張文修-光敏電阻的原理、種類、工作特性及應(yīng)用

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1、光敏電阻的原理、種類、工作特性及應(yīng)用摘要光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器，又稱為光電導(dǎo)探測(cè)器；入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大(例外)。光敏電阻器一般用于光的測(cè)量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。摻雜型的長(zhǎng)波限較長(zhǎng)，可測(cè)光譜范圍寬，目前比較多的用n型半導(dǎo)體，較穩(wěn)定，特性好。由于不同的材料對(duì)光譜有不同的的選擇吸收，這也就導(dǎo)致了涂有不同半導(dǎo)體的光敏電阻有不同的光譜靈敏范圍，而且光譜響應(yīng)曲線也有較大的差異。通過改變半導(dǎo)體材料，可以使光敏電阻的頻譜響應(yīng)范圍從紅外延伸到紫外。由于頻譜

2、響應(yīng)范圍可以做的很寬，所以光敏電阻在生活中具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用。紫外光敏電阻用于探測(cè)紫外線。紅外光敏電阻器廣泛用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、天文探測(cè)、紅外光譜，紅外通信等國(guó)防和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中?？梢姽夤饷綦娮柚饕糜诟鞣N光電控制系統(tǒng)，如光電自動(dòng)開關(guān)門戶，航標(biāo)燈、路燈和其他照明系統(tǒng)的自動(dòng)亮滅，自動(dòng)給水和自動(dòng)停水裝置，機(jī)械上的自動(dòng)保護(hù)裝置和“位置檢測(cè)器”，照相機(jī)自動(dòng)曝光裝置，光電計(jì)數(shù)器，煙霧報(bào)警器，光電跟蹤系統(tǒng)等方面?？傊?，光敏電阻在各個(gè)行業(yè)，生活中的各個(gè)角落，都扮演著重要的角色。關(guān)鍵詞：光敏電阻、光電導(dǎo)效應(yīng)、光探測(cè)技術(shù)一、光敏電阻的原理1.1光電導(dǎo)效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)是

3、光電效應(yīng)的一種，主要由于光量子作用，引發(fā)物質(zhì)電化學(xué)性質(zhì)變化，而外光電效應(yīng)則是逸出電子。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。對(duì)于本半導(dǎo)體,當(dāng)未受光照射時(shí),價(jià)電子被束搏在局部?jī)r(jià)鍵上，不能參與導(dǎo)電，只有少數(shù)熱激發(fā)產(chǎn)生的自由載流子（電子、空穴）可以參與導(dǎo)電。按照固體能帶論,被束縛的價(jià)電子處在滿的價(jià)帶中,而在材料中可以參與導(dǎo)電的自由電子是處于導(dǎo)帶中的,自由空穴處于價(jià)帶頂,在導(dǎo)帶與價(jià)帶之間有寬度為的禁帶寬度（如圖b所示）。電子不能具有這個(gè)范圍的能值。要打破電子在價(jià)帶和導(dǎo)帶中的分布格局,必須提供能量打破原子間的價(jià)鍵,將電子從價(jià)帶提升到導(dǎo)帶（如c、

4、d圖所示）。當(dāng)入射光子的能量達(dá)到時(shí)就滿足條件?？梢杂?jì)算出本征半導(dǎo)體的長(zhǎng)波限為：圖1.1本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)圖對(duì)于參雜型半導(dǎo)體（以N型半導(dǎo)體為例），入射光子能量大于能量差，就能將Ed的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，從而變成導(dǎo)電的電子，形成電流。圖1.2N型半導(dǎo)體的電子激發(fā)同樣也可以計(jì)算出其長(zhǎng)波限為。顯然摻雜型的長(zhǎng)波限較長(zhǎng)，可測(cè)光譜范圍寬，目前比較多的用n型半導(dǎo)體，較穩(wěn)定，特性好。光電導(dǎo)的靈敏度：在光照條件下,設(shè)自由電子和空穴的增量為和,半導(dǎo)體的電導(dǎo)率為:=式中是無光照時(shí)的電導(dǎo)率,稱為暗電導(dǎo)率,而電導(dǎo)率的增量即為光電導(dǎo)率。比值,通常稱為光電導(dǎo)靈敏度,一般希望比值

5、越大越好。光電導(dǎo)增益：載流子的平均壽命與渡越時(shí)間之比為光電導(dǎo)的增益即，可以看出，載流子的壽命越長(zhǎng)，渡越時(shí)間越短，則光電導(dǎo)的增益就越大。光電導(dǎo)效應(yīng)其實(shí)就是半導(dǎo)體吸收光子能量之后，使其中的載流子濃度增加，導(dǎo)電性能增強(qiáng)，阻值降低的現(xiàn)象[1]。光敏電阻就是基于這種效應(yīng)的最直接的光電子器件。1.2光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理光敏電阻又稱光導(dǎo)管，它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電子器件。光敏電阻沒有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可以加直流電壓也可以加交流電壓。無光照射時(shí)，光敏電阻阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光

6、照射時(shí)，它的阻值急劇減小，電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。實(shí)際上光敏電阻的暗電阻阻值一般在兆歐數(shù)量級(jí)，亮電阻阻值一般在幾千歐以下（引用）。其實(shí)光敏電阻的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單。在玻璃（或陶瓷）底板上均勻地圖上一層薄薄的半導(dǎo)體物質(zhì)（用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體），稱為光導(dǎo)層。半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極，金屬電極與引出線端相連接，光敏電阻就通過引出線端接入電路。為了防止周圍介質(zhì)的影響，在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了一層膜，膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長(zhǎng)范圍內(nèi)透射率最大。為了提

7、高靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案。圖1.2.1即為常見的光敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖。圖1.2.1光敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖一、光敏電阻的工作特性2.1伏安特性圖2.1硫化鎘光敏電阻的伏安特性在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。圖為硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線。由圖2.1可見，在光照度不變的情況下，光敏電阻在一定的電壓范圍內(nèi)，其曲線為直線，電壓越高，光電流也就越大，而且沒有飽和現(xiàn)象（即直線沒有向下彎曲，但應(yīng)注意，光敏電阻的工作電壓和電流都不能超過規(guī)定的額定最高值）。從圖中還可以看出不同光照度下可以得到不同

8、的伏安特性曲線。隨著照度的增大，伏安特性曲線變得越來越陡，說明斜率也越來越大，這表明光敏電阻的阻值在隨著光照度的增加而減小。2.2光電特性圖2.2光電特性圖由光電靈敏度的定義，不