光電檢測第五章光電導(dǎo)器件

光電檢測第五章光電導(dǎo)器件第一頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日光電導(dǎo)器件是利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種光電探測器件。光電導(dǎo)效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的一種體效應(yīng)，無需形成PN結(jié)，故又常稱為無結(jié)光電探測器。這種器件在光照下會改變自身的電阻率，光照越強(qiáng)，器件自身的電阻越小，因此常常又稱為光敏電阻或光導(dǎo)管。常用的光敏電阻有CdS、CdSe、PbS等。其中CdS是工業(yè)應(yīng)用最多的，PbS主要用于軍事裝備。5.1

光敏電阻的工作原理第五章光電導(dǎo)器件第二頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日本章內(nèi)容5.1光敏電阻的工作原理5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲5.4光敏電阻的特點和應(yīng)用第三頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日作業(yè)：4-1，4-2，4-3，4-4，4-55.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件第四頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日5.1光敏電阻的工作原理5.1

光敏電阻的工作原理第五章光電導(dǎo)器件5.1.1光敏電阻的結(jié)構(gòu)和分類5.1.2光敏電阻的工作原理返回第五頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件5.2.1光電導(dǎo)靈敏度5.2.2光電導(dǎo)增益5.2.3量子效率5.2.4光譜響應(yīng)率與光譜響應(yīng)曲線5.2.5響應(yīng)時間和頻率特性5.2.6光電特性和γ值5.2.7前歷效應(yīng)5.2.8溫度特性返回第六頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件5.3.1偏置電路5.3.2噪聲等效電路5.3.3光敏電阻的變換電路返回第七頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日5.4光敏電阻的特點和應(yīng)用5.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件5.4.1光敏電阻的特點5.4.2光敏電阻使用時的注意事項5.4.3常見光敏電阻5.4.4光敏電阻的應(yīng)用返回第八頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日光敏電阻的結(jié)構(gòu)和分類光敏電阻是用光電導(dǎo)體制成的光電器件,又稱光導(dǎo)管,其工作原理與符號如圖所示。5.1

光敏電阻的工作原理第五章光電導(dǎo)器件第九頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日5.1

光敏電阻的工作原理第五章光電導(dǎo)器件PGM5****series

環(huán)氧樹脂封裝光敏電阻是在一塊均質(zhì)光電導(dǎo)體兩端加上電極,貼在其他絕緣材料基板上,兩端接有電極引線,封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)而成的。如圖所示為實際的環(huán)氧樹脂封裝的PGM5××××系列光敏電阻的外形。第十頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日光敏電阻分為兩類:——本征型光敏電阻——摻雜型光敏電阻從理論上說，P型、N型半導(dǎo)體均可制成5.1

光敏電阻的工作原理第五章光電導(dǎo)器件光敏電阻，但由于電子的遷移率比空穴大，而且用N型半導(dǎo)體材料制成的光敏電阻性能較穩(wěn)定,特性較好,故目前大都使用N型半導(dǎo)體光敏電阻。返回第十一頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日光敏電阻的工作原理光敏電阻沒有極性,純粹是一個電阻器件,使用時兩電極可加直流電壓,也可加交流電壓。

5.1

光敏電阻的工作原理第五章光電導(dǎo)器件無光照時,光敏電阻的阻值很大,電路中電流很小。當(dāng)光電導(dǎo)體上加上電壓,無光照時光電導(dǎo)體具有一定的熱激發(fā)載流子濃度,其相應(yīng)的暗電導(dǎo)率為第十二頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日式中：q為電子或空穴的電荷量；n0和p0分別為電子和空穴的濃度；μn和pn分別為電子和空穴在外電場E作用下的遷移率，表示為5.1

光敏電阻的工作原理第五章光電導(dǎo)器件式中，U是端電壓，L是電壓方向半導(dǎo)體的長度，vn和vp是載流子漂移的速度。第十三頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日受光照時,由光照產(chǎn)生的光生載流子迅速增加,它的阻值急劇減少。在外電場作用下光生載流子沿一定方向運(yùn)動,在電路中形成電流,光生載流子越多電流越大。

