【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 接到外電路中 ， 在外加電壓的作用下 ， 用光照射就能改變電路中電流的大小 ， 其連線電路如圖所示 。 光敏電阻具有 很高的靈敏度 ， 很好的光譜特性 ，光譜響應(yīng)可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內(nèi) 。 而且體積小 、重量輕 、 性能穩(wěn)定 、 價(jià)格便宜 ， 因此應(yīng)用比較廣泛 。 RG RL E I 2. 光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性 （ 1）暗電阻、亮電阻、光電流 暗電流： 光敏電阻在室溫條件下 ， 全暗 （ 無(wú)光照射 ）后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間測(cè)量的電阻值 ， 稱為暗電阻 。 此時(shí)在給定電壓下流過(guò)的電流 。 亮電流： 光敏電阻在某一光照下的阻值 ， 稱為該光照下的亮電阻 。 此時(shí)流過(guò)的電流 。 光電流： 亮電流與暗電流之差 。 光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好。也就是說(shuō)，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越高。 實(shí)用的光敏電阻的暗電阻往往超過(guò) 1MΩ,甚至高達(dá)100MΩ，而亮電阻則在幾 kΩ以下，暗電阻與亮電阻之比在 102～ 106之間，可見(jiàn)光敏電阻的靈敏度很高。 （ 2）光照特性 下圖表示 CdS光敏電阻的光照特性 。 在一定外加電壓下 ，光敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系 。 不同類型光敏電阻光照特性不同 ， 但光照特性曲線均呈非線性 。因此它不宜作定量檢測(cè)元件 ， 這是光敏電阻的不足之處 。 一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作光電開(kāi)關(guān) 。 0 1 2 3 4 5 I/mA L/lx 1000 2022 （ 3）光譜特性 光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。從圖中可知，硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見(jiàn)光區(qū)域。因此，在選用光敏電阻時(shí)，應(yīng)把光敏電阻的材料和光源的種類結(jié)合起來(lái)考慮，才能獲得滿意的效果。 20 40 60 80 100 40 80 120 160 200 240 λ/μm 3 1 2 相對(duì)靈敏度 1—— 硫化鎘 2—— 硒化鎘 3—— 硫化鉛 （ 4） 伏安特性 在一定照度下 ， 加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特性 。 圖中曲線 2分別表示照度為 零 及照度為 某值 時(shí)的伏安特性 。 由曲線可知 ， 在給定偏壓下 ,光照度較大 ， 光電流也越大 。 在一定的光照度下 ， 所加的電壓越大 ， 光電流越大 ， 而且無(wú)飽和現(xiàn) 50 100 150 200 1 2 U/V 0 20 40 象 。 但是電壓不能無(wú)限地增大 ， 因?yàn)槿魏喂饷綦娮瓒际茴~定功率 、 最高工作電壓和額定電流的限制 。超過(guò)最高工作電壓和最大額定電流 ， 可能導(dǎo)致光敏電阻永久性損壞 。 I/ μA （ 5）頻率特性 當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)，光電流要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時(shí)延特性。由于不同材料的光敏， 20 40 60 80 100 I / % f / Hz 0 10 102 103 104 電阻 時(shí)延特性不同，所以它們的頻率特性也不同，如圖。 硫化鉛 的使用頻率比 硫化鎘 高得多，但多數(shù)光敏電阻的 時(shí)延都比較大，所以，它不能用在要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合。 硫化鉛 硫化鎘 （ 6）穩(wěn)定性 圖中曲線 2分別表示兩種型號(hào) CdS光敏電阻的穩(wěn)定性 。 初制成的光敏電阻 ， 由于 體內(nèi)機(jī)構(gòu)工作不穩(wěn)定 ，以及 電阻體與其介質(zhì)的作用還沒(méi)有達(dá)到平衡 ， 所以性能是不夠穩(wěn)定的 。 但在人為地加溫 、 光照及加負(fù)載情況下 ， 經(jīng)一至二周的老化 ， 性能可達(dá)穩(wěn)定 。 光敏電阻在開(kāi)始一段時(shí)間的老化過(guò)程中 ， 有些樣品阻值上 I / % 40 80 120 160 2 1 T/h 0 400 800 1200 1600 升，有些樣品阻值下降，但最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值后就不再變了。這就是光敏電阻的主要優(yōu)點(diǎn)。 光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下，幾乎是 無(wú)限長(zhǎng) 的。 （ 7）溫度特性 其性能 (靈敏度 、 暗電阻 )受溫度的影響較大 。 隨著溫度的升高 ， 其暗電阻和靈敏度下降 ， 光譜特性曲線的峰值向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng) 。 硫化鎘的光電流 I和溫度 T的關(guān)系如圖所示 。 有時(shí)為了提高靈敏度 ， 或?yàn)榱四軌蚪邮蛰^長(zhǎng)波段的輻射 ， 將元件降溫使用 。 例如 ， 可利用制冷器使光敏電阻的溫度降低 。 I / μA 100 150 200 50 10 30 50 10 30 T / 186。C 20 40 60 80 100 0 λ/μm I/mA +20 186。C 20 186。C 二、光電池 光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件 。 由于它可把太陽(yáng)能直接變電能 ， 因此又稱為太陽(yáng)能電池 。 它是基于光生伏特效應(yīng)制成的 ， 是發(fā)電式有源元件 。 它有較大面積的 PN結(jié) ， 當(dāng)光照射在 PN結(jié)上時(shí) ，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì) 。 命名方式： 把光電池的半導(dǎo)體材料的名稱冠于光電池 (或太陽(yáng)能電池 )之前 。 如 ， 硒光電池 、 砷化鎵光電池 、 硅光電池等 。 目前 ,應(yīng)用最廣 、 最有發(fā)展前途的是硅光電池 。 ?