光电子技术光敏电阻.ppt

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1、4.4光敏电阻一、原理及结构一、原理及结构 光光敏敏电电阻阻阻阻值值对对光光照照特特别别敏敏感感，是是一一种种典典型型的的利利用用光光电导效应电导效应制成的光电探测器件。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对于非本征型可以检测波长很长的辐射组成：它由一块涂在绝缘基底上的组成：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外壳内。电极和光电导体之间呈欧姆接触。姆接触。2、结

2、构：、结构：光敏电阻在电路中的符号光敏电阻在电路中的符号三种形式三种形式梳状式梳状式玻玻璃璃基基底底上上蒸蒸镀镀梳梳状状金金属属膜膜而而制制成成；或或在在玻玻璃璃基基底底上上面面蚀蚀刻刻成成互互相相交交叉叉的的梳梳状状槽槽，在在槽槽内内填填入入黄黄金金或或石石墨墨等等导导电物质，在表面再敷上一层光敏材料。如图所示。电物质，在表面再敷上一层光敏材料。如图所示。绝缘基底绝缘基底光电导体膜光电导体膜刻线式刻线式在在玻玻璃璃基基片片上上镀镀制制一一层层薄薄的的金金属属箔箔，将将其其刻刻划划成成栅栅状状槽槽，然然后在槽内填入光敏电阻材料层后制成。其结构如下图所示。后在槽内填入光敏电阻材料层后制成。其结构

3、如下图所示。涂膜式涂膜式在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成。其结构下图。在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成。其结构下图。二、特性参数二、特性参数1、光电流及增益、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。光电流。在外电场作用下向阳极漂移，如果大于在外电场作用下向阳极漂移，如果大于tr，那么在时间，那么在时间内内，从阳极输出的电子就不是一个，而是，从阳极输出的电子就不是一个，而是。增增益益可可理理解解为为：样样品品中中每每产产生生一一个个光光生生载载流流子子所所构构成成的的流流入外电路的载流子数。入外电路的载流子数

4、。若若G1,即即单单位位时时间间流流过过器器件件的的电电荷荷数数大大于于器器件件内内光光激激发发的的电荷，从而使电流得到放大。电荷，从而使电流得到放大。增益系数：光电流与入射光引起的单位时间电荷量的比值。增益系数：光电流与入射光引起的单位时间电荷量的比值。由上式可知：由上式可知：、减小样品长度可以大大提高增益；、减小样品长度可以大大提高增益；、增加载流子的寿命也可提高增益。、增加载流子的寿命也可提高增益。光敏面作成光敏面作成蛇形蛇形，电极作成梳状是因为这样即可以，电极作成梳状是因为这样即可以保证有较大的受光表面，也可以减小电极之间距离，从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

5、小极间电子渡越时间，也有利于提高灵敏度。而既可减小极间电子渡越时间，也有利于提高灵敏度。2.光电导灵敏度光电导灵敏度定义为光电导定义为光电导与输入光照度与输入光照度E之比。之比。：光电导（西门子光电导（西门子S）：照度（勒克斯照度（勒克斯lx）A：入射通量（流明：入射通量（流明lm)注意：注意：灵敏度与光电增益的区别灵敏度与光电增益的区别材料特性材料特性结构参数结构参数（1）灵敏度是光电导体在光照下产生光电导能力的大小。）灵敏度是光电导体在光照下产生光电导能力的大小。（2）增益指在工作状态下，各参数对光电导效应的增强能力。）增益指在工作状态下，各参数对光电导效应的增强能力。3、光电特性：、光电

6、特性：光电流与照度的关系：光电流与照度的关系：光照指数光照指数：电压指数：电压指数（1）弱光时，）弱光时，与照度与照度成线性关系成线性关系（2)强光时，光电流与照度成抛物线强光时，光电流与照度成抛物线光敏电阻光敏电阻强光照下光电特性的分析：强光照下光电特性的分析：光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏光照增强的同时，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）合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）4、伏安特性：、伏安特性：在一定的光照下，光电流

7、在一定的光照下，光电流I光光与所加电压与所加电压的关系的关系一定的光照下，一定的光照下，光光与电压与电压的关系的关系;相同的电压下，相同的电压下，光光与光照与光照的关系的关系 说明：说明：（1)光敏电阻为纯电阻，符合欧姆定律，对多数半导体，当光敏电阻为纯电阻，符合欧姆定律，对多数半导体，当电场强度电场强度超过超过104伏特伏特/厘米厘米（强光时），（强光时），不遵守欧姆不遵守欧姆定律定律。硫化镉例外，其伏安特性在硫化镉例外，其伏安特性在100多伏就不成线性了。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）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