5.1

光敏電阻的工作原理第五章光電導(dǎo)器件(5-2)產(chǎn)生的光生載流子濃度用Δn和Δp表示。則光照穩(wěn)定情況下的電導(dǎo)率為第十四頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日得到由于光照變化的電導(dǎo)率為5.1

光敏電阻的工作原理第五章光電導(dǎo)器件式中,b=μn/μp為遷移比。

(5-3)第十五頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日其中,g為載流子產(chǎn)生率,τ為載流子壽命。若入射的光功率為Фs，載流子產(chǎn)生率與光功率的關(guān)系為5.1

光敏電阻的工作原理第五章光電導(dǎo)器件在恒定的光照下,光生載流子不斷產(chǎn)生,也不斷復(fù)合。當(dāng)光照穩(wěn)定時,光生載流子的濃度為式中,η為量子效率,V為材料體積。(5-4)第十六頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日在電場強(qiáng)度的作用下,短路光電流密度為5.1

光敏電阻的工作原理第五章光電導(dǎo)器件由于光照的增加,電導(dǎo)率增加了,光電流也增加了。(5-5)第十七頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日5.1

光敏電阻的工作原理第五章光電導(dǎo)器件也可以推導(dǎo)出光電流隨半導(dǎo)體電導(dǎo)率變化的公式。式中:L——光電導(dǎo)體長度;

A——光電導(dǎo)體橫截

面面積。若無光照時,如圖所示光敏電阻的暗電流為第十八頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日在光輻射作用下,假定每單位時間產(chǎn)生N個電子-空穴對，它們的壽命分別為τn和τp，那么,由于光輻射激發(fā)增加的電子和空穴濃度分別為5.1

光敏電阻的工作原理第五章光電導(dǎo)器件第十九頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日于是,材料的電導(dǎo)率增加了Δσ=q（Δnμn+Δpμp）,則稱Δσ為光電導(dǎo)率。5.1

光敏電阻的工作原理第五章光電導(dǎo)器件由式(5-6)知道,光敏電阻的光電流Ip與L的平方成反比。(5-6)由光電導(dǎo)率Δσ引起的光電流為第二十頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日因此在設(shè)計光敏電阻時為了既減小電極間的距離L,又保證光敏電阻有足夠的受光面積,一般采用如圖所示的幾種電極結(jié)構(gòu)。5.1

