1、第四章 光电导探测器光电子技术1.1.定义定义光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应。电导效应。（内光电效应，（内光电效应，photoconductive PCphotoconductive PC）当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导量，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。率增大。电导率的改变通过电量测量来获得。电导率的改变通过电量测量来获得。4-1 4-1 光电导探测器的工作原理光电导探测器的工作原理一、光一、光电导效应电导效应-光电导器件工作的物理基
2、础光电导器件工作的物理基础存在于大多数半导体中，金属中不存在（大量自由电子）存在于大多数半导体中，金属中不存在（大量自由电子）2 2半导体的暗电导率半导体的暗电导率 半导体的电导率定义半导体的电导率定义 暗电导暗电导无光照的电导无光照的电导3 3光辐射改变半导体的电导率光辐射改变半导体的电导率光子光子激发（电激发（电-空对）空对）产生载流子增量产生载流子增量nnPP光生载流子光生载流子光激发光激发 nP gnP g1 1）本征光电导）本征光电导价带价带导带导带电子电子空穴空穴Eg只有光子能量只有光子能量h h 大于材料禁带宽度大于材料禁带宽度E Eg g 的入射光才能的入射光才能激发出电子空穴
3、对，使材料产生光电导效应的现象激发出电子空穴对，使材料产生光电导效应的现象故探测器能吸收光波长为故探测器能吸收光波长为为截止波长为截止波长 2 2）非本征光电导）非本征光电导价带价带导带导带电子电子空穴空穴i施主施主价带价带导带导带电子电子空穴空穴i受主受主杂质型光电导效应：对于型半导体，当入射光子的杂质型光电导效应：对于型半导体，当入射光子的能量等于或大于杂质电离能能量等于或大于杂质电离能i i时，将施主能级上时，将施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外电场的作用的电子激发到导带而成为导电电子，在外电场的作用下，形成光电流。下，形成光电流。本征型用于可见光长波段本征型用于可见光长波段
4、杂质型用于红外波段。杂质型用于红外波段。4 4光电导计算光电导计算AlAl体积体积n n寿命寿命NN每秒产生的电子空穴对数每秒产生的电子空穴对数光电导光电导5 5光电导电流增益（光电导电流增益（G G）定义定义 其中其中长度为长度为L L的光电导体在两端加上电压的光电导体在两端加上电压V V后，由光照产后，由光照产生的载流子在电场作用下在输出回路形成的光电流生的载流子在电场作用下在输出回路形成的光电流与光生载流子在内部形成的初生光电流之比与光生载流子在内部形成的初生光电流之比6.6.光电导弛豫过程光电导弛豫过程光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是
5、要经过一定时间的。同样光照停止后光电流也是逐经过一定时间的。同样光照停止后光电流也是逐渐消失的。这些现象称为渐消失的。这些现象称为弛豫过程弛豫过程或或惰性惰性。对光电导体受矩形脉冲光照时，常有上升时间常对光电导体受矩形脉冲光照时，常有上升时间常数数r r和下降时间常数和下降时间常数f f来描述弛豫过程的长短。来描述弛豫过程的长短。r r表示光生载流子浓度从零增长到稳态值表示光生载流子浓度从零增长到稳态值63%63%时时所需的时间，所需的时间，f f表示从停光前稳态值衰减到表示从停光前稳态值衰减到37%37%时所需的时间。时所需的时间。6.6.光电导弛豫过程光电导弛豫过程弛豫特性限制了器件对调制
6、频率高的光功率的响应弛豫特性限制了器件对调制频率高的光功率的响应 7.7.光电导的光谱分布光电导的光谱分布 利利用用具具有有光光电电导导效效应应的的材材料料（如如硅硅、锗锗等等本本征征半半导导体体与与杂杂质质半半导导体体，硫硫化化镉镉、硒硒化化镉镉、氧氧化化铅铅等等）可可以以制制成成电电导导随随入入射射光光度度量量变变化化器器件件，称称为为光光电电导导器器件件或或光光敏敏电电阻阻。根根据据半半导导体体材材料料的的分分类类，将将光光敏敏电电阻阻分分为为两两种种类类型型本征型半导体光敏电阻和掺杂型半导体光敏电阻。本征型半导体光敏电阻和掺杂型半导体光敏电阻。二、光二、光电导探测器电导探测器1 1、本
