3.3 光电导器件（光敏电阻）

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3.3 光电导器件（光敏电阻）3.3.1 光敏电阻的原理与结构3.3.2 光敏电阻的类型3.3.3 光敏电阻基本特性3.3.4 典型应用

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某些物质吸收了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、氧化铅等）可以制成电导随入射光度量变化器件，称为光电导器件或光敏电阻。

3.3 光电导器件（光敏电阻）

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光敏电阻

3.3 光电导器件（光敏电阻）

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1 光敏电阻的基本原理

当光敏电阻的两端加上适当的偏置电压 Ubb 后，便有电流 Ip 流过。

在均匀的具有光电导效应的半导体材料的两端加上电极便构成光敏电阻。

3.3.1 光敏电阻的原理与结构

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信号电压由下式表示：

3.3.1 光敏电阻的原理与结构

Ri

RRdIsV f10

式中 Is ：信号电流

光敏电阻工作电路图

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当负载电阻 (RL) 与暗电阻 (Rd) 相同时，可获得最大的信号输出。

3.3.1 光敏电阻的原理与结构

信号输出与 RL/Rd 的关系曲线

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2 光敏电阻的基本结构 光敏电阻在微弱辐射作用下光电导灵敏度与光敏电阻两电极间距离 l 的平方成反比；在强辐射作用下光电导灵敏度与光敏电阻两电极间距离 l 的二分之三次方成反比。

为提高光电导灵敏度，要尽可能地缩短两电极间的距离 l 。根据这一设计原则可以设计出 3 种基本结构。

3.3.1 光敏电阻的原理与结构

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按照工作机理分类，光电导探测器 ( 光敏电阻 )可以分为本征型和杂质形 ( 非本征型 ) 两大类。

本征型：硫化镉 (CdS) 、锑化铟 (InSb) 、和硫化铅 (PbS) 、碲镉汞 (Hg1-xCdxTe) 光敏电阻等

3.3.2 光敏电阻的类型

杂质型：锗掺汞 (Ge ： Hg) 、锗掺铜 (Ge ：Cu) 、锗掺鋅 (Ge ： Zn) 、和硅掺鉮 (Si ：As) 等

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(1) PbS/PbSe 光敏电阻

室温下的 PbS 光敏电阻的光谱响应范围为1~3.2 μm ， PbSe 为 (1.5 ～ 5.2)μm 。当温度降低到（ 195K ）时，光谱响应范围为 1~4μm ，峰值响应波长移到 2.8μm ， D* 也增高到2×1011cm·Hz·W-1 。

PbS/PbSe 光电导器件是利用入射红外线和减小阻抗产生光电导效应得到应用的红外线探测器件。在一定的波长范围内与其他光电导器件相比，探测效率高。

3.3.2 光敏电阻的类型

PbS 在辐射温度计和火焰监测器， PbSe 在分析设备、辐射温度计和精密光度学都得到广泛应用。

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(2) CdS

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。

通常， CdS 光敏电阻的峰值响应波长为0.52μm 。

3.3.2 光敏电阻的类型

一般在 CdS 中掺入少量杂质铜 (Cu) 和氯 (Cl) ，可使 CdS 光敏电阻的光谱响应向红外光谱段延长，峰值波长也相应延长。

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(3) InSb( 锑化銦 ) 光敏电阻

InSb 光敏电阻在室温下的长波长可达 7.5μm ，峰值波长在 6μm 附近， D* 约为 1×1011cm·Hz·W-1 。当温度降低到 77K （液氮）时，其长波长由 7.5μm

缩短到 5.5μm ，峰值波长也将移至 5μm ， D* 升高到 2×1011cm·Hz·W-1 。

InSb 光敏电阻是 3~5μm 光谱范围内的主要探测器件之一。

3.3.2 光敏电阻的类型

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(4) Hg1-xCdxTe( 鍗镉汞 ) 系列光电导探测器件

Hg1-xCdxTe 系列光电导体是由 HgTe 和 CdTe

两种材料的晶体混合制造的，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 ，可以得到不同的禁带宽度 Eg ，便可以制造出不同波长响应范围的 Hg1-xCdxTe 探测器件。

Hg1-xCdxTe 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。

3.3.2 光敏电阻的类型

一般，其光谱响应范围从 2μm ～ 22μm 。

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带隙能量 Eg 随组成比例和器件的温度变化而变化。

3.3.2 光敏电阻的类型

带隙能量 Eg 和截止波长有如下关系： m

EgC 24.1

eVXXT

xXEg34 327.008.2110

23.525.059.1

X ：表示 Hg1-xCdXTe 的组成比T：绝对温度 组成比 X (Hg1-xCdXTe)

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1 光电特性

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。

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 。

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。

3.3.3 光敏电阻基本特性

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光照特性曲线反应了流过光敏电阻的电流 Ip

与入射光照度 E 间的变化关系，由图可见它是由直线性渐变到非线性的。

3.3.3 光敏电阻基本特性

在恒定电压的作用下，流过光敏电阻的光电流 Ip 为

UESI gp

Sg 为光电导灵敏度， E 为光敏电阻的照度。

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光敏电阻的光电特性可用一个随光度量变化的指数因子 γ来描述，并定义 γ 为光电转换因子。 同时加入电压指数 a ，它与器件两端所加电压有关，在工作电压 (几伏到几十伏 ) 范围内，约为 1 。 则光电流表达式改为 :