8、功率所决定，而功耗功率又和其高使用电压由其耗散功率所决定，而功耗功率又和其面积面积大小、大小、散热散热情况有关。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。）伏安特性曲线和负载线的交点即为光敏电阻的工作点。5、温度特性：、温度特性：温度的变化，引起温度噪声，导致其温度的变化，引起温度噪声，导致其灵敏度灵敏度、光照特性光照特性、响应率响应率等都发生变化。为了提高灵敏度，必须采用冷却装置，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。尤其是杂质型半导体受温度影响更明显。6前历效应前历效应1-黑暗放置黑暗放置3分钟后分钟后2-黑暗放置黑暗放置

9、60分钟后分钟后3-黑暗放置黑暗放置24小时后小时后指光敏电阻的时间特性与工作前指光敏电阻的时间特性与工作前“历史历史”有关的一种现象。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。即测试前光敏电阻所处状态对光敏电阻特性的影响。暗态前历效应暗态前历效应：指光敏电阻测试或工作前处于暗态，：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。低，光照度越低，则暗态前历效应就越重。亮态前历效应：亮态前历效应：光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与工作时所光敏电阻测试

10、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。要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象。7、暗电阻和暗电流：、暗电阻和暗电流：光敏电阻在黑暗时的阻值称为光敏电阻在黑暗时的阻值称为暗电阻暗电阻，一般情况下，一般情况下，暗电阻都大于暗电阻都大于10兆，受光照时的阻值称为兆，受光照时的阻值称为亮阻亮阻。暗阻与。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。敏度越高。8、时间频率响应：、时间频率响应：时间特性与光照度、工作温度有明显的依赖关系。时间特性与光照度、工作温度有明显的依赖关系。9、噪声特性：、噪

11、声特性：热噪声、产生复合噪声热噪声、产生复合噪声、1/f噪声与调制频率的关系噪声与调制频率的关系（1)红外：减小温漂，使信号放大，可调制较高的红外：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）制冷可降低热噪声（3）恰当的偏置电路，可使信噪比最大）恰当的偏置电路，可使信噪比最大10、光谱特性：相对灵敏度与波长的关系、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，峰值波长在光谱特性曲线覆盖了整个可见光区，峰值波长在515600nm之间。尤其硫化镉的峰值波长与人眼的很敏感的之间。尤其硫化镉的峰值波长与人眼的很敏感的

12、峰值波长（峰值波长（555nm）是很接近的，因此可用于与人眼有关的）是很接近的，因此可用于与人眼有关的仪器，例如仪器，例如照相机照相机、照度计照度计、光度计光度计等。等。红外区光敏电阻的光谱特性红外区光敏电阻的光谱特性此特性与所用材料的光谱响应、制造工艺、掺杂浓此特性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。度和使用的环境温度有关。三、光敏电阻的特点三、光敏电阻的特点1、优点：、优点：灵敏度高，光电导增益大于灵敏度高，光电导增益大于1，工作电流大，无极性之分，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

13、，可测强光、弱光所测光强范围宽，可测强光、弱光2、不足：、不足：强光下光电转换线性差强光下光电转换线性差光电导弛豫时间长光电导弛豫时间长受温度影响大受温度影响大由伏安特性知，设计负载时，应考虑额定功耗由伏安特性知，设计负载时，应考虑额定功耗进行动态设计时，应考虑光敏电阻的前历效应进行动态设计时，应考虑光敏电阻的前历效应四、光敏电阻的电路四、光敏电阻的电路1、基本偏置电路：、基本偏置电路：（1）第一种：第一种：将第一种电路中的将第一种电路中的RP与与R1互换位置，即另一种偏置电路。互换位置，即另一种偏置电路。（2）分析两种情况下输出电压的变化）分析两种情况下输出电压的变化：（3）RG和电源和电源

14、E的选取原则：的选取原则：a.光通量连续变化时，光通量连续变化时，b.光通量跳跃变化时，光通量跳跃变化时，c.为最大允许功耗为最大允许功耗2、恒流、恒压偏置电路：、恒流、恒压偏置电路：（1）恒流偏置电路：采用稳压管）恒流偏置电路：采用稳压管D,故故Ib不变，所以不变，所以Ic不变，不变，因此因此Vb也不变。也不变。（2）恒压偏置电路：）恒压偏置电路：同样同样Vb不变，故不变，故Ve不变，由不变，由于于RG减小，故减小，故Ie增大。导增大。导致致Ic变化。而输出电压变化。而输出电压V0不变。不变。作用与应用作用与应用广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控

