【文章內容簡介】 光敏電阻結構及符號 (6) 光敏電阻的工作原理光敏電阻工作原理圖及其符號 : 光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時兩電極可加直流電壓，也可加交流電壓。當光 電導 體上加上 電 壓 ，無光照 時 ，其相 應 的暗 電導 率 為光照 穩(wěn) 定情況下的 電導 率 為:遷移比光電導率])0()0[( pppnnnq mD++mD+=s實際光敏電阻光敏電阻光照特性 :? 無光照時， 內部電子被原子束縛，具有很高的電阻值；? 有光照時， 電阻值隨光強增加而降低；? 光照停止時， 自由電子與空穴復合，電阻恢復原值。光敏電阻主要參數(shù) :? 暗電阻 —— 無光照時的電阻；? 暗電流 —— 無光照時的電流；? 亮電阻、亮電流 —— 受光照時的阻值、電流；? 光電流 —— 亮電流與暗電流之差稱光電 流 。(7) 光敏電阻的主要特性① 光電導靈敏度 Sg Gp： 光電導，單位為西門子 S（ Ω 1）。E： 照度，單位為勒克斯（ lx）。Sg ： 單位為西門子 /勒克斯（ S/lx）或 Sm2/W。gP 稱為光敏電阻的光電導② 光電導增益③ 量子效率 光電導器件的量子效率 η ， 表示輸出的光電流與入射光子流之比。 假設入射的單色輻射功率 Ф(λ) 能產生 N 個光電子，則量子效率 無量綱它表示單位時間內每入射一個光子所能引起的載流子數(shù) ④ 光 譜 響 應 率與光 譜 響 應 曲 線 輸出光電流 光 譜 響 應 率 (5) 響 應時間 和 頻 率特性 ⑥ 光電特性和 γ值 式中 , Sg 是光電導靈敏度，它與光敏電阻材料有關； U 為外加電源電壓； Ф 為入射光通量； E 為入射光照度； γ 為照度指數(shù)。 在弱光照時， γ 值為 1，稱線性光電導；在強光照時， γ 值為 ，則為非線性光電導；一般情況下 γ 值在 ～ l之間。 實驗證明：當所加電壓一定時，光電流和照度關系曲線 或 前歷效應是指光敏電阻的響應特性與工作前的 “歷史 ”有關的一種現(xiàn)象。前歷效應有暗態(tài)前歷效應與亮態(tài)前歷效應之分。 光敏電阻的暗態(tài)前歷效應⑦ 前歷效應光敏電阻的亮態(tài)前歷效應⑧ 溫度特性 光敏電阻的溫度特性很復雜，在一定的照度下，亮電阻的溫度系數(shù) α有正有負R R2分別為與溫度 T T2 相對應的亮電阻。特點：(1)產生光電變換的部位不同。光敏電阻不管那一部份受光，　　 受光部份的電導率就增大；(2)光敏電阻沒有極性，工作時可任意外加電壓。(3)光敏電阻的光電導效應主要依賴于非平衡載流子的產生與　　 復合運動，時間常數(shù)較大，頻率響應較差；(7)光敏電阻的特點和應用光敏電阻在使用時的注意事項 ： (7)光敏電阻的特點和應用① 當用于模擬量測量時，因光照指數(shù) γ與光照強弱有　　 關，只有在弱光照下光電流與入射光通量成線性關系；② 用于光度量測試儀器時，必須對光譜特性曲線進行修　　 正，保證其與人眼的光譜光視效率曲線符合； ③ 光敏電阻的光譜特性與溫度有關 ，溫度低時，靈敏范圍 和峰值波長都向長波方向移動，可采取冷卻靈敏面的辦 法來提高光敏電阻在長波區(qū)的靈敏度。 ④ 光敏電阻的溫度特性很復雜，電阻溫度系數(shù)有正有負。⑤ 光敏電阻頻帶寬度都比較窄，在室溫下只有少數(shù)品種能 超過 1000 Hz。 ⑥ 設計負載電阻時，應考慮到光敏電阻的額定功耗，負載電 阻值不能很小。 ⑦ 進行動態(tài)設計時，應意識到光敏電阻的前歷效應。 (ⅰ ) 對紫外光靈敏的光敏電阻，如硫化鎘 (CdS)和硒化鎘 (CdSe)等；(ⅱ ) 對可見光靈敏的光敏電阻，如硫化鉈 (TiS)， 硫化鎘 (CdS)和硒化鎘 (CdSe)等；(ⅲ ) 對紅外光靈敏的光敏電阻如硫化鉛 (PbS)、 碲化鉛 (PbTe)、 硒化鉛 (PbSe)和碲化銦 (InSb)， 碲鎘汞 (Hg1 xCdxTe)， 碲錫鉛 (Pb1xSnxTe)和鍺摻雜等。