EUSI agp

在弱辐射作用的情况下， γ=1 ；随着入射辐射的增强， γ 值减小；当入射辐射很强时， γ 值降低到 0.5 。

3.3.3 光敏电阻基本特性

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在实际使用时，常常将光敏电阻的光电特性曲线改成如图所示的特性曲线。 在对数坐标系中光敏电阻的阻值 R在某段照度 EV 范围内的光电特性表现为线性， γ 值为对数坐标下特性曲线的斜率。即

12

21

loglog

loglog

EE

RR

R1 与 R2 分别是照度为 E1 和 E2 时光敏电阻的阻值。

3.3.3 光敏电阻基本特性

线性直角坐标系

对数直角坐标系

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当光敏电阻受到光照度增大时，光生电子－空穴对增加，阻值减小，电流增大。

暗电流（越小越好）

光敏电阻演示

3.3.3 光敏电阻基本特性

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2 伏安特性 光敏电阻的本质是电阻，符合欧姆定律。因此，它具有与普通电阻相似的伏安特性，但是它的电阻值是随入射光度量而变化的。

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 的关系曲线，并称其为光敏电阻的伏安特性

3.3.3 光敏电阻基本特性

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等效电路

A Lu V iR 光敏电阻两端的电压：

上式分析省掉了极间电容 Cd, 所以上述分析中只适用于低频情况，当入射光的功率变化频率较高时候，电容 Cd不能省。

当光照变化时候， Rd 变为 Rd+ΔRd, 则电流 i变化为 i+Δi ：

3.3.3 光敏电阻基本特性

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3 时间响应和频率特性 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 Δσ 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。

3.3.3 光敏电阻基本特性

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光敏电阻在弱辐射作用下的时间响应

光敏电阻在强辐射作用下的时间响应

3.3.3 光敏电阻基本特性

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3.3.3 光敏电阻基本特性

PbS 光敏电阻的频率特性曲线

频率 (Hz)

几种光敏电阻的频率特性曲线

频率 (Hz)

1 － Se ； 2 － CdS ； 3 －硫化铊； 4 － PbS

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4 光谱响应

光敏电阻的光谱响应主要由光敏材料禁带宽度、材料掺杂比与掺杂浓度等因素有关。

3.3.3 光敏电阻基本特性

光敏电阻是选择性光电效应，对于不同波长有不同的灵敏度。

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5 温度特性 光敏电阻对温度比较敏感。隨着温度的变化，会引起灵敏度、暗阻抗、上升时间的变化。

3.3.3 光敏电阻基本特性

因此采取适当的温度补偿是必须的，同时也可以采用致冷的方法。

波长 (μm)

PbSe 光敏电阻在不同温度下的光谱特性

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3.3.3 光敏电阻基本特性

温 度 ℃

PbSe 暗阻抗、上升时间与温度关系曲线

温 度 ℃

PbS 暗阻抗上升时间与温度关系曲线

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典型的用途有：幻灯机自动聚焦、比色测试设备、比重计、电子秤 (双光敏电阻 ) 、自动后视镜。或用于前灯自动减光器、夜灯控制、燃油灯控制、街灯控制、无光 / 有光检测 ( 光束断路器 ) 。

3.3.4 典型应用

1 照相机电子快门控制电路 如图，光敏电阻采用与人眼视觉函数相接近的CdS 光敏电阻。曝光电路是由 RC充电电路、时间检测电路及驱动电路组成。图中 S 为快门按钮，M 为快门电磁铁， RW1 和 RW2 分别调节快门速度可变电位器和高照度时调节快门速度的可调电位器。

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3.3.4 典型应用

电子快门工作时，其曝光时间由 RC充电电路的时常数决定，且与光敏电阻 CdS 的阻值 Rd 有关，而 Rd 又与景物光强有关，这样在不同景物光强情况下，通过 CdS 光敏电阻控制快门打开速度达到控制曝光时间的目的。

照相机自动曝光控制电路图

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3.3.4 典型应用

2 照明灯自动控制电路

采用 CdS 光敏电阻作为光的传感器件。当室内外自然光较暗时， CdS 光敏电阻的阻值很大，继电器 K绕组电流变得很小，继电器不能工作，继电器常闭点闭合，使照明灯点亮；当自然光增强到一定亮度时 ( 照度 ) ，当光敏电阻的阻值减小到一定值时，就有一定的电流流过继电器，使继电器工作，常闭点断开，灯熄灭。

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3.3.4 典型应用

3 火焰探测报警器 如图所示是采用 PbS 光敏电阻为探测元件的火焰探测报警器电路图。 PbS 光敏电阻暗电阻为 1MΩ ，亮电阻的阻值为 0.2 MΩ( 辐射照度 1mW/cm2 下测试的 ) ，其峰值波长为 2.2μm ，恰为火焰的峰值辐射光谱。

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3.3.4 典型应用

由 VT1 、电阻 R1 、 R2 和稳压管 VDW 构成对光敏电阻 R3 的恒压偏置电路。恒压偏置电路具有更换光敏电阻方便的特点，只要保证光导灵敏度 Sg不变，输出电路的电压就不会因更换光敏电阻的阻值而改变，从而使前置放大器输出信号稳定。 当被测物体高于燃点或点燃发生火灾时，物体将发出接近于 2.2μm 的辐射，该辐射光被 PbS 光敏电阻R3 接收，使前置放大器的输出跟随火焰跳变的信号，并经电容 C2耦合，发送给由 VT2 、 VT3组成的高输入阻抗放大器放大。火焰跳变的信号被放大后发送给中心站放大器，并由中心站发出火灾警报信号或执行灭火动作。