第二章光敏电阻

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第二章 光电导器件,某些物质吸收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、锗等本征半导体与杂质半导体，硫化镉、硒化镉、硫化铅等）可以制成电导随入射光通量变化的器件，称为,光电导器件或光敏电阻,。,通常应用于路灯照明、警报器、楼梯灯、小夜灯，光线黑暗时路灯即亮。,光敏电阻,光敏电阻是光电导型器件。,光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫化镉（,CdS,），锑化铟（,InSb,）等。,特点：,光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）；,偏置电压低，工作电流大；,动态范围宽，既可测强光，也可测弱光；,光电导增益大，灵敏度高；,无极性，使用方便；,在强光照射下，光电线性度较差,光电驰豫时间较长，频率特性较差。,光敏,电阻,(LDR) 和它的,符号,：,符号,主要内容,2.1,光敏电阻的原理与结构,2.2,光敏电阻的基本特性,2.3,光敏电阻的变换电路,2.4,光敏电阻的应用实例,2.1,光敏电阻的工作原理与结构,工作机理,：当入射光子使半导体中的电子由价带跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。,光子电子跃迁自由载流子数目变化电导率，电阻变化,入射光,返回,通量为,e,的单色辐射入射到如图,1-10,所示的半导体上，波长,的单色辐射全部被吸收，则光敏层单位时间所吸收的量子数密度,N,e,应为,(1-73),光敏层每秒产生的电子数密度,G,e,为,（,1-74,）,在热平衡状态下，半导体的热电子产生率,G,t,与热电子复合率,r,t,相平衡。光敏层内电子总产生率应为热电子产生率,G,t,与光电子产生率,G,e,之和,（,1-75,）,导带中的电子与价带中的空穴的总复合率,R,应为,（,1-76,）,式中，,K,f,为载流子的复合几率，,n,为导带中的光生电子浓度，,p,为导带中的光生空穴浓度，,n,i,与,p,i,分别为热激发电子与空穴的浓度。,同样，热电子复合率与导带内热电子浓度,n,i,及价带内空穴浓度,p,i,的乘积成正比。即,（,1-77,）,在热平衡状态载流子的产生率应与复合率相等。即,（,1-78,）,在非平衡状态下，载流子的时间变化率应等于载流子的总产生率与总复合率的差。即,（,1-79,）,下面分为两种情况讨论：,（,1,）在微弱辐射作用下，光生载流子浓度,n,远小于热激发电子浓度,n,i,，光生空穴浓度,p,远小于热激发空穴的浓度,p,i,，并考虑到本征吸收的特点，,n,=,p,，式（,1-79,）可简化为,利用初始条件,t,= 0,时，,n,= 0,，解微分方程得,（,1-80,）,式中,=1/,K,f,(,n,i,+,p,i,),称为载流子的平均寿命。,由式（,1-80,）可见，光激发载流子浓度随时间按指数规律上升，当,t,时，载流子浓度,n,达到稳态值,n,0,，即达到动态平衡状态,（,1-81,）,光激发载流子引起半导体电导率的变化,为,（,1-82,）,式中，,为电子迁移率,n,与空穴迁移率,p,之和。,半导体材料的光电导,g,为,（,1-83,）,可以看出，在弱辐射作用下的半导体材料的电导与入射辐射通量,e,成线性关系。,求导可得,由此可得半导体材料在弱辐射作用下的光电导灵敏度,（,1-85,）,可见，在弱辐射作用下的半导体材料的光电导灵敏度为与材料性质有关的常数，与光电导材料两电极间的长度,l,的平方成反比。,（,2,）在强辐射的作用下，,n,n,i,，,p,p,i,（,1-79,）式可以简化为,利用初始条件,t,= 0,时，,n,= 0,，解微分方程得,（,1-86,）,式中， 为强辐射作用下载流子的平均寿命。,强辐射情况下，半导体材料的光电导与入射辐射通量间的关系为,（,1-87,）,抛物线关系。