硅光電池價(jià)格便宜 ， 轉(zhuǎn)換效率高 ， 壽命長(zhǎng) ， 適于接受紅外光 。 ?硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低 (％ )、 壽命短 ， 適于接收可見(jiàn)光 (響應(yīng)峰值波長(zhǎng) )， 最適宜制造照度計(jì) 。 ?砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高 ， 光譜響應(yīng)特性則與太陽(yáng)光譜最吻合 。 且工作溫度最高 ， 更耐受宇宙射線的輻射 。 因此 ，它在宇宙飛船 、 衛(wèi)星 、 太空探測(cè)器等電源方面的應(yīng)用是有發(fā)展前途的 。 光電池的示意圖 硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖所示 。 它是在一塊 N型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些 P型雜質(zhì) (如硼 )形成 PN結(jié) 。 當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí) ， 如果光子能量足夠大 ， 將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子 空穴對(duì) ， 在 N區(qū)聚積負(fù)電荷 ， P區(qū)聚積正電荷 ，這樣 N區(qū)和 P區(qū)之間出現(xiàn)電位差 。 若將 PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來(lái) ， 電路中有電流流過(guò) ， 電流的方向由 P區(qū)流經(jīng)外電路至 N區(qū) 。 若將外電路斷開(kāi) ， 就可測(cè)出光生電動(dòng)勢(shì) 。 1. 光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理 + 光 P N － SiO2 RL (a) 光電池的結(jié)構(gòu)圖 I 光 (b) 光電池的工作原理示意圖 P N 光電池的表示符號(hào) 、 基本電路及等效電路如圖所示 。 I U Id U I RL IΦ (a) (b) (c) 圖 光電池符號(hào)和基本工作電路 L/klx L/klx 5 4 3 2 1 0 2 4 6 8 10 開(kāi)路電壓 Uoc /V 0 1 2 3 4 5 Uoc/V Isc /mA Isc/mA (a) 硅光電池 (b)硒光電池 （ 1）光照特性 開(kāi)路電壓曲線：光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的特性曲線 ，當(dāng)照度為 2022lx時(shí)趨向飽和 。 短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線 2. 基本特性 開(kāi)路電壓 短路電流 短路電流 短路電流，指外接負(fù)載相對(duì)于光電池內(nèi)阻而言是很小的。光電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同，因而應(yīng)選取適當(dāng)?shù)耐饨迂?fù)載近似地滿足“短路”條件。 下圖表示硒光電池在不同負(fù)載電阻時(shí)的光照特性。從圖中可以看出，負(fù)載電阻 RL越小，光電流與強(qiáng)度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。 0 2 4 6 8 10 I/mA L/klx 50Ω 100Ω 1000Ω 5000Ω RL=0 20 40 60 80 100 I / % 1 2 λ/μm (2) 光譜特性 光電池的光譜特性決定于材料。從曲線可看出，硒光電池在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長(zhǎng)在 540nm附近，適宜測(cè)可見(jiàn)光。硅光電池應(yīng)用的范圍 400nm— 1100nm，峰值波長(zhǎng)在 850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。 1—— 硒光電池 2—— 硅光電池 (3) 頻率特性 光電池作為測(cè)量 、 計(jì)數(shù) 、 接收元件時(shí)常用調(diào)制光輸入 。 光電池的頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系 。 由于光電池 PN結(jié)面積較大 ， 極間電容大 ， 故頻率特性較差 。 圖示為光電池的頻率響應(yīng)曲線 。 由圖可知 ， 硅光電池具有較高的頻率響應(yīng) ， 如曲線 2， 而硒光電池則較差 ， 如曲線 1。 20 40 60 80 100 0 I / % 1 2 3 4 5 1 2 f / kHz 1—— 硒光電池 2—— 硅光電池 （ 4）溫度特性 光電池的溫度特性是指開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，開(kāi)路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測(cè)量或控制精度等主要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池作為測(cè)量元件時(shí)，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。 20 0 40 60 90 40 60 UOC/ mV T / 186。C ISC UOC ISC / μA 600 400 200 UOC—— 開(kāi)路電壓 ISC —— 短路電流 硅光電池在 1000lx照度下的溫度特性曲線 三、光敏二極管和光敏三極管 光電二極管和光電池一樣 ， 其 基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè) PN結(jié) 。 它和光電池相比 ， 重要的不同點(diǎn)是 結(jié)面積小 ， 因此它的頻率特性特別好 。 光生電勢(shì)與光電池相同 ， 但輸出電流普遍比光電池小 ， 一般為幾 μA到幾十 μA。 按材料分 ， 光電二極管有硅 、 砷化鎵 、 銻化銦光電二極管等許多種 。 按結(jié)構(gòu)分 ， 有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分 。 其中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管 。 國(guó)產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)電類型不同，分為 2CU和 2DU兩種系列。 2CU系列以 NSi為襯底， 2DU系列以 PSi為襯底。 2CU系列的光電二極管只有兩條引線，而 2DU系列光電二極管有三條引線。 1. 光敏二極