1-硫化镉单晶 2-硫化镉多晶 3-硒化镉多晶 4-硫化镉与硒 化镉混合多晶
在可见光区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线
在红外区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线
几种常用的光敏电阻
紫外 硫化镉(CdS)和硒化镉(CdSe)
光
敏 电
可见
硫化铊(TiS)、硫化镉(CdS)和 硒化镉(CdSe)
阻
红外 硫化铅(PbS)、碲化铅(PbTe)
光敏电阻常用光电导材料
4.3 光敏电阻的基本偏置电路和噪声
一、基本偏置电路
Rp RL
Vb
IV<Pmax
由电路图：
I Vb RL Rp
VL
RL RL Rp
Vb
当光通量变化时，光敏电阻变化Rp，
电流变化 I：
I I
Vb
RL Rp Rp
I
RL
Vb Rp Rp
Vb RL Rp
Rp (RL
亮态前历效应
指光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与工作 时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象， 其效应曲线如下图所示。
低照度变为高照度
硫化镉光敏电阻亮 态前历效应曲线
高照度变为低照度
六、光谱特性
相对灵敏度与波长的关系曲线表示。从这种曲线中 可以直接看出灵敏范围、峰值波长位置和各波长下 灵敏度的相对关系。
价格低廉，光谱响应范围宽。
4.1 光敏电阻的工作原理与结构
工作原理：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成光敏电阻。
当光敏电阻的两端加上适当的偏置电压Ubb，即 有电流Ip流过，可以检测到该电流。
电流的大小会 随入射光强度 的变化而变化
光敏电阻的原理图
符号
本 入射光子的能量大于或
A L
p N p
AL
材料的电导率的增加：＝q(n un+ p up) 光电导引起的光电流为：
Ip
VA
L
VAq(nun L
pup )
qNV
(
nun L2
pu p
)
光敏电阻的基本结构
4.２ 光敏电阻的主要特性参数
一、光电导的增益
光电导增益M 是表征光敏电阻特性的一个重要
参数，它表示长度为L的光电导两端加上电压V
0VA
L
VAq(n0un L
p0u p )
A：光电导体的横截面面积；
L：光电导体的长度
V：加在光电导体间的电压
un：电子的迁移率；up：空穴的迁移率 q：电子的电量
在光辐射作用下，设每单位时间产生N个电子
－空穴对，它们的寿命分别为n和p，那么由 于光辐射增加的电子和空穴浓度分别为：
n N n
征 等于半导体的禁带宽度 型 时能激发电子－空穴对
Eg
Ec
光 敏
0
hc Eg
1240 Eg
(nm)
Ev
电
阻
掺 杂 型
入射光子的能量大于 或等于杂质电离能时 就能激发电子空穴对
Eg
Ec
0
hc Eg
1240 E
(nm)
Ev
没有光照时的电流密度： jd 0E
没有光照时的电流：
Id
jd A 0EA
in2gr
4I 2 cf N0[1 (2f c )2 ]
I为光敏电阻的电流；N0为总的载流子数；c为 载流子寿命；f是以调制频率f为中心的通频带
宽度。
in2f
B1I 2f f
B1为常数；为常数，通常等于１；I为通过光 敏电阻的电流，等于暗电流和光电流之和。
in2t
4kT
(Rp RL )f Rp RL
Vb Rp )2
三种典型的偏置方式
a.恒流偏置 ，RL>>Rp
I Vb RL
b.恒压偏置，RL<< Rp
VL Sg Vb RL
c.恒功率偏置，RLRp
P
I LVL
Vb2 4RL
Vb Rp RL
设入射于光敏电阻的辐射为调制辐射正弦，如：
(t) (1 sint)
Rp RL
Vb 基本偏置电路
gp称为光敏电阻的光电导。 考虑到光敏电阻的暗电流， 流过光敏电阻的电流为：
I I p ID g pV gdV Sg EV gdV
R(K)
1000
暗电阻
500
亮电阻
0
500
1000 E(lx)
电阻～照度关系曲线
五、前历效应
前历效应是指光敏电阻的时间特性与工作前 “历史”有关的一种现象。
ip ~ Rp
Cp
RL
VL
等效微变电路
二、噪声和等效电路 用光敏电阻检测微弱信号时；
需考虑器件的噪声： 热噪声、产生－复合噪声、１/f 噪声 光敏电阻若接收调制辐射，其噪声的等效电路如 图所示:
ip
Rp ingr int C inf
RL
噪声等效电路
ingr为产生－复合噪声电流，int为热噪声电流； inf为1/f噪声电流，其中
二、光谱响应率
光谱响应率表示在某一特定波长下，输出光电 流(或电压)与入射辐射能量之比
I p ()
qNM
q () h
M
q () h
tdr
响应率为
S() I p () q () M q
()
h () h tdr
三、频率特性
光敏电阻是依靠非平衡载流子效应工作的，非平衡 载流子的产生与复合都有一个时间过程，这个时间 过程在一定程度上影响了光敏电阻对变化光照的响 应。光敏电阻采用交变光照时，其输出将随入射光 频率的增加而减小。
光敏电阻的合成噪声的均方值为
in2
in2t
in2f
i2
ngr
in2
总噪声
产生复合噪声 １/f
热噪声
0
fc
f
§ 4.5 应用举例
光谱响应范围宽， 测光范围宽， 光敏电阻的重要特点是： 灵敏度高， 无极性之分, 价格便宜。
在可见光波段，光敏电阻主要用于光控场合， 较少用于光功率的定量探测。 在红外光波段，各种场合均用到光敏电阻。
4 光电导探测器 （PC:Photoconductive）
光电导效应：某些物质吸收了光子的能量产生本 征吸收或杂质吸收，从而改变了物质电导率的 现象称为物质的光电导效应。 光敏电阻：利用具有光电导效应的材料（如硅、 锗等本征半导体与杂质半导体，硫化镉、硒化 镉、氧化铅等）可以制成电导随入射光强度变 化器件，称为光电导器件或光敏电阻。 光敏电阻的优点：体积小，坚固耐用，
d.光敏电阻的温度特性很复杂，电阻温度系数 有正有负，一般说，光敏电阻不适于在高温 下使用，温度高时输出将明显减小，甚至无 输出。
e. 光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下只有 少数品种能超过1000Hz，而且光电增益与带 宽之积为一常量.
如要求带宽较宽，必须以牺牲灵敏度为代价。 f.设计负载电阻时，应考虑到光敏电阻的额定
入射光通量; E是入射光照度；
为照度指数，在0.5~1之间。
I p () SgV I p () SgVE
Ip(uA)
900 600 300
0 200 400 600 800 1000
E(lx)
பைடு நூலகம்
在弱光照情况下：照度范围内(10-1~104lx)，的值 接近于1。
I p () SgVE g pV
n n
n
tn
空穴增益系数可以表示为：
Mp
V L2
p p
p
tp
在半导体中，电子和空穴的寿命是相等的。
M
Mn
M
p
(1
tn
1 tp
)
tdr
tdr为载流子渡越极间距离L所需要的有效时间 光电导探测器的量子效率
表示输出的光电流与入射光子流之比。
设入射的单色辐射功率()能产生N个光电子， 则量子效率为
() N Nh () / h ()
由于材料不同，在性能上差别较大。 使用中应注意： a.当用于模拟量测量时，因光照指数γ与光照
强弱有关，只有在弱光照下光电流与入射辐 射通量成线性关系。 b.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
符合。
c.光敏电阻的光谱特性与温度有关，温度低 时，灵敏范围和峰值波长都向长波方向移 动，可采取冷却灵敏面的办法来提高光敏电 阻在长波区的灵敏度。
后，由光照产生的光生载流子在电场作用下所
形成的外部光电流与光电子形成的内部电流之
间的比值。
M
Ip qN
qNV ( nun pu p )
L2qN
V L2
n n
V L2
p
p
Mn Mp
速度为vn的光电子在两极间的渡越时间为：
tn
L vn
L
nE
L
n V
L
L2
n V
这样电子增益系数可以表示为：M n
V L2
前历效应有暗态前历与亮态前历之分。 暗态前历效应是指光敏电阻测试或工作前处于 暗态，当它突然受到光照后表现为暗态。
前历越长，光电流上升越慢。
其效应曲线如下图所示。
工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应 就越明显。
硫化镉光敏电阻的暗态前历效应曲线
1-黑暗放置3分钟后 2-黑暗放置60分钟后 3-黑暗放置24小时后
1-硒
2-硫化镉
3-硫化铊
4-硫化铅
四、光电特性和值
光电特性：光敏电阻的光电流与入射光通量之
间的关系
I
p
(
)
q
( h
)
tdr
弱光照射时，、tdr不变,光电流与光通量成正比， 即保持线性关系