,进行微分得,（,1-88,）,在强辐射作用的情况下半导体材料的光电导灵敏度不仅与材料的性质有关而且与入射辐射量有关，是非线性的。,光敏电阻的基本结构,光敏电阻结构,：在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。,光敏电阻的基本结构,光敏电阻在微弱辐射作用的情况下光电导灵敏度,S,g,与光敏电阻,两电极间距离,l,的平方成反比；在强辐射作用的情况下光电导灵敏度,S,g,与光敏电阻两电极间距离,l,的二分之三次方成反比,都与两电极间距离,l,有关。,典型光敏电阻,1,、,CdS,光敏电阻,CdS,光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应特性最,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，因此，被广泛地应用于灯光的自动控制，照相机的自动测光等。,CdS,光敏电阻的峰值响应波长为,0.52,m,，,CdSe,光敏电阻为,0.72,m,，一般调整,S,和,Se,的比例，可使,Cd,（,S,，,Se,）光敏电阻的峰值响应波长大致控制在,0.520.72,m,范围内。,CdS,光敏电阻的光敏面常为如图,2-2,（,b,）所示的蛇形光敏面结构。,2,、,PbS,光敏电阻,PbS,光敏电阻是,近红外波段,最灵敏的光电导器件。,PbS,光敏电阻在,2,m,附近的红外辐射的探测灵敏度很高，因此，常用于火灾的探测等领域。,PbS,光敏电阻的光谱响应和比探测率等特性与工作温度有关，随着工作温度的降低其峰值响应波长和长波长将向长波方向延伸，且比探测率,D*,增加。例如，室温下的,PbS,光敏电阻的光谱响应范围为,13.5,m,，峰值波长为,2.4,m,，峰值比探测率,D*,高达,1,10,11,cmHzW,-1,。当温度降低到（,195K,）时，光谱响应范围为,14,m,，峰值响应波长移到,2.8,m,，峰值波长的比探测率,D*,也增高到,2,10,11,cmHzW,-1,。,3,、,InSb,光敏电阻,InSb,（锑化铟）,光敏电阻是,37,m,光谱范围内的主要探测器件之一。,InSb,材料不仅适用于制造单元探测器件，也适宜制造阵列红外探测器件。,InSb,光敏电阻在室温下的长波限可达,7.5,m,，峰值波长在,6,m,附近，比探测率,D*,约为,1,10,11,cmHzW,-1,。当温度降低到,77K,（液氮）时，其长波长由,7.5,m,缩短到,5.5,m,，峰值波长也将移至,5,m,，恰为大气的窗口范围，峰值比探测率,D*,升高到,2,10,11,cmHzW,-1,。,4,、,Hg,1-x,Cd,x,Te,系列光电导探测器件,Hg,1-x,Cd,x,Te,系列光电导探测器件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。,Hg,1-x,Cd,x,Te,系列光电导体是由,HgTe,和,CdTe,两种材料混合而成的，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,，可以得到不同光谱响应范围的,Hg,1-x,Cd,x,Te,探测器件。一般组分,x,的变化范围为,0.180.4,，长波长的变化范围为,130,m,。常用的有：,1,3,m,、,35m,、,814m,三种波长范围的探测器，对应大气窗口。,响应在,814m,波段，峰值波长为,10.6m,与,co,2,激光器的波长相匹配。,2.2,光敏电阻的基本特性,1,光电特性,光敏电阻为多数载流子导电的光电敏感器件，它与其他光电器件的特性的差别表现在它的基本特性参数上。光敏电阻的基本特性参数包含,光电特性,、,时间响应、光谱响应、伏安特性与噪声特性,等。,电导随光照量变化越大的光敏电阻就越灵敏。这个特性称为光敏电阻的,光电特性,。,光敏电阻在黑暗的室温条件下，由于热激发产生的载流子使它具有一定的电导，该电导称为,暗电导,。,当有光照射在光敏电阻上时，它的电导将变大，这时的电导称为,光电导,。