7、征型半导体光敏电阻、本征型半导体光敏电阻只有当入射光子的能量只有当入射光子的能量h h 等于或大于半导体材料的禁带宽度等于或大于半导体材料的禁带宽度E Eg g时才能激发时才能激发电子空穴对，在外加的电场作用下形成光电流。这种本征光电导效应可用电子空穴对，在外加的电场作用下形成光电流。这种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。2 2、掺杂型半导体光敏电阻、掺杂型半导体光敏电阻如如n n型半导体，光子的能量只要大于杂质的电离能就能把施主杂质能级上型半导体，光子的能量只要大于杂质的电离能就能把施主杂质能级上的的电子激发到导带而形成导电电子，在外加电场的作用下形成光电
8、流。的的电子激发到导带而形成导电电子，在外加电场的作用下形成光电流。这种效应可以检测波长较长的辐射。主要用于超过这种效应可以检测波长较长的辐射。主要用于超过5 5微米的波段。微米的波段。光敏电阻具有体积小，坚固耐用，价格低廉，光谱响应光敏电阻具有体积小，坚固耐用，价格低廉，光谱响应范围宽等优点。范围宽等优点。三、光三、光电导探测器的工作原理电导探测器的工作原理 下图所示为光敏电阻的原理图与光敏电阻的符号，在下图所示为光敏电阻的原理图与光敏电阻的符号，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。成光敏电阻。光照光照电极电极入射
9、光入射光1.1.光电导探测器的光电流光电导探测器的光电流n n n n型半导体光敏电阻型半导体光敏电阻型半导体光敏电阻型半导体光敏电阻V V V VA A A A为外加偏压为外加偏压为外加偏压为外加偏压,R,R,R,RL L L L为负载电阻为负载电阻为负载电阻为负载电阻设入射的光功率为设入射的光功率为设入射的光功率为设入射的光功率为漂移面电流密度漂移面电流密度漂移面电流密度漂移面电流密度漂移速度漂移速度漂移速度漂移速度 v=v=v=v=n n n nE=E=E=E=n n n nV V V VA A A A/L/L/L/L光电导探测器输出的总光电流光电导探测器输出的总光电流光电导探测器输出的
10、总光电流光电导探测器输出的总光电流光电导探测器在高为光电导探测器在高为光电导探测器在高为光电导探测器在高为dxdxdxdx的长方体微元每秒钟单位体积产生的光的长方体微元每秒钟单位体积产生的光的长方体微元每秒钟单位体积产生的光的长方体微元每秒钟单位体积产生的光生自由电子数生自由电子数生自由电子数生自由电子数产生率产生率产生率产生率n n n n型半导体光敏电阻自由电子的寿命型半导体光敏电阻自由电子的寿命型半导体光敏电阻自由电子的寿命型半导体光敏电阻自由电子的寿命0 0 0 0复合率复合率复合率复合率稳态后稳态后稳态后稳态后,产生率产生率产生率产生率=复合率复合率复合率复合率令有效量子效率令有效量
11、子效率令有效量子效率令有效量子效率光电导探测器内增益光电导探测器内增益等于载流子平均寿命等于载流子平均寿命0与载与载流子在探测器两极间的渡越时间流子在探测器两极间的渡越时间d之比。之比。G=1,G=1,G=1,G=1,0 0 0 0=d d d d,每产生一个光电子对外回路电流正好提每产生一个光电子对外回路电流正好提每产生一个光电子对外回路电流正好提每产生一个光电子对外回路电流正好提供一个电子的电荷量供一个电子的电荷量供一个电子的电荷量供一个电子的电荷量e e e e。G1,G1,G1,G1,0 0 0 01,G1,G1,G1,0 0 0 0d d d d,每产生一个光电子对外回路电流的贡献每
12、产生一个光电子对外回路电流的贡献每产生一个光电子对外回路电流的贡献每产生一个光电子对外回路电流的贡献大于一个电子的电荷量大于一个电子的电荷量大于一个电子的电荷量大于一个电子的电荷量e e e e。光敏电阻两端加电压（直流或交流）。无光照光敏电阻两端加电压（直流或交流）。无光照时，阻值（时，阻值（暗电阻暗电阻）很大，电流（）很大，电流（暗电流暗电流）很）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值（小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值（亮亮电阻电阻）急剧减少。在外场作用下，光生载流子）急剧减少。在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成光电流（沿一定方向运动，形成光电流（亮电流亮电流）。）。2.2.