光敏電阻的工作原理第五章光電導(dǎo)器件返回第二十一頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日光電導(dǎo)靈敏度按靈敏度定義(響應(yīng)量與輸入量之比),可得光電導(dǎo)靈敏度Sg為5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件其中，gp稱為光敏電阻的光電導(dǎo)，單位為西門子S(Ω-1);E為照度,單位為勒克斯(lx)。gp可表示為(5-7)或注意以上兩式中Sg單位不同。第二十二頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件若考慮暗電導(dǎo)產(chǎn)生的電流時,則流過光敏電阻的電流為式中，Ip為亮電流；ID為暗電流：gd為暗電導(dǎo)：gp為亮電導(dǎo)。所以若考慮暗電流時，光敏電阻的光電導(dǎo)為(5-8)返回第二十三頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日光電導(dǎo)增益光電導(dǎo)增益M是光敏電阻的一個重要特性參數(shù),它表示長度為L的光電導(dǎo)體兩端加上電壓以后,由光照產(chǎn)生的光生載流子在電場作用下所形成的外部光電流與光電子形成的內(nèi)部電流(qN)之間的比值。5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件(5-9)由式(5-6)得第二十四頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日式中5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件Mn稱為光敏電阻中電子的增益系數(shù)。tn為電子的漂移時間。Mp為光敏電阻中空穴的增益系數(shù)。tp為空穴的漂移時間。同理第二十五頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日如果把1/tn和1/tp之和定義為1/tdr.,即5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件式中,tdr稱為載流子通過極間距離L所需要的有效渡越時間,于是在半導(dǎo)體中,電子和空穴的壽命是相同的,都可用載流子的平均壽命τ來表示,即τ=τn=τp,則本征型光敏電阻的增益可寫成返回第二十六頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日量子效率光電導(dǎo)器件的量子效率η,表示輸出的光電流與入射光子流之比。5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件這是個無量綱的量,它表示單位時間內(nèi)每入射一個光子所能引起的載流子數(shù)。假設(shè)入射的單色輻射功率Φ(λ)能產(chǎn)生N個光電子,則量子效率第二十七頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日如圖所示分別為硅和鍺的量子效率η與波長λ的關(guān)系曲線。5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件返回第二十八頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日光譜響應(yīng)率與光譜響應(yīng)曲線因為通常入射光的單位以瓦或流明數(shù)表示,量子效率在實際應(yīng)用上很不方便。一般用安/瓦為單位的光譜響應(yīng)率來表征光敏電阻的特性。光譜響應(yīng)率表示在某一特定波長下,輸出光電流(或電壓)與入射輻射能量之比。輸出光電流表示為5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件(5-11)第二十九頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日則光譜響應(yīng)率為5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件可以看出,增大增益系數(shù)可得到很高的光譜響應(yīng)率。提高光敏電阻的光譜響應(yīng)率受到如下因素影響。(5-12)減小電極間距—>集光面積太小，電流太小。

延長載流子壽命—>降低響應(yīng)速度。因此在光敏電阻中,增益與響應(yīng)速度是相互矛盾的兩個量。第三十頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日不同頻率時的光譜響應(yīng)率連接起來就成為光譜響應(yīng)曲線。圖(a)為本征光電導(dǎo)材料的理想光譜響應(yīng)曲線。5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件實際的光譜響應(yīng)曲線如圖(b)所示.一般情況下峰值靠近長波限,實際定義長波限為峰值一半處所對應(yīng)的波長。第三十一頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日光譜特性多用相對靈敏度與波長的關(guān)系曲線表示。從這種曲線中可以直接看出靈敏范圍、峰值波長位置和各波長下靈敏度的相對關(guān)系。5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件返回第三十二頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日響應(yīng)時間和頻率特性光電導(dǎo)材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流所需要的時間叫響應(yīng)時間;同樣,當(dāng)光照停止后光電流也是5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件逐漸消失的。這個過程如圖所示,稱為光電導(dǎo)弛豫過程。它反映了光敏電阻的惰性。第三十三頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日通常材料突然受光照到穩(wěn)定狀態(tài)時,光生載流子濃度的變化規(guī)律為5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件其中,Δp0為穩(wěn)態(tài)光生載流子濃度。定義光生載流子濃度上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所需的時間稱為光敏電阻的上升響應(yīng)時間。(5-13)第三十四頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件同樣,在停止光照后光生載流子濃度的變化為(5-14)光照停止后,定義光生載流子下降到穩(wěn)定值的37%時所需的時間為下降時間。上升時間和下降時間相等，都等于載流子壽命,t=τ。

第三十五頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件(5-15)當(dāng)輸入光功率按正弦規(guī)律變化時,光生載流子濃度隨光調(diào)制頻率變化的關(guān)系為可見，輸出光電流與調(diào)制頻率的關(guān)系具有低通特性。第三十六頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日如圖所示，光電導(dǎo)的弛豫特性限制了器件對調(diào)制頻率高的光信號的響應(yīng)。許多光電導(dǎo)材料在弱光時表現(xiàn)為線性光電導(dǎo)，而在強(qiáng)光時光電導(dǎo)與入射光功率的平方根成正比。此時定義上升和下降時間分別為穩(wěn)態(tài)值的76%和50%。5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件第三十七頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日當(dāng)光敏電阻接收交變調(diào)制光(入射光為Φ(t)=Φejωt)時,隨著調(diào)制光頻率的增加,輸出電壓會減小。當(dāng)輸出的相對幅值下降至0.707倍(即零頻時的信號功率的一半)時,入射光的頻率就是該光敏電阻的截止頻率f3dB。5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件(5-16)截止頻率表示為第三十八頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日可見,響應(yīng)時間與響應(yīng)頻率是完全等價的。