,讨论光电导效应时我们看到，光敏电阻在弱辐射和强辐射作用下表现出不同的光电特性（线性与非线性），它在弱辐射和强辐射作用下的光电导与辐射通量的关系,:,实际上，光敏电阻在弱辐射到强辐射的作用下，它的,光电特性可用在,“,恒定电压,”,作用下流过光敏电阻的电流,I,p,与作用到光敏电阻上的光照度,E,的关系曲线来描述，,如图,2-3,所示为,CdS,光敏电阻的光电特性曲线。给出了,在恒定电压的作用下，,流过光敏电阻的电流,I,p,与入射光照度,E,间的变化关系，由图可见它是由线性渐变到非线性的。,式中,S,g,为光电导灵敏度，,E,为光敏电阻的照度。显然，当照度很低时，曲线近似为线性；随照度的增高，线性关系变坏，当照度变得很高时，,曲线近似为抛物线形。,（,2-1,）,光敏电阻的光电特性可用一个随光度量变化的指数,来描述，并定义,为,光电转换因子,。并将式（,2-1,）改为,光电转换因子,在弱辐射作用的情况下为,=1,），随着入射辐射的增强，,值减小，当入射辐射很强时,值降低到,0.5,。,（,2-2,）,在实际使用时，常常将光敏电阻的光电特性曲线改用如图,2-4,所示的特性曲线。,如图,2-4(b),所示的对数坐标系中光敏电阻的阻值,R,在,某段照度,E,V,范围内的光电特性表现为线性，即（,2-2,）式中的,保持不变,。,值为对数坐标下特性曲线的斜率。即,（,2-3,）,R,1,与,R,2,分别是照度为,E,1,和,E,2,时光敏电阻的阻值。,2,伏安特性,光敏电阻的本质是电阻，符合欧姆定律。,可以测出在不同光照下加在光敏电阻两端的电压,U,与流过它的电流,I,p,的关系曲线，并称其为光敏电阻的,伏安特性,。,3,温度特性,光敏电阻具有复杂的温度特性。,以室温（,25,）的相对光电导率为,100%,，观测光敏电阻的相对光电导率随温度的变化关系，可以看出光敏电阻的,相对光电导率随温度的升高而下降,。,4,时间响应,光敏电阻的,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,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。,光敏电阻的惯性与入射辐射信号的强弱有关，下面分别讨论,。,4,时间响应,1.,弱辐射作用情况下的时间响应,t0,t=0,光电导率,和光电流,I,随时间变化的规律为,当,t,=,r,时，,=0.63,0,，,I,=0.63I,e0,；,r,定义为光敏电阻的,上升时间常数,。,当,t,=,f,时，,=0.37,0,，,I,=0.37I,e0,；,f,定义为光敏电阻的,下降时间常数,。,停止辐射时，入射辐射通量,e,与时间的关系为：,t=0,t0,光电导率和光电流随时间变化的规律为：,对应脉冲前沿，光敏电阻电导率的变化规律为：,其光电流的变化规律为：,（,2-10,）,（,2-11,）,停止辐射时,光电导率和光电流的变化规律可表示为,：,（,2-8,）,（,2-9,）,2,.,强辐射作用情况下的时间响应,当,t,=,r,时，,= 0.76,0,，,I,=0.76I,e0.,；,当,t,=,f,时，,= 0.50,0,，,I,=0.50I,e0,.,5,光谱响应,光敏电阻的光谱响应主要由光敏材料禁带宽度、杂质电离能、材料掺杂比与掺杂浓度等因素有关。,6,噪声特性,光敏电阻的主要噪声有,热噪声,、,产生复合,和,低频噪声,(,或称,1/f,噪声,),。,1,、,热噪声,:,由光敏电阻内载流子的热运动产生的噪声。,2,、,产生复合噪声：,3,、,低频噪声（电流噪声）：,与调制频率成反比。,在几百赫兹以内以电流噪声为主；随着频率的升高产生复合变得明显；频率很高时以热噪声为主。,2.3,光敏电阻的变换电路,1,基本偏置电路,设在某照度,E,v,下，光敏电阻的阻值为,R,，电导为,g,，流过偏置电阻,R,L,的电流为,I,L,用微变量表示,而，,dR=d(1/g)=(-1/g )dg,dg=S dE,因此,2,g,v,（,2-19,）,（,2-,补,1,）,偏置电阻,R,L,两端的输出电压为,输出电压与弱辐射入射辐射量（照度,e,v,）成线性关系。