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1、光敏电阻光敏电阻 一、结构与原理一、结构与原理 光敏电阻利用光电导效应制成。光敏电阻利用光电导效应制成。 当入射光子使电子由价带跃升到导带时，导带中的电阻和价带中的空穴二者均参与导电，因此电阻显著减小，称为光敏因此电阻显著减小，称为光敏电阻电阻。 本征光电导效应可用本征光电导效应可用来检测可见光和近红外辐射来检测可见光和近红外辐射。 如果入射光子从杂质能级跃升到导带如果入射光子从杂质能级跃升到导带(非本征光电导非本征光电导)，那么，那么N型型材料的电导率增大。当光子能量使电子由价带跃升到材料的电导率增大。当光子能量使电子由价带跃升到P型主能级，型主能级，从而使价带中留有可移动的空穴时，从而使价
2、带中留有可移动的空穴时，P型材料就会出现非本征光型材料就会出现非本征光电导。电导。 非本征光电导体主要非本征光电导体主要检测波长很长的辐射检测波长很长的辐射 用于超过用于超过5微米的波段。微米的波段。光电导探测器光电导探测器是基于半导体的光电导效应制成的光电探测器，光电导效应的主要特点是受光照射时其电阻值明显变小，故又称为光敏电阻。光电导探测器广泛应用在工业自动化、摄影机自动测光等监控系统，也广泛应用于目前其他探测器难以实现的红外测量系统。半导体对光的吸收半导体对光的吸收半导体对光的吸收是产生光电效应的基础。光照半导体材料时，若入射光子的能量大于某一值，就可以产生光激发，从而产生光生载流子。采
3、取一定的措施合理利用这些光生载流子，便可以制出各种光子效应探测器。光生载流子光生载流子在光辐射作用下，半导体材料吸收入射光子的能量，使束缚态的电荷产生能级跃迁而变成自由电荷，这些由光激发产生的载流子称为光生载流子。相对于热平衡状态下由热激发与复合而产生的热平衡载流子而言，光生载流子又称为非平衡载流子。光电探测器的工作原理就是基于这些光生载流子，采取一定的措施利用这些非平衡载流子，将它们的变化耦合到外电路中，使外电路中的电流或电压的变化反映入射光辐射功率的变化，从而达到光检测的目的。 本征吸收本征吸收本征吸收指光照半导体材料时，价带中的电子吸收入射光子的能量跃迁到导带中去，这种激发过程称为半导体
4、的本征吸收。在本征吸收过程中，价带中的电子跃迁到导带，同时在价带中留下空穴，产生了电子空穴对。与热平衡状态相比，在导带中多出了一部分电子，在价带中多出了一部分空穴，它们是因为光照而产生的载流子，称为光生载流子。在光照时，半导体中总的载流子浓度比热平衡状态下载流子浓度大。本征吸收产生的条件是入射光子的能量必须大于材料的禁带宽度，杂质吸收杂质吸收掺有杂质的半导体材料，在光照时也会产生光激发。对于n型半导体，施主杂质中的束缚电子吸收了光子的能量跃迁到导带；对于p型半导体，受主杂质中的束缚空穴吸收了光子能量跃迁到价带。施主释放束缚电子到导带、受主释放束缚空穴到价带所需的能量称为杂质的电离能和。 光电导
5、探测器的结构光电导探测器的结构很简单，只要在一块匀质的半导体两端装上电极就可以构成一个光敏电阻。 灵敏度灵敏度 灵敏度通常指的是在一定条件下，单位照度所引起的光电流。由于各种器件使用的范围及条件不一致，因此灵敏度有各种不同的表示法。光电导体的灵敏度表示在一定光强下光电导的强弱。它可以用光电增益G来表示。根据定态条件下电子与空穴的产生率与复合率相等可推导出 为量子产额，即吸收一个光子所产生的电子空穴对数； 为光生载流子寿命； 为载流子在光电导两极间的渡越时间。 光电导的弛豫 光电导是非平衡载流子效应，因此有一定的弛豫现象：光照射到样品后，光电导逐渐增加，最后达到定态。光照停止，光电导在一段时间内
6、逐渐消失。这种弛豫现象表现了光电导对光强变化反应的快慢。光电导上升或下降的时间就是弛豫时间，或称为响应时间(惰性)。显然，弛豫时间长，表示光电导反应慢，这时称惯性大；弛豫时间短，即光电导反应快，称惯性小。从光电导的机构来看，弛豫现象表现为在光强变化时，光生载流子的积累和消失的过程。因此，要讨论弛豫现象，必须研究光生载流子的产生与复合。光电导的驰豫决定在迅速变化的光强下，一个光电器件能否有效工作的问题。在分析定态光电导和光强之间的关系时，尽管实际情况比较复杂，但通常讨论下面两种典型情况：直线性光电导，即光电导与光强成线性关系，如Si、Ge、PbO等许多材料至少在较低的光强下都具有这种性质；抛物线