幾種常用的光敏電阻 : 具有光電導性能的半導體材料很多，但能夠滿足光敏電阻的各項要求而又能實際應用的卻不多。 光敏電阻若按照它的光譜特性及最佳工作波長范圍，基本上可分為三類：第第 3 章章 半導體光電檢測器件及應用半導體光電檢測器件及應用 真空光電器件真空光電器件 光電陰極光電陰極 、 光電管、光電管、 光電倍增管光電倍增管 （（ 1）光電倍增管的結構）光電倍增管的結構 （（ 2）光電倍增管的工作原理）光電倍增管的工作原理 （（ 3）光電倍增管的特性參數(shù)）光電倍增管的特性參數(shù) （（ 4）光電倍增管的供電電路）光電倍增管的供電電路 （（ 5）光電倍增管的輸出電路）光電倍增管的輸出電路　　　　微通道板光電倍增管　　　　　微通道板光電倍增管　 光電導器件光電導器件 光敏電光敏電 阻、阻、 結型光電器件結型光電器件 光電光電 池、光敏二極管池、光敏二極管 、三極管、三極管 、 光電耦合器光電耦合器 件、件、 光電位置敏感器件光電位置敏感器件 電荷耦合器件、電荷耦合器件、 　　 光光 熱輻射檢測器件熱輻射檢測器件 　　 結型光電器件結型光電器件 半導體結型光電器件是利用光生伏特效應來工作的光電探測器件。 結型光電器件包括 光電池、光電二極管、光電三極管、 PIN光電二極管、雪崩光電二極管、光可控硅、象限式光電器件、位置敏感探測器（ PSD）、光電耦合器件 等。 按結的種類不同，可分為 PN結型 ， PIN結型和 肖特基結型 等。一種簡單的金屬與半導體的交界面，它與 PN結相似，具有非線性阻抗特性 (整流特性 )。 1938年德國的 . 肖特基提出理論模型，對此特性作了科學的解釋，故后來把這種金屬與半導體的交界面稱為肖特基結或肖特基勢壘。 1 PN結型光電器件工作原理(1) 無光照時的 pn結 在熱平衡條件下， PN結中凈電流為零。如果有外加電壓時結內平衡被破壞，這時流過 PN結的電流方程為(2) 光照下的 pn 結① PN結光伏效應 PN結受光照射時，就會在 結區(qū)產生電子 空穴對 。受內建電場的作用，空穴順著電場運動，電子逆電場運動，最后在結區(qū)兩邊產生一個與內建電場 方向相反的光生電動勢，這就是光生伏特效應。 如果用一個理想電流表接通 PN結，則有由 N區(qū)流向 P區(qū)的電流 Ip通過，稱為短路光電流。 有光照時，若 pn結外電路接上負載電阻 ，如下圖所示，此時 pn結內出現(xiàn)兩種方向相反的電流：一種是光激發(fā)產生的電子 — 空穴對，在內建電場作用下，形成的光生電流 ，它與光照有關，其方向與 pn結反向飽和電流 相同；另一種是光生電流 流過負載 產生電壓降，相當于在 pn結施加正向偏置電壓，從而產生正向電流 。流過 pn結的總電流是兩者之差 ：注：以 pn結的正向電流 的方向為正方向。u有光照無偏壓流過 PN結的電流方程：② 光照下 PN結的電流方程當負載電阻 RL斷開 (IL＝ 0)時， p端對 n端的電壓稱為開路電壓，用 Voc表示： SE 為光電靈敏度IpI0當負載電阻短路 (即 RL=0)時，光生電壓接近于零，流過器件的電流叫短路電流，用 Is c 表示根據光照 PN結時流過 pn結的電流，可畫出在不同照度下 PN結光電器件的伏安特性曲線。第一象限正偏壓， I結本來就很大，所以光電流 Ip不起重要作用。 第三象限反向偏壓，這時 I結 ＝ Is0，它是普通二極管中的反向飽和電流，現(xiàn)在稱為暗電流（對應于光照度 E＝ 0），數(shù)值很小，這時的光電流（等于 IIs0）是流過探測器的主要電流，對應于光導工作模式。在第四象限中，外偏壓為 0，流過探測器的電流仍為反向光電流。隨著光功率的不同，出現(xiàn)明顯的非線性。這時探測器的輸出通過負載電阻 RL上的電壓或流過 RL上的電流來體現(xiàn)，因此稱為光伏工作模式。 當 PN結上加有反偏壓時，暗電流隨反向偏壓的增大有所增大，最后等于反向飽和電流 Is0，而光電流 Ip幾乎與反向電壓的高低無關。