,思考,:,电压灵敏度是什么？和哪些参数有关？,（,2-24,）,（,2-20,）,设,i,L,=d,I,L,，,e,v,=d,E,v,，则,（,2-21,）,加在光敏电阻上的电压为,R,与,R,L,对电压,U,bb,的分压，即,U,R,=,R,/(,R+R,L,),U,bb,，因此，光电流的微变量为,将式（,2-22,）代入式（,2-21,）得,（,2-22,）,（,2-23,）,微变等效电路,2,恒流电路,在简单偏置电路中，当,R,L,R,时，流过光敏电阻的电流基本不变，此时的偏置电路称为恒流电路。然而，光敏电阻自身的阻值已经很高，再满足恒流偏置的条件就难以满足电路输出阻抗的要求，为此，可引入如图,2-13,所示的晶体管恒流偏置电路。,稳压管,D,W,将晶体三极管的基极电压稳定，即,U,B,=,U,W,，流过晶体三极管发射极的电流,I,e,为,（,2-25,）,在晶体管恒流偏置电路中输出电压,U,o,为,求微分得,将 代入（,2-27,）得,（,2-27,）,（,2-26,）,或,显然，恒流偏置电路的电压灵敏度,S,V,为,（,2-28,）,（,2-29,）,（,2-30,）,3,恒压电路,利用晶体三极管很容易构成光敏电阻的恒压偏置电路。如图,2-14,所示为典型的光敏电阻恒压偏置电路。,光敏电阻在恒压偏置电路的情况下输出的电流,I,P,与处于放大状态的三极管发射极电流,I,e,近似相等。因此，恒压偏置电路的输出电压为,则得到输出电压的变化量为,d,U,o,=,R,c,d,I,c,=,R,c,d,I,e,=,R,c,S,g,U,w,d,例题,例,1,在如图,2-13,所示的恒流偏置电路中，已知电源电压为,12V,，,R,b,为,820,，,R,e,为,3.3k,，三极管的放大倍率不小于,80,，稳压二极管的输出电压为,4 V,，光照度为,40lx,时输出电压为,6V,，,80 lx,时为,8V,。（设光敏电阻在,30,到,100lx,之间的,值不变）,试求：（,1,）输出电压为,7,伏的照度为多少勒克司？,（,2,）该电路的电压灵敏度（,V/ lx,）。,解,根据已知条件，流过稳压管,D,W,的电流,满足稳压二极管的工作条件,（,1,）根据题目给的条件，可得到不同光照下光敏电阻的阻值,将,R,e1,与,R,e2,值代入,值计算公式，得到光照度在,4080lx,之间的,值,输出为,7V,时光敏电阻的阻值应为,此时的光照度可由,值计算公式获得,E,3,=54.45,（,lx,）,（,2,）电路的电压灵敏度,S,V,例,2,在如图,2-14,所示的恒压偏置电路中，已知,D,W,为,2CW12,型稳压二极管，其稳定电压值为,6V,，设,R,b,=1k,，,R,C,=510,三极管的电流放大,倍率不小于,80,，,电源电压,U,bb,=12V,，当,CdS,光敏电阻光敏面上的照度为,150lx,时恒压偏置电路的输出电压为,10V,照度为,450lx,时输出电压为,8V,试计算输出电压为,9V,时的照度（设光敏电阻在,100500lx,间的,值不变）为多少,lx,？ 照度到,500lx,时的输出电压为多少？,解,分析电路可知，流过稳压二极管的电流满足,2CW12,的稳定工作条件，三极管的基极被稳定在,6V,。,设光照度为,150lx,时的输出电流为,I,1,，与光敏电阻的阻值,R,1,，则,同样,照度为,300,lx,时流过光敏电阻的电流,I,2,与电阻,R,2,为,R,2,=680,由于光敏电阻在,500,到,100lx,间的,值不变，因此该光敏电阻的,值应为,当输出电压为,9V,时，设流过光敏电阻的电流为,I,3,，阻值为,R,3,，则,R,3,=900,代入,值的计算公式便可以计算出输出电压为,9V,时的入射照度,E,3,E,3,=196(lx),由,值的计算公式可以找到,500lx,时的阻值,R,4,及,三极管的输出电流,I,4,为,R,4,=214,I,4,=24.7(mA),而此时的输出电压,U,O,为,U,O,=,U,bb,I,4,R,4,=6.7(V),即，在,500lx,的照度下恒压偏置电路的输出电压为,6.7V,。