【正文】 用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。 光敏電阻沒(méi)有極性 , 純粹是一個(gè)電阻器件 , 使用時(shí)既可加直流電壓 , 也可以加交流電壓。當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí) , 它的阻值（亮電阻）急劇減少 , 電路中電流迅速增大。光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。 光電傳感器 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) 光敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖 所示。管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個(gè)歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體。光導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的表面薄層，雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴(kuò)散到內(nèi)部去，但擴(kuò)散深度有限，因此光電 A 圖 金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu)圖 光導(dǎo)電材料 絕緣襯低 引線 電極 引線 光電導(dǎo)體 光電傳感器 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) 導(dǎo)體一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用硫狀圖案， 結(jié)構(gòu) 見(jiàn)圖 。 它是在一定的掩模下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的 。這種硫狀電極 ， 由于在間距很近的電極之間有可能采用大的靈敏面積 ， 所以提高了光敏電阻的靈敏度 。 圖 （ c） 是光敏電阻的代表符號(hào) 。 RG 4 5 6 7 (a)結(jié)構(gòu) (b)電極 (c)符號(hào) 圖 CdS光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號(hào) 1 2 3 1光導(dǎo)層 。 2玻璃窗口 。 3金屬外殼 。 4電極 。 5陶瓷基座 。 6黑色絕緣玻璃 。 7電阻引線 。 光電傳感器 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) 光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響 ， 因此要將導(dǎo)光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在玻璃殼體中 。 如果把光敏電阻連接到外電路中 ， 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 。 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 光電傳感器 圖 光敏電阻電路 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) 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。 光電傳感器 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) （ 2） 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 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)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 。 50 100 150 200 1 2 0 20 I/ μA 光電傳感器 圖 光敏電阻伏安特性 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) （ 3）光照特性 下圖 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 光電傳感器 圖 光敏電阻的光照特性 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) （ 4）光譜特性 光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。從圖 ，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 光電傳感器 圖 光敏電阻的光譜特性 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) ? 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。 光電池的工作原理是基于“光生伏特效應(yīng)”。 它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大面積的 PN結(jié) , 當(dāng)光照射到 PN結(jié)的一個(gè)面 , 例如 p型面時(shí) , 若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度 , 那么 p型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)自由電子和空穴 , 電子空穴對(duì)從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散 , 在結(jié)電場(chǎng)的作用下 , 最后建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。 圖 。 光電傳感器 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) 圖 光電池工作原理圖 光電傳感器 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) 光電池的表示符號(hào) 、 基本電路及等效電路如圖 。 I U Id U I RL IΦ (a) (b) (c) 圖 光電池符號(hào)和基本工作電路 光電傳感器 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) 光電池基本特性 （ 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2klx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 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 開(kāi)路電壓 短路電流 短路電流 光電傳感器 圖 光電池的光照特性 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) 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 ，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 光電傳感器 圖 不同負(fù)載時(shí)的光照特性 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) (2) 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 。 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 光電傳感器 圖 光電池的頻率特性 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) （ 3）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 ，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 圖 硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線 光電傳感器 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) 光敏二極管和光敏三極管 1. 光敏二極管 光敏二極管符號(hào)如圖 。 鍺光敏二極管有 A， B， C， D四類；硅光敏二極管有 2CU1A～ D系列 、 2DU1～ 4系列 。 光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似 、 它裝在透明玻璃外殼中 ， 其 PN結(jié)裝在管頂 ， 可直接受到光照射 。 光敏二極管在電路中一般是處于 反向工作狀態(tài) ， 如圖 。 P N 光 圖 光敏二極管符號(hào) RL 光 P N 圖 光敏二極管接線 光電傳感器 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) 2. 光敏三極管 光敏三極管有 PNP型和 NPN型兩種，如圖 。其結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，具有電流增益 ,只是它的發(fā)射極一邊做的很大 ,以擴(kuò)大光的照射面積 ,且其基極不接引線。當(dāng)集電極加上正電壓 ,基極開(kāi)路時(shí) ,集電極處于反向偏置狀態(tài)。 P P N N N P e b b c RL E e c 光電傳感器 圖 光敏三極管結(jié)構(gòu)示意 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) 當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時(shí) ,會(huì)產(chǎn)生電子 空穴對(duì) ,在內(nèi)電場(chǎng)的作用下 ,光生電子被拉到集電極 ,基區(qū)留下空穴 ,使基極與發(fā)射極間的電壓升高 ,這樣便有大量的電子流向集電極 ,形成輸出電流 ,且集電極電流為光電流的 β倍。 光敏三極管的主要特性： （ 1）伏安特性 光敏三極管的伏安特性曲線如圖 。 光敏三極管在不同的照度下的伏安特性 ， 就像一般晶體管在不同的基極電流時(shí)的輸出特性一樣 。 因此 ， 只要將入射光照在發(fā)射極 e與基極 b之間的 PN結(jié)附近 ， 所產(chǎn)生的光電流看作基極電流 ， 就可將光敏三極管看作一般的晶體管 。 光敏三極管能把光信號(hào)變成電信號(hào) ，而且輸出的電信號(hào)較大 。 光電傳感器 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) 0 500lx 1000lx 1500lx 2022lx 2500lx I/mA 2 4 6 20 40 60 80 圖 光敏晶體管的伏安特性 U/V （ 2）溫度特性 光敏三極管的溫度特性曲線反映的是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。從特性曲線圖 ，溫度變化對(duì)光電流的影響很小，而對(duì)暗電流的影響很大．所以電子線路中應(yīng)該對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會(huì)導(dǎo)致輸出誤差。 光電傳感器 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) 暗電流 /mA 光電流 /mA 10 20 30 40 50 60 70 T /186。C 25 0 50 100 0 200 300 400 10 20 30 40 50 60 70 80 T/186。C 圖 光敏晶體管的溫度特性 光電傳感器 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) （ 3）頻率特性 光敏三極管的頻率特性曲線如圖 。 光敏三極管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響 ， 減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng) 。 一般來(lái)說(shuō) ， 光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差 。 對(duì)于鍺管 ， 入射光的調(diào)制頻率要求在 5kHz以下 。 硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好 。 0 100 1000 500 5000 10000 20 40 60 100 80 RL =1kΩ RL =10kΩ