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1、光敏电阻的原理、种类、工作特性及应用摘要光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，又称为光电导探测器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大(例外)。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化） 。掺杂型的长波限较长，可测光谱范围宽，目前比较多的用 n 型半导体，较稳定，特性好。由于不同的材料对光谱有不同的的选择吸收，这也就导致了涂有不同半导体的光敏电阻有不同的光谱灵敏范围，而且光谱响应曲线也有较大的差异。通过改变半导体材料，可以使光敏电阻的频谱响应范围从红外延伸到紫外。由于频谱响应范围可以做的很宽，所以光敏电阻在生活中具有广
2、泛的实际应用。紫外光敏电阻用于探测紫外线。红外光敏电阻器广泛用于导弹制导、天文探测、红外光谱，红外通信等国防和工农业生产中。可见光光敏电阻主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器” ，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。总之，光敏电阻在各个行业，生活中的各个角落，都扮演着重要的角色。关键词：光敏电阻、光电导效应、光探测技术一、 光敏电阻的原理1.1 光电导效应内光电效应是光电效应的一种，主要由于光量子作用，引发物质电化学性质变化，而外光电效应则是逸出电子。内光电效应
3、又可分为光电导效应和光生伏特效应。对于本半导体, 当未受光照射时, 价电子被束搏在局部价键上，不能参与导电，只有少数热激发产生的自由载流子（电子、空穴）可以参与导电。按照固体能带论, 被束缚的价电子处在满的价带中, 而在材料中可以参与导电的自由电子是处于导带中的, 自由空穴处于价带顶, 在导带与价带之间有宽度为的禁带宽度（如图 b 所示） 。电子不能具有这个范围的能值。要打破电子在gE价带和导带中的分布格局, 必须提供能量打破原子间的价键, 将电子从价带提升到导带（如 c、d 图所示） 。当入射光子的能量达到 时就满足条件。可ghE以计算出本征半导体的长波限为： 1.2ghcE图 1.1 本征
4、半导体的结构图对于参杂型半导体（以 N 型半导体为例） ，入射光子能量大于能量差，就能将 Ed 的电子激发到导带，从而变成导电的电子，形成电流。dcEV图 1.2 N 型半导体的电子激发同样也可以计算出其长波限为 。显然掺杂型的长波限较1.2dcdchEV长，可测光谱范围宽，目前比较多的用 n 型半导体，较稳定，特性好。光电导的灵敏度：在光照条件下, 设自由电子和空穴的增量为 和 ,半nVp导体的电导率为: = 式中 是无光照时0V()()pnpqq0的电导率, 称为暗电导率, 而电导率的增量 即为光电导率。比值 , 通常称为光电导灵敏度 , 一般希望比值越大越好。/V光电导增益：载流子的平均
5、寿命与渡越时间之比为光电导的增益即 ，rGT可以看出，载流子的寿命越长，渡越时间越短，则光电导的增益就越大。光电导效应其实就是半导体吸收光子能量之后，使其中的载流子浓度增加，导电性能增强，阻值降低的现象 1。光敏电阻就是基于这种效应的最直接的光电子器件。1.2 光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电子器件。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可以加直流电压也可以加交流电压。无光照射时，光敏电阻阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照射时，它的阻值急剧减小，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小
6、越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际上光敏电阻的暗电阻阻值一般在兆欧数量级，亮电阻阻值一般在几千欧以下（引用） 。其实光敏电阻的结构很简单。在玻璃（或陶瓷）底板上均匀地图上一层薄薄的半导体物质（用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体） ，称为光导层。半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层膜，膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。为了提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案。图 1.2.1即为常见的光敏电阻结构示意图。 图 1.2.1 光敏电阻结构示意图二、 光
7、敏电阻的工作特性2.1 伏安特性图 2.1 硫化镉光敏电阻的伏安特性在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。由图 2.1 可见，在光照度不变的情况下，光敏电阻在一定的电压范围内，其曲线为直线，电压越高，光电流也就越大，而且没有饱和现象（即直线没有向下弯曲，但应注意，光敏电阻的工作电压和电流都不能超过规定的额定最高值） 。从图中还可以看出不同光照度下可以得到不同的伏安特性曲线。随着照度的增大，伏安特性曲线变得越来越陡，说明斜率也越来越大，这表明光敏电阻的阻值在随着光照度的增加而减小。2.2 光电特性图 2.2 光电特性图