13、光电导探测器的工作模式及等效电路光电导探测器的工作模式及等效电路光电导：亮电导和暗电导之差；光电导：亮电导和暗电导之差；g g光光=g gL L-g gd d光电流：亮电流和暗电流之差；光电流：亮电流和暗电流之差；I I光光=I=IL L-I-Id d2.1 2.1 基本偏置电路基本偏置电路 设在某照度设在某照度E Ev v下，光敏电阻的阻值为下，光敏电阻的阻值为R Rd d，电导为，电导为g g，流，流过负载电阻过负载电阻R RL L的电流为的电流为I IL L 用微变量表示用微变量表示 而，dRdRd d=d(1/g)=(-1/g=d(1/g)=(-1/g2 2)dg)dg dg=Idg=
14、Ip p/u u0 0 因此 RLRdVA 加在光敏电阻上的电压为加在光敏电阻上的电压为Rd与与RL对电压对电压VA的分压，的分压，即即U0=Rd/(Rd+RL)UA，因此，流过负载电阻的电流微因此，流过负载电阻的电流微变量与光电流的关系为变量与光电流的关系为 Ip pR Rd dR RL L直流微变等效电路直流微变等效电路 du0 0探测器上的偏置电压与探测器上的偏置电压与Rd无关无关U U0 0=V=VA A,基本恒定基本恒定,流过流过R RL L输出的电流信号为输出的电流信号为2.2 2.2 短路电流短路电流I ISCSC 恒压偏置电路恒压偏置电路(R(RL LRRRd d)工作过程中流
15、过探测器的电流基本恒定工作过程中流过探测器的电流基本恒定,I IL L=V=VA A/R/RL L+R+Rd d,输出的电压信号输出的电压信号输出电压输出电压 R Rd d=R=RL L即为负载匹配工作状态的工作条件即为负载匹配工作状态的工作条件 2.4 2.4 负载匹配时探测器输出电压负载匹配时探测器输出电压 4-2 4-2 光电导探测器的性能参数光电导探测器的性能参数G Gn n称为光电导探测器中电子增益系数称为光电导探测器中电子增益系数G Gp p称为光电导探测器中空穴增益系数称为光电导探测器中空穴增益系数长度为长度为L L的光电导体在两端加上电压的光电导体在两端加上电压V V后，由光照
16、产后，由光照产生的载流子在电场作用下在输出回路形成的光电流生的载流子在电场作用下在输出回路形成的光电流与光生载流子在内部形成的初生光电流之比与光生载流子在内部形成的初生光电流之比一、光电导电流增益（一、光电导电流增益（G G）定义定义 在半导体中在半导体中,电子和空穴的寿命是相同的电子和空穴的寿命是相同的总的光电导增益总的光电导增益G G为为令令t tdrdr为载流子渡越极间距离为载流子渡越极间距离L L所需要的有效渡越时间所需要的有效渡越时间增益、带宽矛盾增益、带宽矛盾光敏电阻结构光敏电阻结构一块半导体材料两端加上电极，两端面接上电极引一块半导体材料两端加上电极，两端面接上电极引线，封装在带
17、有窗口的金属或塑料外壳内线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内 光敏电阻的光敏电阻的基本结构基本结构 梳状电极梳状电极 -光敏光敏面做成蛇形（较大面做成蛇形（较大的受光表面，减小的受光表面，减小电极之间的距离电极之间的距离-减小载流子的有减小载流子的有效极间渡越时间，效极间渡越时间，提高灵敏度）提高灵敏度）二、光二、光电导探测器的噪声电导探测器的噪声光敏电阻的主要噪声光敏电阻的主要噪声有热噪声、产生复合有热噪声、产生复合和低频噪声和低频噪声(或称或称1/f1/f噪声噪声)。电流灵敏度电流灵敏度三、响应率三、响应率电压灵敏度电压灵敏度光敏电阻的光电导灵敏度光敏电阻的光电导灵敏度g gp p-光敏电
18、阻的光电导（西门子光敏电阻的光电导（西门子S S，-1-1）E E-照度（勒克斯照度（勒克斯lxlx）SgSg-S/lx S/lx（S.mS.m2 2/W/W）光电特性光电特性图为硫化镉光敏电阻的光电图为硫化镉光敏电阻的光电特性。特性。强光照射时，光电特性为非强光照射时，光电特性为非线性。线性。在实用范围内，有如下关系：在实用范围内，有如下关系：式中式中 I p光电流；光电流；U 加于光敏电阻的电压；加于光敏电阻的电压；E光敏电阻上的照度；光敏电阻上的照度；K 材料决定的比例系数；材料决定的比例系数；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。IpKU a E b弱光时
