第一章 光敏电阻及其特性1

第1章 光敏电阻及其特性

1.1 光敏电阻的功能与结构

光敏电阻是根据光电导效应制成的光电探测器件，所谓光电导效应就是光电材料受到光辐射后，材料的电导率发生变化。它可以这样理解：材料的电导率、电阻与该材料内部电子受到的束缚力有关，束缚力越大，电子越难自由运动，电导率越小，电阻越大；当电子吸收外来的一定能量的光子后，根据能量守恒原则，动能增加，材料对电子的束缚力减弱，电导率减小，电阻减小。从而等到结论：光敏电阻的阻值会随着光照强弱的变化而变化。光照强，光敏电阻的阻值就小；光照弱，光敏电阻的阻值就大。暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻，亮电阻光敏电阻在受光照射时的电 阻称为亮电阻。

光敏电阻在应用时，通常采用的电路形式

如图1-1所示。R p 为光敏电阻，R L 为负载电阻， V b 为偏置电压，V L 为光敏电阻两端电压。

光敏电阻在使用时呈现一定的电路特性：光 敏电阻的两极加上一定电压后，当光照射在光电

导体时，由光照产生的光生载流子在外加电场作用下沿一定方向运动，在电路中产生电流。光敏电阻的电路特性（电阻、转换效率等）和光电导体长度有关。通常将光敏电阻的光敏面作成蛇形，电极作成梳状，如图1-2所示；这样既可 保证有较大的受光表面，也可以减小电极之间距离， 从而既可减小极间电子渡越时间，也有利于提高灵 敏度。

1.2 光敏电阻的特性

光敏电阻的材料和结构不同，会使光敏电阻

呈现不同的特性。在不同的应用场合下，就应选用不同特性的光敏电阻。光敏电阻的选择通常应考虑光电材料的光谱特性、光电电路的转换效率和响应时间等因素。

1.2.1 光谱特性

光敏电阻的光电导效应不是在任意的光照下都能呈现，只有光子能量大于材料的间接能隙（原子的能级之差）时，光敏电阻才能呈现光电导效应。

光敏电阻与入射光光谱之间的特

图1-1

光敏电阻基本应用电路

图1-2 光敏电阻的电路符号及蛇形结构

性，称之为光敏电阻的光谱特性。不同光敏材料的光谱特性有很大差异。

光敏电阻按材料分类有两种类型：本征型光敏电阻和掺杂型光敏电阻。由于掺杂材料灵活改变了光敏电阻的光谱特性，目前市场上所采用的基本上是掺杂型光敏电阻。其光谱特性及最佳工作波长范围可分为三类：一类是紫外光 敏感型光敏电阻，如硫化镉和硒化镉等。另一类 是可见光敏感型光敏电阻，如硫化铊等。还有一 类是红外光敏感型光敏电阻，如硫化铅等。常见 的光敏电阻有硫化镉光敏电阻、硫化铅光敏电阻、 锑化铟光敏电阻、碲镉汞系列光敏电阻等。特别 提示的是：硫化镉与人眼的光谱光视效率曲线的 范围和峰值波长(555nm) 非常接近，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。

1.2.2 照度特性

在光敏电阻上加上一定电压时，光敏电阻的光电流或光电阻与入射光照度之间的关系称为光敏电阻的照度特性。CdS 光敏电阻在恒定电压作 用下的光照特性曲线如图1-4所示，当照度很低时， 曲线近似为线性，随着照度的增高，线性关系变坏， 当照度很高时，曲线近似为抛物线形。图中，曲线的 斜率表示的是光敏电阻的转换效率（入射光辐射与光 生电流）。在光电测量场合下，对照度曲线线性度要 求较高；但在光电开关应用中，对线性度要求不高。

1.2.3 响应时间

光敏电阻在光照时，光生载流子的产生或消失都要经过一段时间，这就是光敏电阻的响应时间，它反映了光敏电阻的惰性。光敏电阻的响应时间约为10-2~10-3s ，与其他光电器件相比，其响应时间是最慢的。CdSe 光敏电阻的响应时间约为10ms ，CdS 的响应时间约为100ms 。因此，光敏电阻通常都工作于直流或低频状态下。