,2.4,光敏电阻的应用实例,1,照明灯的光电控制电路,如图,2-15,所示为一种最简单的由光敏电阻作光电敏感器件的照明灯光电自动控制电路。,它由,3,部分构成,:,半波整流滤波电路,测光与控制的电路,执行电路,设使照明灯点亮的光照度为,E,V,继电器绕组的直流电阻为,R,J,，使继电器吸合的最小电流为,I,min,，光敏电阻的光电导灵敏度为,S,g,，暗电导,g,o,=0,，则,显然，这种最简单的光电控制电路还有很多缺点，还需要改进。在实际应用中常常要附加其他电路，如楼道照明灯常配加声控开关或微波等接近开关使灯在有人活动时照明灯才被点亮；而路灯光电控制器则要增加防止闪电光辐射或人为的光源（如手电灯光等）对控制电路的干扰措施。,2,火焰探测报警器,图,2-16,所示为采用光敏电阻为探测元件的火焰探测报警器电路图。,PbS,光敏电阻的暗电阻的阻值为,1M,，亮电阻的阻值为,0.2M,(,幅照度,1mw/cm,2,下测试,),，峰值响应波长为,2.2,m,，恰为火焰的峰值辐射光谱。,3,照相机电子快门,图,2-17,所示为利用光敏电阻构成的照相机自动曝光控制电路，也称为照相机电子快门。,电子快门常用于电子程序快门的照相机中，其中测光器件常采用与人眼光谱响应接近的硫化镉,(CdS),光敏电阻。照相机曝光控制电路是由光敏电阻,R,、开关,K,和电容,C,构成的充电电路，时间检出电路,(,电压比较器,),，三极管,T,构成的驱动放大电路，电磁铁,M,带动的开门叶片（执行单元）等组成。,在初始状态，开关,K,处于如图所示的位置，电压比较器的正输入端的电位为,R,1,与,R,W1,分电源电压,U,bb,所得的阈值电压,V,th,（一般为,11.5V,），而电压比较器的负输入端的电位,V,R,近似为电源电位,U,bb,，显然电压比较器负输入端的电位高于正输入端的电位，比较器输出为低电平，三极管截止，电磁铁不吸合，开门叶片闭合。,当按动快门的按钮时，开关,K,与光敏电阻,R,及,R,W2,构成的测光与充电电路接通，这时，电容,C,两端的电压,U,C,为,0,，由于电压比较器的负输入端的电位低于正输入端而使其输出为高电平，使三极管,T,导通，电磁铁将带动快门的叶片打开快门，照相机开始曝光。,快门打开的同时，电源,U,bb,通过电位器,R,W2,与光敏电阻,R,向电容,C,充电，且充电的速度取决于景物的照度，景物照度愈高光敏电阻,R,的阻值愈低，充电速度愈快。,V,R,的变化规律可由电容,C,的充电规律得到,:,V,R,=,U,bb,1,exp(,t,/,),式中,为电路的时间常数,=,（,R,W2,+,R,）,C,光敏电阻的阻值,R,与入射的光照度,E,V,有关,当电容,C,两端的电压,U,C,充电到一定的电位（,V,R,V,th,）时，电压比较器的输出电压将由高变低，三极管,T,截止而使电磁铁断电，快门叶片又重新关闭。,快门的开启时间,t,可由下式推出,t,=,（,R,W2,+,R,）,C ,ln,U,bb,/,V,th,2.1,设某光敏电阻在,100lx,的光照下的阻值为,2k,，且，已知它在,90120lx,范围内的,=0.9,，试求该光敏电阻在,110lx,光照下的阻值？,2.2,已知某光敏电阻在,500lx,的光照下的阻值为,550,，而在,700lx,的光照下的阻值为,450,，,试求该光敏电阻在,550lx,和,600lx,光照下的阻值？,思考题与习题,2),若,R,e,增加到,6k,，输出,电压仍然为,8,伏，问此时的照度为多少？,3),若光敏面上的照度为,70lx,，问,R,e,=3.3k,与,R,e,=6k,时的输出电压各为多少？,4),该电路在输出,8V,时的电压灵敏度为多少？,2.3,在如图所示的电路中，已知,R,b,=820,，,R,e,=3.3k,，,U,W,=4V,，电源电压,12V,， 光敏电阻为,R,P,，当光照度为,40lx,时输出电压为,6V,，,80 lx,时为,9V,。（设该光敏电阻在,30,到,100lx,之间的,值不变）试求：,1),输出电压为,8,伏时的照度为多少？,