19、弱光时,b=1,b=1-光电流与光光电流与光照度的线性关系照度的线性关系四、光谱四、光谱特性特性-相对电流灵敏度与波长的关系曲线相对电流灵敏度与波长的关系曲线-灵敏度范围、峰值波长位置、各波长下灵敏度的相对关系灵敏度范围、峰值波长位置、各波长下灵敏度的相对关系整个可见光区域整个可见光区域峰值波长：峰值波长：515515600nm600nm-与人眼有关的仪器与人眼有关的仪器（照相机、照度计、光度计）（照相机、照度计、光度计）五、温度特性五、温度特性光敏电阻的性质受温度的影响较光敏电阻的性质受温度的影响较大，随着温度的升高灵敏度要下大，随着温度的升高灵敏度要下降。图示硫化镉的光电流与温度降。图示硫
20、化镉的光电流与温度的关系。不同的材料其温度特性的关系。不同的材料其温度特性也不一样也不一样温度升高，光敏电阻在黑暗时的温度升高，光敏电阻在黑暗时的电流增大，导致在光照时电流增电流增大，导致在光照时电流增加不多，则加不多，则I I 减小，灵敏度降低减小，灵敏度降低温度还影响光谱特性、峰值响应温度还影响光谱特性、峰值响应波长等等一些因素。波长等等一些因素。六、频率响应及响应时间六、频率响应及响应时间-非平衡载流子的产生与复合有一个时间过程（影响非平衡载流子的产生与复合有一个时间过程（影响光敏电阻对变化光照的响应）光敏电阻对变化光照的响应）-频率响应频率响应R R0 0-器件在零频时的响应度；器件在
21、零频时的响应度；=2=2 f f为信号的调制圆频率；为信号的调制圆频率；f为调制频率；为调制频率；为响应时间为响应时间相对输出随光调制频率的增加而减小相对输出随光调制频率的增加而减小七、前历效应七、前历效应 中态前历效应数值越小越好。中态前历效应数值越小越好。中态前历效应数值越小越好。中态前历效应数值越小越好。前历效应分为短态前历效应和中态前历效应前历效应分为短态前历效应和中态前历效应前历效应分为短态前历效应和中态前历效应前历效应分为短态前历效应和中态前历效应 短态前历效应数值越大短态前历效应数值越大短态前历效应数值越大短态前历效应数值越大,灵敏度越高灵敏度越高灵敏度越高灵敏度越高;通常在黑暗
22、中放置的时通常在黑暗中放置的时通常在黑暗中放置的时通常在黑暗中放置的时间越短间越短间越短间越短,短态前历效应越显著。短态前历效应越显著。短态前历效应越显著。短态前历效应越显著。光敏电阻的使用要点光敏电阻的使用要点 用于模拟量时，只有在弱光照射下光电流与入用于模拟量时，只有在弱光照射下光电流与入射辐射通量成线性关系射辐射通量成线性关系 用于光度量测试仪器时，必须对光谱特性曲线进用于光度量测试仪器时，必须对光谱特性曲线进行修正，保证其与人眼的光谱光视效率曲线相符合行修正，保证其与人眼的光谱光视效率曲线相符合 冷却灵敏面冷却灵敏面-提高长波区灵敏度（光谱特性与温提高长波区灵敏度（光谱特性与温度有关，
23、温度低时，灵敏范围和峰值波长都向长波方度有关，温度低时，灵敏范围和峰值波长都向长波方向移动）向移动）不适于在高温下使用（温度特性复杂）不适于在高温下使用（温度特性复杂）要求带宽要求带宽-牺牲灵敏度（频带宽度比较窄）牺牲灵敏度（频带宽度比较窄）动态设计动态设计 -前历效应前历效应1 1 1 1、HgHgHgHg1-1-1-1-x x x xCdCdCdCdx x x xTeTeTeTe光电导探测器件光电导探测器件光电导探测器件光电导探测器件 HgHgHgHg1-1-1-1-x x x xCdCdCdCdx x x xTeTeTeTe系系系系列列列列光光光光电电电电导导导导探探探探测测测测器器器器
24、件件件件是是是是目目目目前前前前所所所所有有有有红红红红外外外外探探探探测测测测器器器器中中中中性性性性能能能能最最最最优优优优良良良良最最最最有有有有前前前前途途途途的的的的探探探探测测测测器器器器件件件件，尤尤尤尤其其其其是是是是对对对对于于于于4 4 4 4 8m8m8m8m大大大大气气气气窗窗窗窗口口口口波波波波段段段段辐辐辐辐射射射射的的的的探测更为重要。探测更为重要。探测更为重要。探测更为重要。HgHgHgHg1-1-1-1-x x x xCdCdCdCdx x x xTeTeTeTe系列光电导体是由系列光电导体是由系列光电导体是由系列光电导体是由HgTeHgTeHgTeHgTe和
25、和和和CdTeCdTeCdTeCdTe两种材料的晶体混合制两种材料的晶体混合制两种材料的晶体混合制两种材料的晶体混合制造的，其中造的，其中造的，其中造的，其中x x x x标明标明标明标明CdTeCdTeCdTeCdTe元素含量的组分。在制造混合晶体时选用不元素含量的组分。在制造混合晶体时选用不元素含量的组分。在制造混合晶体时选用不元素含量的组分。在制造混合晶体时选用不同同同同CdTeCdTeCdTeCdTe的组分的组分的组分的组分x x x x，可以得到不同的禁带宽度，可以得到不同的禁带宽度，可以得到不同的禁带宽度，可以得到不同的禁带宽度E E E Eg g g g，便可以制造出不同波，便可
