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4．光敏电阻的基本特性
（1）光谱特性 （2）光照特性 （3）伏安特性 （4）响应时间和频率特性 （5）温度特性 （6）稳定性
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（1）光谱特性
定义：光电流对不同波长的单色光，灵敏度是不同的。
光波： 波长为10—106nm的电磁波 可见光：波长380—780nm 紫外线：波长10—380nm，
h hc 1.24 Eg
式中ν、λ分别为入射光的频率和波长。
材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电 导材料，总存在一个照射光波长限λ0，只有波长小于 λ0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃 进，从而使光电导体的电导率增加。
（2） 光生伏特效应
在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生 伏特效应。
当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成 正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的 电子数也就越多。
光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 /2 ，因此外光 电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有 光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压， 而且截止电压与入射光的频率成正比。
光照越强、E越大，光生自由电子越多，电阻值越小。
光照停止或光强减小使E＜Eg时，光生自由电子又迭回价带成为价电子，使 电阻值增加或恢复高阻状态。
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光敏电阻光电效应实验电路
偏压U一定时，检流计指示电流I的大小决定于光敏电阻上的光照强度： 无光照时：I很小，此电流称之为暗电流；
光敏电阻的阻值很高，相应称之为暗电阻（兆欧级）
100
相1 2
对 80 灵 60 敏 40 度
20
3
1——硫化镉
2——硒化镉
3——硫化铅
400 800 1200 1600 2000 2400 λ/nm 结论：
在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种 类结合起来考虑，才能获得满意的效果。
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（2）光照特性
定义：在一定电压下，光敏电阻的光电流I与光强E之间的关系。
第5章 光电式传感器
5.1 常用光电器件 5.2 光栅传感器 5.3 固态图像传感器
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光电式传感器
定义：是一种将光信号转换成电信号的装置。 以光电元件作为转化元件，可以将被测的非电量通过光量
的变化再转化成电量的传感器。光电式传感器一般由光源、光 学元件和光电元件三部分组成。 物理基础：光电效应 优点：结构简单、性能可靠、精度高、反映快。 应用：现代测量和自动控制系统，应用广泛，前景广阔。
②侧向光电效应
当半导体光电器件受光照不均匀时，载流子浓度梯 度将会产生侧向光电效应。
当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时， 光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大， 就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。如果 电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子 向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未 被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光 电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感 器件（PSD）。

I/%
100
如图。硫化铅的使用频率比硫
80
化镉高得多，但多数光敏电阻的时
延都比较大，所以，它不能用在要
60
求快速响应的场合。
硫化铅
40
硫化镉
20
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0
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10 102 103 104 f / Hz
（5）温度特性
光敏电阻性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。随着温度 的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的 方向移动。硫化镉的光电流I和温度T的关系如图所示。有时为了提 高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例 如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。
图中曲线1、2分别表示照度为
零及照度为某值时的伏安特性。由 I/ μA
曲线可知，在给定偏压下,光照度 较大，光电流也越大。在一定的光 200
照度下，所加的电压越大，光电流 150 越大，而且无饱和现象。但是电压 不能无限地增大，因为任何光敏电 100
阻都受额定功率、最高工作电压和 50
额定电流的限制。超过最高工作电 0
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光电效应
是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而 产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分 为外光电效应和内光电效应两大类：
1）外光电效应 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称
为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光 电器件有光电管、光电倍增管等。
I / μA
200 150 100
100 I/mA
80 +20 ºC 60 40
-20 ºC
20
-50 -30 -10 10 30 50 T / ºC
0 1.0 2.0 3.0 4.0 λ/μm
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（6）稳定性
图中曲线1、2分别表示两种型号CdS硫化镉光敏电阻的稳定性。
初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定，以及电阻体与其介质
的作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、
I/%
光照及加负载情况下，经一至二周的 老化，性能可达稳定。光敏电阻在开
2
始一段时间的老化过程中，有些样品
160
阻值上升，有些样品阻值下降，但最
120
后达到一个稳定值后就不再变了。这
80
就是光敏电阻的主要优点。
1
光敏电阻的使用寿命在密封良好、
命名方式：把光电池的半导体材料的名称冠于光电池(或太阳能电池)之前。如， 硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前，应用最广、最有发展前途的是 硅光电池。
根据能量守恒定理
h

1 2
m02

A0
式中 m—电子质量；v0—电子逸出速度。
该方程称为爱因斯坦光电效应方程
光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物 体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功， 即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率 或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使 物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强 再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红 限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。
5.1 常用光电器件
5.1.1 光敏电阻 5.1.2 光电池 5.1.3 光敏二极管和光敏晶体管 5.1.4 常用光电器件的应用
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5．1．1 光敏电阻
1. 光敏电阻的光电效应 2．光敏电阻种类 3．光敏电阻的主要参数 4. 光敏电阻的基本特性
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1. 光敏电阻的光电效应
光敏电阻特性：
基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。
①势垒效应（结光电效应）。
接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光 电动势，这就是结光电效应。以PN结为例，光线照射PN结时，设光 子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空 穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被 光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光 电动势。
40
使用合理的情况下，几乎是无限长的。
0 400 800 1200 1600 T/h
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5.1.2 光电池
光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。由于它可把太阳 能直接变电能，因此又称为太阳能电池。它是发电式有源元件，有较大面积的 PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。
（3）对红外光敏感元件
红外光是红外线(波长λ ＝760～1×106nm)的内侧光波，波长约
760～6000nm。对这类光敏感的材料有硫化铅、硒化钳等，主要用来 探测不可见目标。
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3． 光敏电阻的主要参数
（1）暗电阻和暗电流 光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时 间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电 流，称为暗电流。 （2）亮电阻 光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下 的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。 （3）光电流 亮电流与暗电流之差，称为光电流。
当无光照时：光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小 当有光照时：光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加 光照停止时：恢复高阻状态
优点：
灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高 ，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。
不足：
需要外部电源，有电流时会发热。
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形成原因：
（1）对紫外光敏感元件 紫外光是指紫外线(波长λ＝10～380nm)的内侧光波，波长约300
～380nm。对这类光敏感的材料有氧化锌、硫化锌等，适于作α β γ 射线检测及光电控制电路。
（2）对可见光敏感元件 可见光波长范围约380～760nm，对这类光敏感的材料有硒、硅
、锗等，适用于光电计数、光电锅台、光电控制等场合。
有光照时：I较大，此电流称之为亮电流； 光敏电 阻的阻值显著减小，相应称之为亮电阻（千欧以内）
光电流：由光照所产生的自由电子—空穴流，为亮电流与暗电流之差。 由于暗电流很小，在工程分析时可把亮电流看成光电流。
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光敏电阻的结构
1.玻璃 2.光电导层 3.电极 4.绝缘衬底 5.金属壳 6.黑色绝缘玻璃 7.引线
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过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于 或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带， 如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使 电导率变大。