7、性光电导，指的是光电导与光强的平方根成正比。有不少光电导体在低光强下属于直线性光电导，但在较高的光强下则为抛物线性光电导。 光敏电阻工作机理较复杂，但结构简单，光敏电阻工作机理较复杂，但结构简单，只是在一块匀质的光电导体两端只是在一块匀质的光电导体两端加上电极即成，如图所示。加上电极即成，如图所示。1光谱响应相当宽光谱响应相当宽根据不同的光电导材料，光敏电阻根据不同的光电导材料，光敏电阻的灵敏域可在的灵敏域可在紫外光区紫外光区，可见光区可见光区，也可在也可在红外区和远红外区红外区和远红外区。光敏电阻有以下优点：光敏电阻有以下优点：2所测的光强范围宽，即可对强光响应，也可对弱光响应。所测的光强范
8、围宽，即可对强光响应，也可对弱光响应。3无极性之分，使用方便，成本低，寿命长。无极性之分，使用方便，成本低，寿命长。4灵敏度高，工作电流大，可达数毫安灵敏度高，工作电流大，可达数毫安 使用时必须在光敏电阻两端加上电压，一般再串一个负载电阻，构成闭合回路。当光照光敏电阻时，其电导率发生变化，电阻值随之变化，那么流经整个回路的电流发生变化。负载上电流的变化反映了光照信号的变化。在负载上取出其变化信号，便达到了检测入射光信号的目的。光照时，光敏电阻的电阻值通常称为明电阻或亮电阻，无光照时的电阻称为暗电阻。 模型结构示意图偏置电路等效电路二、特性二、特性 1光照特性光照特性 图示出硫化镉光敏电阻的光照
9、特性。光图示出硫化镉光敏电阻的光照特性。光敏电阻受光照时的电流与不受光照时的敏电阻受光照时的电流与不受光照时的电流之差，称电流之差，称光电流光电流。由于有上述的光。由于有上述的光电流放大作用，它的灵敏度高，光照特电流放大作用，它的灵敏度高，光照特性为性为非线性非线性。在实用范围内，它们的关。在实用范围内，它们的关系可表示如下：系可表示如下： I通过光敏电阻的电流；通过光敏电阻的电流；U加于光敏电阻的电压；加于光敏电阻的电压；L光敏电阻上的照度；光敏电阻上的照度；K比例系数；比例系数；a电压指数，一般近于电压指数，一般近于1； b 照度指数。照度指数。 光谱特性与所用的材料光谱特性与所用的材料有
10、关，图有关，图(b)的曲线的曲线1、2、3分别示出硫化镉、分别示出硫化镉、硒化镉、硫化铅光敏电硒化镉、硫化铅光敏电阻的光谱特性。从图可阻的光谱特性。从图可以看出，硫化铅光敏电以看出，硫化铅光敏电2光谱特性光谱特性 光敏电阻的光谱分布，不仅和材料的性质有关，也和工艺过程有关。光敏电阻的光谱分布，不仅和材料的性质有关，也和工艺过程有关。例如硫化镉光敏电阻，随着掺铜浓度的增加，光谱峰值由例如硫化镉光敏电阻，随着掺铜浓度的增加，光谱峰值由5000埃移埃移至至6400埃。而硫化铅随薄层的减薄，光谱峰值位置移向短波方向。埃。而硫化铅随薄层的减薄，光谱峰值位置移向短波方向。 阻在较宽的光谱范围内有较高的灵敏
11、度。阻在较宽的光谱范围内有较高的灵敏度。 本征光电导光谱特性3伏安特性伏安特性 图图(c)的曲线的曲线1和和2分别表示照度分别表示照度为零和某值时的伏安特性。如为零和某值时的伏安特性。如果所加电压越高，则光电流越果所加电压越高，则光电流越大而且无饱和现象。对于大多大而且无饱和现象。对于大多数半导体，电场强度超过数半导体，电场强度超过10伏伏厘米时才开始不遵循欧姆定厘米时才开始不遵循欧姆定律。只有硫化镉是例外，它的律。只有硫化镉是例外，它的伏安特性在伏安特性在100多伏时就产生转多伏时就产生转折点而不再呈线性了。光敏电阻的最高使用电压由它的耗散功折点而不再呈线性了。光敏电阻的最高使用电压由它的耗