15、制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的亮度自动调节，照相机的自动曝光控制等）及各种测量仪器亮度自动调节，照相机的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。中。光敏电阻器种类：光敏电阻器种类：1）按制作材料分类：多晶和单晶光敏电阻器，还可分为）按制作材料分类：多晶和单晶光敏电阻器，还可分为硫化镉硫化镉（CdS）、）、硒化镉硒化镉(CdSe)、硫化铅硫化铅(PbS)、硒化铅硒化铅(PbSe)、锑化铟锑化铟(InSb)光敏电阻器等。光敏电阻器等。2）按光谱特性分类：）按光谱特性分类：可见光光敏电阻器可见光光敏电阻器：主要用于各种光电自动控制系统、

16、电子照：主要用于各种光电自动控制系统、电子照相机、光报警等地。相机、光报警等地。紫外光光敏电阻器紫外光光敏电阻器：主要用于紫外线探测仪器。：主要用于紫外线探测仪器。红外光光敏电阻器红外光光敏电阻器：主要用于天文、军事等领域的有关自动控：主要用于天文、军事等领域的有关自动控制系统。制系统。光敏电阻器的主要参数光敏电阻器的主要参数1）亮电阻（亮电阻（k）：指光敏电阻器受到光照射时的电阻值。：指光敏电阻器受到光照射时的电阻值。2）暗电阻暗电阻(M)：指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时：指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时的电阻值。的电阻值。3）最高工作电压最高工作电压(V)：指光敏电阻器在额定功率

17、下所允许承：指光敏电阻器在额定功率下所允许承受的最高电压受的最高电压4）亮电流亮电流：指光敏电阻器在规定的外加电压下受到光照射时：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。所通过的电流。5）暗电流暗电流(mA)：指在无光照射时，光敏电阻器在规定的外加：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。电压下通过的电流。6）时间常数（时间常数（s）：指光敏电阻器从光照跃变开始到稳定亮：指光敏电阻器从光照跃变开始到稳定亮电流的电流的63时所需的时间。时所需的时间。7）电阻温度系数电阻温度系数：指光敏电阻器在环境温度改变：指光敏电阻器在环境温度改变1时，其时，其电阻值的相对变化。

18、电阻值的相对变化。8）灵敏度灵敏度：指光敏电阻器在有光照射和无光照射时电阻值的：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。相对变化。知识延伸和巩固各种光电子器件补充各种光电子器件补充如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中A为为发光仪器，发光仪器，B为水平传送带，由电动机带动做匀速直为水平传送带，由电动机带动做匀速直线运动。线运动。R1为光敏电阻，为光敏电阻，R2为定值电阻，为定值电阻，R1、R2串串联在电路中，电源电压保持不变每当传送带上有易联在电路中，电源电压保持不变每当传送带上有易拉罐挡住由拉罐挡住由A射向射向R1的光线时，的光线时，

19、R1的电阻值就增大，的电阻值就增大，计数器就计数一次。则：（计数器就计数一次。则：（1）当传送带上有易拉罐）当传送带上有易拉罐挡住由挡住由A射向射向R1的光线时，定值电阻的光线时，定值电阻R2两端的电压将两端的电压将_。（填。（填“变大变大”、“变小变小”或或“不变不变”）（2）已知相邻的两个易拉罐中心之间的距离均为）已知相邻的两个易拉罐中心之间的距离均为20cm，若计数器从易拉罐第一次挡住光线开始计时，若计数器从易拉罐第一次挡住光线开始计时，到恰好计数到恰好计数101次共用时间次共用时间40s，则传送带的速度为多，则传送带的速度为多少少m/s？光电子符号光电子符号答案：答案：（1）由题意可知

20、，当传送带上有易拉罐挡住由）由题意可知，当传送带上有易拉罐挡住由A射向射向R1的光的光线时，线时，R1的电阻值就增大，由于的电阻值就增大，由于R1、R2是串联在电路中的，是串联在电路中的，当当R1电阻值增大，电阻值增大，R1分得的电压就增大，分得的电压就增大，R2两端的电压将变两端的电压将变小；小；（2）由）由vs/t(101-1)0.2m/40s0.5m/s。知识巩固光敏电阻适于作为光敏电阻适于作为()()A、光的测量元件、光的测量元件B、光电导开关元件、光电导开关元件C、加热元件、加热元件D、发光元件、发光元件B知识巩固光敏电阻的性能好、灵敏度高，光敏电阻的性能好、灵敏度高，是指给定电压下是指给定电压下()()A、暗电阻大、暗电阻大B、亮电阻大、亮电阻大C、暗电阻与亮电阻差值大、暗电阻与亮电阻差值大D、暗电阻与亮电阻差值小、暗电阻与亮电阻差值小C