光電二極管和光電三極管就工作在這個象限。 光電池的主要功能是在不加偏置的情況下能將光信號轉換成電信號。按用途光電池可分為 太陽能光電池 和 測量光電池 。 　　光電池是一個 PN結，根據 PN結材料的不同，常見的光電池有 硒光電池，硅光電池、砷化鎵光電池和鍺光電池 四種。 2 光電池 硅光電池按基底材料不同分為 2DR型和 2CR型。 2DR型硅光電池是以 P型硅作基底， 2CR型光電池則是以 N型硅作基底，然后在基底上擴散磷（或硼）作為受光面。構成 PN結后，分別在基底和光敏面上制作輸出電極，涂上二氧化硅作保護膜，即成光電池。光電池結構 光電池工作原理圖 光電池符號太陽能手機充電器太陽能供LED電警示太陽能電池光電池（有源器件）Hubble Space Telescope 哈勃太空望 遠鏡Credit: NASACredit: Adrien Monier216。 結構：光電池實質是一個大面積 PN結，上電極為柵狀受光電極，下電極是一層襯底鋁。216。 原理：當光照射 PN結的一個面時，電子 —— 空穴對迅速擴散，在結電場作用下建立一個與光照強度有關的電動勢。一般可產生 ～ 、 50mA電流。 光電池結構 光電池工作原理圖 光電池（有源器件） 光電池的工作原理（ a）光電池工作原理圖 （ b）光電池等效電路圖 （ c）進一步簡化光電池的工作原理圖和等效電路注：此處以光生電流 IP 的方向為正方向。① 光照特性 光照特性主要有伏安特性、照度 電流電壓特性和照度 負載特性。硅光電池的伏安特性，表示輸出電流和電壓隨負載電阻變化的曲線。不同照度時的伏 安特性曲線一般硅光電池工作在第四象限。若硅光電池工作在反偏置狀態(tài)，則伏安特性將延伸到第三象限 硅光電池的特性參數(shù) 硅光電池伏安特性曲線當 IL＝ 0時， RL=∞( 開路 )時，光電池的開路電壓，以 Voc表示式中 SE表示光電池的光電靈敏度， E 表示入射光照度。當 IpI0當 RL＝ 0 時所得的電流稱為光電池短路電流，以 I sc 表示硅光電池的電流方程式當 E=0時式中， ID是光電流， IS0是反向飽和電流，是光電池加反向偏壓后出現(xiàn)的暗電流。 硅光電池的 Uoc、 Isc與照度的關系 216。照度 電流電壓特性光電池的短路光電流 Isc與入射光照度成正比，而開路電壓 UOC與光照度的對數(shù)成正比。開路電壓 UOC和短路電流 Isc與光電池受光面積也有關系。在光照度一定時， UOC與受光面積的對數(shù)成正比，短路電流 Isc與受光面積成正比。電流、電壓與受光面積的關系216。光照與負載特性 光電流在弱光照射下與光照度成線性關系。光照增加到一定程度后，輸出電流非線性緩慢地增加，直至飽和，并且負載電阻越大，越容易出現(xiàn)飽和，即線性范圍較小。因此，如欲獲得較寬的光電線性范圍，負載電阻不能取很大。光電池不同負載電阻下的光電特性② 光電池的光譜特性 光電池對不同波長的光靈敏度不同。? 硅光電池的光譜響應峰值在 附近，波長范圍 ～ 。硅光電池可在很寬的波長范圍內應用。 ? 硒光電池光譜響應峰值在 附近 , 波 長范圍 ～ 。 頻率特性指光電池相對輸出電流與光的調制頻率之間關系。? 硅、硒光電池的頻率特 性不同，硅光電池頻率 響應較好，硒光電池較差。? 所以高速計數(shù)器的轉換 一般采用硅光電池作為 傳感器元件。 硅、硒光電池的頻率特性 ③ 頻率特性硅光電池的頻率特性曲線 對同一材料光電池，負載大時頻率特性變差，減小負載可減小時間常數(shù) τ，提高頻響。但是負載電阻 RL的減小會使輸出電壓降低，實際使用時視具體要求而定。 （ ⅰ ）要得到短的響應時間，必須選用小的負載電阻； 負載大時頻率特性變差，減小負載可減小時間常數(shù)，提高頻響。但負載電阻的減小會使輸出電壓降低，實際使用時視具體情況而定。（ ⅱ ）光電池面積越大則響應時間越大，因為光電池面積越大則結電容 越大，在給定負載 時，時間常數(shù) 就越大，故要求短的響應時間，必須選