1.2.4 温度特性

温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应，同时，光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图1-5为硫化铅光敏电阻的光

图1-3

光敏电阻的光谱特性曲线

图1-4 硫化镉光敏电阻的光电特性曲线

谱温度特性曲线，它的峰值随着温度上升向波 长短的方向移动。因此，硫化铅光敏电阻要在 低温、恒温的条件下使用。对于可见光的光敏 电阻，其温度影响要小一些。

1.3 光敏电阻的应用

光敏电阻可将光转换为电信号，是一种典型的光电器件，但光敏电阻和其它半导体光电

器件相比有以下特点：（1）光谱响应范围相当宽。根据光电导材料的不同，光谱响应可从紫外光、可见光、近红外扩展到远红外，尤其对红光和红外辐射有较高的响应度。（2）工作电流大，可达数毫安。（3）所测光强范围宽。既可测强光，也可测弱光。（4）灵敏度高。光导电增益大于1。（5）偏置电压低，无极性之分，使用方便。其缺点是在强光照射下光电转换线性较差。光电驰豫过程较长，频率响应很低。

光敏电阻在农业生产和发展生活方面，主要用在自动控制装置和光检测设备中，如生产线上的自动送料、自动门装置、应急自动照明、自动给水与停水装置、生产安全装置、烟雾火灾报警装置等方面，还广泛应用于自动灯塔、劳动保护、照度测量、电子娱乐及家用电器等方面。

第2章 光敏电阻特性参数及其测量

2.1 实验目的

通过光敏电阻特性的参数测量实验，学习光敏电阻的基本工作原理；掌握光敏电阻的光照特性、时间响应特性和伏安特性等基本特性。达到能够选用光敏电阻器件进行光电检测方面课题设计的目的。

2.2 实验仪器

1） GDS-Ⅱ型光电实验平台主机系统； 2） LED 光源及其夹持装置各一个； 3） 光敏电阻探测器及其夹持装置各一个； 4） 磁性表座二只； 5） 连接线20

条；

图1-5 硫化铅光敏电阻的温度特性

6）示波器探头2条；

2.3 实验原理

某些物质吸收了光子的能量后，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(或电阻)随入射光度量变化器件，称为光电导器件或光敏电阻。

当光敏电阻受光照射时，其阻值将发生变化。光照越强，它的电阻值越低。因此，可以通过一定的电路得到输出信号随光的变化而改变的电压或电流信号。测量信号电压或电流很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值(亮电阻)急剧减少，因此电路中电流迅速增加。便可获得光敏电阻随光或时间变化的特性，即光敏电阻的特性参数。

通过本节实验，要求深入掌握“光电技术”第2章2.2节所讲授的关于光敏电阻光照特性、伏安特性和时间响应特性等内容。

实验中所涉及的变换电路应参考“光电技术”第2章2.2节所讲授的光敏电阻变换电路。

2.4 实验内容

1、光敏电阻暗电阻和亮电阻的测量；

2、光敏电阻光照特性测量；

3、光敏电阻伏安特性测量；

4、光敏电阻时间响应特性测量

2.5 实验步骤

2.5.1 暗电阻的测量

从GDS-Ⅱ型实验平台备件箱中取出光敏电阻实验装置，并将光敏电阻探测器实验装置的引线连接到实验平台上的半导体光电传感器插孔内，并用导线将光敏电阻及测量电表连接成如图2-1所示电路，电路中的电流表用实验平台主机提供的数字微安表，电源也使用由实验平台提供的数字电压表，可调电源应该用平台上提供的12V电源、电位器、电阻与三极管等元器件自行设计装调出可调电压的电源。

实验时，应该首先测量光敏电阻的暗电阻。测量时千万不要打开光敏电阻实验装置的保

护窗盖，必须使它始终处于暗室状态才能测出它的真实暗电阻，否则由于光敏电阻的惯性与

前历效应使你在实验阶段无法测出准确的暗电阻。