12、散功率所决定，而耗散功率又和面积大小、散热情况等有关。率所决定，而耗散功率又和面积大小、散热情况等有关。因为伏安特性成线性，光敏电阻除用积分灵敏度外，用比灵敏度也因为伏安特性成线性，光敏电阻除用积分灵敏度外，用比灵敏度也很方便。比灵敏度很方便。比灵敏度Sb的定义如下的定义如下: I 光敏电阻被照射时和黑暗时的电流差；光敏电阻被照射时和黑暗时的电流差； U 光敏电阻上所加的电压；光敏电阻上所加的电压； 照射于光敏电阻上的光通量。照射于光敏电阻上的光通量。比灵敏度乘以电压就得积分灵敏度，积分灵敏度与电压成正比这是比灵敏度乘以电压就得积分灵敏度，积分灵敏度与电压成正比这是容易理解的，因为在相同的光通
13、量下，光敏电路的电流与电压成正容易理解的，因为在相同的光通量下，光敏电路的电流与电压成正比。一般需要经过几百小时后，光敏电阻的灵敏度才趋稳定。光敏比。一般需要经过几百小时后，光敏电阻的灵敏度才趋稳定。光敏电阻的主要优点之一是积分灵敏度较高电阻的主要优点之一是积分灵敏度较高4频率特性频率特性 图图(d)的曲线的曲线l和和2分别表示出硫分别表示出硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性。光敏电阻的频率特性较特性。光敏电阻的频率特性较差，这是因为光敏电阻的导电差，这是因为光敏电阻的导电性与被俘获的载流子有关，当性与被俘获的载流子有关，当入射光强上升时，被俘获的自入射光强上升时，被俘
14、获的自由载流子到相应的数值需要一由载流子到相应的数值需要一定时间；同样，入射光强降低时，被俘获的电荷释放出来也是比较定时间；同样，入射光强降低时，被俘获的电荷释放出来也是比较慢的，光敏电阻的阻值，要花一段时间后才能达到相应的数值慢的，光敏电阻的阻值，要花一段时间后才能达到相应的数值(新新的平衡值的平衡值)，故其频率特性较差。有时以时间常数说明频率响应的，故其频率特性较差。有时以时间常数说明频率响应的好坏。当光敏电阻突然受到光照时，电导率上升到最终值的好坏。当光敏电阻突然受到光照时，电导率上升到最终值的63所所花的时间，被称为花的时间，被称为上升时间常数。上升时间常数。同样，同样，降低时间降低时
15、间常数是把器件突常数是把器件突然黑暗时，其导电率降到起始值的然黑暗时，其导电率降到起始值的37(即降低即降低63)所花的时间。所花的时间。5疲乏特性疲乏特性 图图(e)的曲线的曲线l和和2分别表示出型分别表示出型号不同的两种硫化镉光敏电阻号不同的两种硫化镉光敏电阻的疲乏特性。初制成的光敏电的疲乏特性。初制成的光敏电阻，由于体内机构的不稳定，阻，由于体内机构的不稳定，以及电阻体与其介质间的作用以及电阻体与其介质间的作用还没有达到平衡，所以性能是还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的。不够稳定的。在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二个星期的老化，性在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二个星
16、期的老化，性能可达到稳定。光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品能可达到稳定。光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上升了，有些样品阻值下降了，各不一样，但最后总能达到一阻值上升了，有些样品阻值下降了，各不一样，但最后总能达到一个稳定值，以后就不再变了。这是光敏电阻的主要优点，它以其高个稳定值，以后就不再变了。这是光敏电阻的主要优点，它以其高度的稳定性而被广泛地应用在自动化技术上。度的稳定性而被广泛地应用在自动化技术上。 6温度特性温度特性 光敏电阻的性质受温度的光敏电阻的性质受温度的影响较大。随着温度的升影响较大。随着温度的升高灵敏度要下降。硫化镉高灵敏度要下降。硫化镉的光电流的光电流I和温度和温度T的关系的关系如图如图(f)所示。有时为了所示。有时为了提高灵敏度，将元件降温提高灵敏度，将元件降温使用。例如，利用制冷器使用。例如，利用制冷器使光敏电阻的温度降低。使光敏电阻的温度降低。随着温度的升高，光敏电阻黑暗时电流上升，光照时的电流增加不随着温度的升高，光敏电阻黑暗时电流上升，光照时的电流增加不多。因此，它的光电流下降，即光电灵敏度下降。不同材料的光敏多。因此，它的
