度、光电特性、伏安特性、温度 特性、前历效应、暗电阻和暗电流、时间与频率响应、噪声特性、 光谱特性等重要特性参数
3、3个典型应用 4、光敏电阻优缺点
本征型：硫化镉 (CdS) 、锑化铟 (InSb) 、硫化铅 (PbS) 、碲镉汞 (Hg1xCdxTe)等
杂质型：锗掺汞 (Ge： Hg)、锗掺铜 (Ge： Cu)、锗掺锌 (Ge： Zn)、硅 掺砷(Si：As)等
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一、原理与结构
3 基本类型 (1) PbS/PbSe
利用入射红外线和减小阻抗产生光电导效应应用的红外线探测器件
Rf V0 I s Rd 1 R i
Is：信号电流 光敏电阻工作电路图
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一、原理与结构
1 基本原理
当负载电阻(RL)与暗电阻(Rd)相同 时，可获得最大的信号输出。
相对输出(%)
信号输出与RL/Rd的关系曲线
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一、原理与结构
2 基本结构 在微弱辐射作用下光电导灵敏度与光敏电阻两电极间距离l的平方成 反比；在强辐射作用下光电导灵敏度与光敏电阻两电极间距离l的二分之 三次方成反比。 它由一块涂在绝缘基底上的光电导
电阻的前历效应。
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知识应用
1、光敏电阻适于作为 ( B ) A、光的测量元件 B、光电导开关元件 C、加热元件 D、发光元件 2、光敏电阻的性能好、灵敏度高，是指给定 电压下 ( C )
A、暗电阻大
B、亮电阻大 C、暗电阻与亮电阻差值大 D、暗电阻与亮电阻差值小
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本讲小结
1、光敏电阻的原理和三种结构
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二、特性参数
8、时间与频率响应 在强辐射作用下的时间响应
在弱辐射作用下的时间响应
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二、特性参数
8、时间与频率响应 几种光敏电阻的频率特性曲线
PbS光敏电阻的频率特性曲线
相对灵敏度(%)
1－Se； 2－CdS； 3－硫化铊； 4－PbS
频率(Hz)
相对灵敏度(%)
频率(Hz)
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二、特性参数
本征半导体与杂质半导体，硫化镉、硒化镉、
氧化铅等）可以制成电导随入射光度量变化器 件，称为光电导器件或光敏电阻。
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一、原理与结构
1 基本原理 在均匀的具有光电导效应的半导体材料的两端加上电极便构成光敏 电阻。 当光敏电阻的两端加上适当的偏
置电压Ubb后，便有电流Ip流过。
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一、原理与结构
1 基本原理 信号电压由下式表示：
宽度Eg，便可以制造出不同波长响应范围的Hg1-xCdxTe探测器件。 一般，其光谱响应范围从2μm～22μm。
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二、特性参数
1、光电流及增益 无光照时流过器件的电流称暗电流，由入射光引起的称光电流。
U
L
在外电场作用下向阳极漂移，如果大于tr，那么在时间内τn ，从
阳极输出的电子就不是一个，而是τn/tr 。
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二、特性参数
1、光电流及增益 增益：样品中每产生一个光生载流子所构成的流入外电路的载流子数。
τn G tr
若G>1, 即单位时间流过器件的电荷数大于器件内光激发的电荷，从而 使电流得到放大。
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二、特性参数
1、光电流及增益 增益系数：光电流与入射光引起的单位时间电荷量的比值。
G
Ip e
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二、特性参数
3、光电特性 光电流与照度的关系：
I 光 S g P γu α
： 光照指数
：电压指数
（1）弱光时， I 光 与照度 E 成线性关系 （2) 强光时，光电流与照度成抛物线
1
0.5
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二、特性参数
3、光电特性
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）
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一、原理与结构
3 基本类型 (2) CdS 为最常见的光敏电阻，光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率，它 在可见光波段范围内的灵敏度最高，被广泛地应用于灯光的自动控制， 照相机的自动测光等。 一般在CdS中掺入少量杂质铜 (Cu)和氯(Cl)，可使CdS光敏电阻的光 谱响应向红外光谱段延长，峰值波长也相应延长。 通常，CdS光敏电阻的峰值响应波长为0.52μm。
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三、典型应用
幻灯机自动聚焦、比色测试设备、比重计、电子秤(双光敏电阻)、 自动后视镜。或用于前灯自动减光器、夜灯控制、燃油灯控制、街灯 控制、无光/有光检测(光束断路器)。