26、以制造出不同波，便可以制造出不同波，便可以制造出不同波长响应范围的长响应范围的长响应范围的长响应范围的HgHgHgHg1-1-1-1-x x x xCdCdCdCdx x x xTeTeTeTe探测器件。一般组分探测器件。一般组分探测器件。一般组分探测器件。一般组分x x x x的变化范围为的变化范围为的变化范围为的变化范围为0.180.180.180.18 0.40.40.40.4，长波长的变化范围为，长波长的变化范围为，长波长的变化范围为，长波长的变化范围为1 1 1 1 30m30m30m30m。4-3 4-3 实用光电导探测器实用光电导探测器2 2 2 2、InSbInSbInSbIn
27、Sb光电导探测器光电导探测器光电导探测器光电导探测器 InSbInSbInSbInSb光敏电阻是光敏电阻是光敏电阻是光敏电阻是3 3 3 3 5m5m5m5m光谱范围内的主要探测器件之光谱范围内的主要探测器件之光谱范围内的主要探测器件之光谱范围内的主要探测器件之一。一。一。一。InSbInSbInSbInSb材料不仅适用于制造单元探测器件，也适宜制造材料不仅适用于制造单元探测器件，也适宜制造材料不仅适用于制造单元探测器件，也适宜制造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。阵列红外探测器件。阵列红外探测器件。阵列红外探测器件。InSbInSbInSbInSb光敏电阻在室温下的
28、长波长可达光敏电阻在室温下的长波长可达光敏电阻在室温下的长波长可达光敏电阻在室温下的长波长可达7.5m7.5m7.5m7.5m，峰值波，峰值波，峰值波，峰值波长在长在长在长在6m6m6m6m附近，比探测率附近，比探测率附近，比探测率附近，比探测率D*D*约为约为约为约为11011011011011111111cmHzWcmHzWcmHzWcmHzW-1-1-1-1。当。当。当。当温度降低到温度降低到温度降低到温度降低到77K77K77K77K（液氮）时，其长波长由（液氮）时，其长波长由（液氮）时，其长波长由（液氮）时，其长波长由7.5m7.5m7.5m7.5m缩短到缩短到缩短到缩短到5.5m5
29、5m5.5m5.5m，峰值波长也将移至，峰值波长也将移至，峰值波长也将移至，峰值波长也将移至5m5m5m5m，恰为大气的窗口范围，恰为大气的窗口范围，恰为大气的窗口范围，恰为大气的窗口范围，峰值比探测率峰值比探测率峰值比探测率峰值比探测率D*D*升高到升高到升高到升高到21021021021011111111cmHzWcmHzWcmHzWcmHzW-1-1-1-1。3 3、CdSCdS光敏电阻光敏电阻 CdSCdSCdSCdS光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应特光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应特光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应特光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应特
30、性最接近人眼光谱光视效率，它在可见光波段范围内的性最接近人眼光谱光视效率，它在可见光波段范围内的性最接近人眼光谱光视效率，它在可见光波段范围内的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，灵敏度最高，因此，被广泛地应用于灯光的自动控制，灵敏度最高，因此，被广泛地应用于灯光的自动控制，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。照相机的自动测光等。照相机的自动测光等。照相机的自动测光等。CdSCdSCdSCdS光敏电阻的峰值响应波长为光敏电阻的峰值响应波长为光敏电阻的峰值响应波长为光敏电阻的峰值响应波长为0.52m0.5
31、2m0.52m0.52m，CdSeCdSeCdSeCdSe光敏光敏光敏光敏电阻为电阻为电阻为电阻为0.72m0.72m0.72m0.72m，一般调整，一般调整，一般调整，一般调整S S S S和和和和SeSeSeSe的比例，可使的比例，可使的比例，可使的比例，可使CdCdCdCd（S S S S，SeSeSeSe）光敏电阻的峰值响应波长大致控制在）光敏电阻的峰值响应波长大致控制在）光敏电阻的峰值响应波长大致控制在）光敏电阻的峰值响应波长大致控制在0.520.520.520.52 0.72m0.72m0.72m0.72m范围内。范围内。范围内。范围内。4 4、PbSPbS光敏电阻光敏电阻 PbS