8、由光电灵敏度的定义 ，不同的光敏电阻的光照特性是不同的，但是dISF在大多数的情况下，曲线的形状都与图 2.2 的结果类似。由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不适宜作线性敏感元件，这是光敏电阻的缺点之一。所以在自动控制中光敏电阻常用作开关量的光电传感器。2.3 光谱特性及灵敏度图 2.3 光敏的电阻的光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。图 2.3 为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。具体来说，光敏电阻的灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值，它和半导体材料、以及入射光的波长有关。由于不同的
9、材料对光谱有不同的的选择吸收，这也就导致了涂有不同半导体的光敏电阻有不同的光谱灵敏范围，而且光谱响应曲线也有较大的差异。通过改变半导体材料，可以使光敏电阻的频谱响应范围从红外延伸到紫外。由于频谱响应范围可以做的很宽，所以光敏电阻在生活中具有广泛的实际应用。2.4 频率特性图 2.4 光敏电阻的频率特性光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。 大多数的光敏电阻时间常数都较大， 这是它的缺点之一。 不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数(毫秒数量级)，截止频率为 ， 因而它们的频率特性也就各不相同。图 2.4312dBf为硫化镉和硫
10、化铅光敏电阻的频率特性。硫化铅的响应时间为 100-300uS，硫化镉的响应时间为 100-300mS。响应时间过长, 无法用于光通讯及其它高频调制光信号测量, 只适用于低速领域, 如照明控制, 相机测光等。2.5 温度特性图 2.5 硫化铅的温度特性曲线由公式 ，可以看出温度上升时，电阻下降，灵敏度也下降，10%RTg如采用制冷措施可提高灵敏度，并使工作波段向长波方向移动。光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。温度变化时，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也随之改变，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 2.5 为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线，它
11、的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。三、 光敏电阻的分类3.1 根据半导体材料分类根据半导体的材料分类主要可以分为：本征型光敏电阻、掺杂型光敏电阻。本文前面已经介绍过，后者性能稳定，特性较好，故大都采用它。3.2 根据光敏电阻的光谱特性分类根据光敏电阻的光谱特性分类主要可以分为三种光敏电阻器：1、紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。2、红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。3、可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、
12、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器” ，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。四、 应用电路举例4.1 调光电路 图 4.1 调光电路图图 4.1 是一种典型的光控调光电路，其工作原理是：当周围光线变弱时引起光敏电阻的阻值增加，使加在电容 C 上的分压上升，进而使可控硅的导通角增大，达到增大照明灯两端电压的目的。反之，若周围的光线变亮，则光敏电阻的阻值下降，导致可控硅的导通角变小，照明灯两端电压也
13、同时下降，使灯光变暗，从而实现对灯光照度的控制。上述电路中整流桥给出的是必须是直流脉动电压，不能将其用电容滤波变成平滑直流电压，又可使电容 C 的充电在每个半周从零开始，准确完成对可控硅的同步移相触发。4.2 光控开关图 4.2.1 简单的暗激发光控开关 图 4.2.2 精密的暗激发光控开关以光敏电阻为核心元件的带继电器控制输出的光控开关电路有许多形式，如自锁亮激发、暗激发及精密亮激发、暗激发等等，下面给出几种典型电路。图 4.2.1 是一种简单的暗激发继电器开关电路。其工作原理是：当照度下降到设置值时由于光敏电阻阻值上升激发 VT1 导通，VT2 的激励电流使继电器工作，常开触点闭合，常闭触
14、点断开，实现对外电路的控制。图 4.2.2 是一种精密的暗激发时滞继电器开关电路。其工作原理是：当照度下降到设置值时由于光敏电阻阻值上升使运放 IC 的反相端电位升高，其输出激发 VT 导通，VT 的激励电流使继电器工作，常开触点闭合，常闭触点断开，实现对外电路的控制。参考文献1.光电导效应及应用，陈宜生，张立升，物理通报，19942.光敏电阻特性研究，舒秦，王瑞平，孙向红，西安科技学院学报，2000， （4）：3773793.卢春生，光电探测及应用，机械工业出版社，19924.郝晓剑，光电探测技术与应用，国防工业出版社，20095. Measurement of insolation using CdS photoresistor, C.E. Okeke, A.J. Varkey, Energy Conversion and Management,1981(21):2672736. Optimization of the topology of photoresisrors ,Yu. N. Dolganin and M. A. Savchenko, Measurement Techniques, 2004(47):4752