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三、典型应用
1 照相机电子快门控制电路 照相机自动曝光控制电路图
采用与人眼视觉函数相接近的CdS光敏电
阻。曝光电路是由RC充电电路、时间检测电 路及驱动电路组成。通过CdS光敏电阻控制快 门打开速度达到控制曝光时间的目的。
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二、特性参数
6、前历效应 亮态前历效应： 光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与工作时所要达到的照 度不同时，所出现的一种滞后现象。
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二、特性参数
7、暗电阻
光敏电阻在黑暗时的阻值称为暗电阻，一般情况下，暗电阻都大 于10兆，受光照时的阻值称为亮阻。暗阻与亮阻的比值也可作为衡量 灵敏度的高低，比值越大，灵敏度越高。
200 150 100
50
0
20
40
60
80 100
T
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二、特性参数
6、前历效应 指时间特性与工作前“历史”有关的一种现象。即测试前光敏电阻 所处状态对光敏电阻特性的影响。 暗态前历效应：指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到 光照后光电流上升的越慢程度。工作电压越低，光照度越低，则暗态前 历效应就越重。 1-黑暗放置3分钟后 2-黑暗放置60分钟后 3-黑暗放置24小时后
9、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
2 IN
1 躁声 f
产生 复合躁声
热躁声
（1) 红外：减小温漂，信号放大，可调较高的f ；
（2）恰当的偏置电路，可使信噪比最大；
（3）制冷可降低热噪声。 lg f
0
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二、特性参数
10、光谱特性：相对灵敏度与波长的关系 覆盖整个可见光区，峰值波长在515～ 600nm之间。尤其硫化镉的峰值波长与人眼 的很敏感的峰值波长（555nm）是很接近的， 可做成例如照相机、照度计、光度计等。 与所用材料的光谱响应、制造工艺、掺杂浓度和使用的环境温度有关。
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。
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一、原理与结构
2 基本结构
为提高光电导灵敏度，要尽可 能地缩短两电极间的距离l。根据这 一设计原则可以设计出3种基本结构。
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一、原理与结构
⑴梳状式 2 基本结构
玻璃基底上蒸镀梳状金属膜而制成；或在玻璃基底上面蚀刻成互相交叉
到5.5μm，峰值波长也将移至5μm，D*升高到2×1011cm· Hz· W-1。
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一、原理与结构
3 基本类型 (4) Hg1-xCdxTe(碲镉汞)系列 是目前所有红外探测器中性能最优良最有前途的探测器件。 由 HgTe 和 CdTe 两种材料的晶体混合制造的，其中 x标明 Cd元素含量
的组分。在制造混合晶体时选用不同 Cd的组分 x，可以得到不同的禁带
。在一定的波长范围内探测效率高。 室温下的 PbS 光敏电阻的光谱响应范围为 1~3.2μm ， PbSe 为 1.5 ～
5.2μm。当温度降低到（195K）时，光谱响应范围为1~4μm，峰值响应波
长移到2.8μm，D*也增高到2×1011cm· Hz· W-1。 PbS在辐射温度计和火焰监测器，PbSe在分析设备、辐射温度计和精 密光度学都得到广泛应用。
的梳状槽，在槽内填黄金或石墨等导电物质，在表面敷上一层光敏材料。
光电导体膜 绝缘基底
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一、原理与结构
2 基本结构 ⑵刻线式 在玻璃基片上镀一层薄的金属箔，将其刻划成栅 状槽，然后在槽内填入光敏电阻材料层后制成。
⑶涂膜式（蛇形） 在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成。
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一、原理与结构
3 基本类型 按照工作机理分类，光电导探测器 (光敏电阻 )可以分为本征型和杂 质 型(非本征型)两大类。
U G ( n n p p ) 2 L
U
L
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二、特性参数
1、光电流及增益 注意 ①、减小样品长度可以大大提高增益； ②、增加载流子的寿命也可提高增益。 光敏面作成蛇形，电极作成梳状是可保证有较大的受光表面，减小电 极之间距离，减小极间电子渡越时间，也有利于提高灵敏度。
为什么要做成 蛇形？
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三、典型应用
2 照明灯自动控制电路 采用CdS光敏电阻作为光的传感器件。当室内 外自然光较暗时，CdS光敏电阻的阻值很大，继电
器K绕组电流变得很小，继电器不能工作，继电器
常闭点闭合，使照明灯点亮；当自然光增强到一 定亮度时(照度)，当光敏电阻的阻值减小到一定值 时，就有一定的电流流过继电器，使继电器工作， 常闭点断开，灯熄灭。