32、PbSPbSPbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件。光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件。光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件。光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件。PbSPbSPbSPbS光敏电阻在光敏电阻在光敏电阻在光敏电阻在2m2m2m2m附近的红外辐射的探测灵敏度很附近的红外辐射的探测灵敏度很附近的红外辐射的探测灵敏度很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。高，因此，常用于火灾的探测等领域。高，因此，常用于火灾的探测等领域。高，因此，常用于火灾的探测等领域。PbSPbSPbSPbS光敏电阻的光谱响应和比探测率等特性与工作温度有关，光敏电阻的光谱响应和
33、比探测率等特性与工作温度有关，光敏电阻的光谱响应和比探测率等特性与工作温度有关，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，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，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，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，且比探测率且比探测率且比探测率且比探测率D*D*增加。例如，室温下的增加。例如，室温下的增加。例如，室温下的增加。例如，室温下的PbSPbSPbSPbS光敏电阻的光谱响应范围光敏电阻的光谱响应范围光敏电阻的光谱响应范围光敏电阻的光谱响应范
34、围为为为为1 1 1 1 3.5m3.5m3.5m3.5m，峰值波长为，峰值波长为，峰值波长为，峰值波长为2.4m2.4m2.4m2.4m，峰值比探测率，峰值比探测率，峰值比探测率，峰值比探测率D*D*D*D*高达高达高达高达11011011011011111111cmHzWcmHzWcmHzWcmHzW-1-1-1-1。当温度降低到（。当温度降低到（。当温度降低到（。当温度降低到（195K195K195K195K）时，光谱响应范围为）时，光谱响应范围为）时，光谱响应范围为）时，光谱响应范围为1 1 1 1 4m4m4m4m，峰值响应波长移到，峰值响应波长移到，峰值响应波长移到，峰值响应波长移
35、到2.8m2.8m2.8m2.8m，峰值波长的比探测率，峰值波长的比探测率，峰值波长的比探测率，峰值波长的比探测率D*D*也增也增也增也增高到高到高到高到21021021021011111111cmHzWcmHzWcmHzWcmHzW-1-1-1-1。随输入光通量随输入光通量的变化，负载电流的变化的变化，负载电流的变化 I变为变为-根据负载电阻根据负载电阻R RL L和光敏电阻和光敏电阻R R的大小关系，可确定的大小关系，可确定电路的三种工作状态电路的三种工作状态 a)a)恒流偏置恒流偏置 负载电阻负载电阻R RL L-输入电路中的负载电阻比光敏电阻大得多输入电路中的负载电阻比光敏电阻大得多(
36、即即RLR)时时 负载电流与光敏电阻值无关，并且近似保持常数负载电流与光敏电阻值无关，并且近似保持常数-输出信号电流取决于光敏电阻和负载电阻的比值，与偏置电压成正比输出信号电流取决于光敏电阻和负载电阻的比值，与偏置电压成正比-恒流偏置电路恒流偏置电路 电压信噪比较高电压信噪比较高-适用于高灵敏度测量适用于高灵敏度测量RL很大很大-为使光敏电阻正常工作所需的偏置电压很高（有时达为使光敏电阻正常工作所需的偏置电压很高（有时达100V以上）以上）采用晶体管作恒流器件来代替采用晶体管作恒流器件来代替RL-降低电源电压）降低电源电压）4-44-4 光敏电阻的变换电路 恒流电路恒流电路(R(RL LR)R
37、)通常，当通常，当通常，当通常，当R R R RL L L L R R R R时，流过光敏电阻的电流基本不变，时，流过光敏电阻的电流基本不变，时，流过光敏电阻的电流基本不变，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。可引入如图所示的晶体此时的偏置电路称为恒流电路。可引入如图所示的晶体此时的偏置电路称为恒流电路。可引入如图所示的晶体此时的偏置电路称为恒流电路。可引入如图所示的晶体管恒流偏置电路。管恒流偏置电路。管恒流偏置电路。管恒流偏置电路。稳压管稳压管稳压管稳压管D D D DW W W W将晶体三极管的基将晶体三极管的基将晶体三极管的基将晶体三极管的基极电压稳定，即极电压稳
38、定，即极电压稳定，即极电压稳定，即U U U UB B B B=U U U UW W W W，流过晶，流过晶，流过晶，流过晶体三极管发射极的电流体三极管发射极的电流体三极管发射极的电流体三极管发射极的电流I I I Ie e e e 为为为为 在晶体管恒流偏置电路中输出电压在晶体管恒流偏置电路中输出电压在晶体管恒流偏置电路中输出电压在晶体管恒流偏置电路中输出电压U U U Uo o o o为为为为 求微分得求微分得求微分得求微分得 将将将将 代入上式得代入上式得代入上式得代入上式得 或或或或 显然，恒流偏置电路中光敏电阻的电压灵敏度显然，恒流偏置电路中光敏电阻的电压灵敏度显然，恒流偏置电路中光
39、敏电阻的电压灵敏度显然，恒流偏置电路中光敏电阻的电压灵敏度S S S SV V V V为为为为 b)b)恒压偏置恒压偏置 光敏电阻在较高的频率下工作时，除选用高频响应较光敏电阻在较高的频率下工作时，除选用高频响应较好的光敏电阻外，负载电阻好的光敏电阻外，负载电阻R RL L必须取较小的数值，否必须取较小的数值，否则时间常数较大，对高频响应不利则时间常数较大，对高频响应不利 在较高频率下工作时在较高频率下工作时-电路往往处于失配状态电路往往处于失配状态光敏电阻上的电压近似与电源电压相等光敏电阻上的电压近似与电源电压相等-恒压偏置恒压偏置（光敏电阻上的电压保持不变的偏置）（光敏电阻上的电压保持不变
40、的偏置）信号电压变为信号电压变为-光敏电阻的电导变化量（引起信号输出的原因）光敏电阻的电导变化量（引起信号输出的原因）当负载电阻当负载电阻R RL L比光敏电阻比光敏电阻R R小得多小得多(即即R RL LR R)时，负载时，负载电阻两端的电压为电阻两端的电压为-恒压偏置的输出电压信号与光敏电阻阻值无关，仅取决于电导的相对变化恒压偏置的输出电压信号与光敏电阻阻值无关，仅取决于电导的相对变化 优优点点-检测电路在更换光敏阻值时对电路初始状态影响不大检测电路在更换光敏阻值时对电路初始状态影响不大 恒压电路恒压电路(R(RL LR)AB U U Ub -光敏电阻的损耗光敏电阻的损耗，（靠近但不能超过
41、允许功率曲（靠近但不能超过允许功率曲线线Pmax），否则光敏电阻将损），否则光敏电阻将损坏或性能下降。坏或性能下降。Pmax-光敏电阻的允许最大耗光敏电阻的允许最大耗散功率（产品目录中给出）散功率（产品目录中给出）为了得到大的电流变化（为了得到大的电流变化（R RL L=0=0时）时）R R-光通量最大时的光敏电阻值光通量最大时的光敏电阻值 电源电压电源电压U Ub b也受也受P Pmaxmax限制限制 为了电源设备简单，电路可以公用一个电源为了电源设备简单，电路可以公用一个电源U Ub b 信噪比信噪比信噪比信噪比S/NS/NS/NS/N当系统噪声以放大器的热噪声为主时当系统噪声以放大器的热
42、噪声为主时,与偏置与偏置方式无关方式无关(即与即与R RL L的取值无关的取值无关)当系统噪声以探测器的热噪声为主时当系统噪声以探测器的热噪声为主时 恒流偏置恒流偏置S/NS/N匹配偏置匹配偏置S/NS/N恒压偏置恒压偏置S/NS/N小结没有特殊要求的情况下没有特殊要求的情况下,通常采用负载匹配偏置通常采用负载匹配偏置,R,RL L=Rs=Rs根据根据U Ub b=I=IL L(R(RL L+Rs),+Rs),计算出计算出U Ub b,但但 ,否则需重否则需重新设计选定新设计选定 在实际使用时，常常将光敏电阻的光电特性曲线改用如下图所在实际使用时，常常将光敏电阻的光电特性曲线改用如下图所示的特
43、性曲线。图中所示为两种坐标框架的特性曲线，其中示的特性曲线。图中所示为两种坐标框架的特性曲线，其中(a)(a)为为线性线性直角坐标系中光敏电阻的阻值直角坐标系中光敏电阻的阻值R R与入射照度与入射照度E EV V的关系曲线，而的关系曲线，而(b)(b)为为对数对数直角坐标系下的阻值直角坐标系下的阻值R R与入射照度与入射照度E EV V的关系曲线。的关系曲线。如图所示的对数坐标系中光敏电阻的阻值如图所示的对数坐标系中光敏电阻的阻值R R在某段照在某段照度度E EV V范围内的光电特性表现为线性，即光电转换因子范围内的光电特性表现为线性，即光电转换因子保保持不变持不变。值为对数坐标下特性曲线的斜
44、率。即值为对数坐标下特性曲线的斜率。即 R R1 1与与R R2 2分别是照度为分别是照度为E E1 1和和E E2 2时光敏电阻的阻值。时光敏电阻的阻值。例题例题 在如图所示的恒流偏置电路中，已知电源电压为在如图所示的恒流偏置电路中，已知电源电压为12V12V，R Rb b为为820820，R Re e为为3.3k3.3k，稳压二极管的输出电压为，稳压二极管的输出电压为4 V4 V，光，光照度为照度为40lx40lx时输出电压为时输出电压为6V6V，80lx80lx时为时为8V8V。（设光敏电阻。（设光敏电阻在在3030到到100lx100lx之间的之间的 值不变）值不变）试试求求（1 1）
45、输输出出电电压压为为7 7伏伏的的照照度度为为多多少勒克司？少勒克司？（2 2）输出电压为）输出电压为7 7伏时该电路的电压伏时该电路的电压灵敏度（灵敏度（V/lV/lx x)。解解 根据已知条件，流过稳压管根据已知条件，流过稳压管D DW W的电流的电流满足稳压二极管的工作条件满足稳压二极管的工作条件（1 1）根据题目给的条件，可得到不同光照下光敏电阻）根据题目给的条件，可得到不同光照下光敏电阻的阻值的阻值 将将R Rp1p1与与R Rp2p2值代入值代入值计算公式值计算公式,得到光照度在得到光照度在404080lx80lx之间的之间的值值 输出为输出为7V7V时光敏电阻的阻值应为时光敏电阻
46、的阻值应为 此时的光照度可由此时的光照度可由值计算公式获得值计算公式获得 E3=54.45（lx）（2 2）电路的电压灵敏度）电路的电压灵敏度S SV V 在在如如图图所所示示的的恒恒压压偏偏置置电电路路中中，已已知知D DW W为为2CW122CW12型型稳稳压压二二极极管管，其其稳稳定定电电压压值值为为6V6V，设设R Rb b=1k=1k，R RC C=510,=510,电电源源电电压压U Ubbbb=12V=12V，当当CdSCdS光光敏敏电电阻阻光光敏敏面面上上的的照照度度为为150lx150lx时时恒恒压压偏偏置置电电路路的的输输出出电电压压为为10V,10V,照照度度为为450l
47、x450lx时时输输出出电电压压为为8V,8V,试试计计算算输输出出电电压压为为9V9V时时的的照照度度（设设光光敏敏电电阻阻在在100100500lx500lx间间的的值值不不变变）为为多多少少lxlx？照照度度到到500lx500lx时的输出电流为多少？时的输出电流为多少？解解 分析电路可知，流过稳压二极分析电路可知，流过稳压二极管的电流满足管的电流满足2CW122CW12的稳定工作条的稳定工作条件，三极管的基极被稳定在件，三极管的基极被稳定在6V6V。设光照度为设光照度为150lx150lx时的输出电时的输出电流为流为I I1 1，光敏电阻的阻值为，光敏电阻的阻值为R R1 1，则，则同
48、样同样,照度为照度为450lx450lx时流过光敏电阻的电流时流过光敏电阻的电流I I2 2与电阻与电阻R R2 2为为R2=680 由于光敏电阻在由于光敏电阻在100100到到500lx500lx间的间的值不变，因此该光值不变，因此该光敏电阻的敏电阻的值应为值应为 当输出电压为当输出电压为9V9V时，设流过光敏电阻的电流为时，设流过光敏电阻的电流为I I3 3，阻值，阻值为为R R3 3，则，则 R3=900 代入代入值的计算公式便可以计算出输出电压为值的计算公式便可以计算出输出电压为9V9V时的时的入射照度入射照度E E3 3E3=196(lx)由由值的计算公式可以找到值的计算公式可以找到
49、500lx500lx时的阻值时的阻值R R4 4及及三极管的输出电流三极管的输出电流I I4 4为为 R4=214 I4=24.7(mA)设某只设某只CdSCdS光敏电阻的最大功耗为光敏电阻的最大功耗为40mW,40mW,光电光电导灵敏度导灵敏度Sg=0.510Sg=0.510-6-6s/lxs/lx，暗电导暗电导g g0 0=0,=0,试求试求当当CdSCdS光敏电阻上的偏置电压为光敏电阻上的偏置电压为20V20V时的极限时的极限照度。照度。设某光敏电阻在设某光敏电阻在100lx100lx的光照下的阻值为的光照下的阻值为2 2K K且已知它在且已知它在9090120lx120lx范围内的范围
50、内的=0.9=0.9。试求。试求该光敏电阻在该光敏电阻在110lx110lx光照下的阻值光照下的阻值已知某光敏电阻在已知某光敏电阻在500lx500lx的光照下的阻值为的光照下的阻值为550550，而在，而在700lx700lx的光照下的阻值为的光照下的阻值为450450。试求该光敏电阻在试求该光敏电阻在550lx550lx和和600lx600lx光照下的阻光照下的阻值值光敏电阻的符号和连接电路如图光敏电阻的符号和连接电路如图图图(a)(a)中的输出电压与入射光通中的输出电压与入射光通量的变化反相；而图量的变化反相；而图(b)(b)中的输中的输出电压于入射光通量成同相。出电压于入射光通量成同相