5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件返回如圖給出了4種不同材料光敏電阻的頻率響應(yīng)曲線。對正弦調(diào)制光信號用頻率響應(yīng)來描述。一般對脈沖光信號用響應(yīng)時間τ來描述；第三十九頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日光電特性和γ值光敏電阻的光電流與入射光通量之間的關(guān)系稱光電特性,光電流與入射單色輻射通量之間的關(guān)系如下：5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件當(dāng)弱光照時τ、tdr不變,Ip(λ)與Φ(λ)成正比,即保持線性關(guān)系。但當(dāng)強(qiáng)光照時,τ與光電子濃度有關(guān),tdr也會隨電子濃度變大或出現(xiàn)溫升而產(chǎn)生變化,故Ip(λ)與Φ(λ)偏離線性而呈非線性。第四十頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日一般采用表示光敏電阻的光電特性的公式為5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件或式中:Sg——光電導(dǎo)靈敏度,與光敏電阻材料有關(guān);

U——外加電源電壓:

Φ——入射光通量;

E——入射光照度;

γ——照度指數(shù)。(5-17)第四十一頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日在弱光照時,γ值為1,稱直線性光電導(dǎo);在強(qiáng)光照時,γ值為0.5,則為非線性光電導(dǎo);一般情況下,γ值在0.5~1之間。5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件實驗測得,當(dāng)所加電壓一定時,光電流和照度關(guān)系曲線如圖所示。第四十二頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日在實際使用時,常常將光敏電阻的光電特性曲線改用如圖所示的特性曲線。5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件第四十三頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日

由圖（a）所示的線性直角坐標(biāo)系可見，光敏電阻的阻值R與入射照度Ev在光照很低時隨光照度的增加而迅速降低，表現(xiàn)為線性關(guān)系；當(dāng)照度增加到一定程度后，阻值的變化變緩，然后逐漸趨向飽和。但是，在如圖(b)所示的對數(shù)坐標(biāo)系中,光敏電阻的阻值R在某段照度Ev范圍內(nèi)的光電特性表現(xiàn)為線性。即（5-17）式中的γ值保持不變。

5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件第四十四頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日因此，γ值為對數(shù)坐標(biāo)系下特性曲線的斜率,且從圖b中可以看到保持不變，可得

5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件式中,R1與R2分別是照度為E1和E2時光敏電阻的阻值。顯然,光敏電阻的γ值反映了在照度范圍變化不大或照度的絕對值較大甚至光敏電阻接近飽和情況下的阻值與照度的關(guān)系。因此,定義光敏電阻γ值時必須說明其照度范圍,否則γ值沒有任何意義。(5-18)返回第四十五頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日前歷效應(yīng)前歷效應(yīng)是指光敏電阻的響應(yīng)特性與工作前的“歷史”有關(guān)的一種現(xiàn)象。前歷效應(yīng)有暗態(tài)前歷效應(yīng)與亮態(tài)前歷效應(yīng)之分。暗態(tài)前歷效應(yīng)是指光敏電阻測試或工作前處于暗態(tài),當(dāng)它突然受到光照后表現(xiàn)為暗態(tài)前歷越長，光電流上升越慢。一般情況下，工作電壓越低，光照度越低，則暗態(tài)前歷效應(yīng)就越嚴(yán)重。5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件第四十六頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日硫化鎘的暗態(tài)前歷效應(yīng)曲線如圖所示5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件第四十七頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日

亮態(tài)前歷效應(yīng)是指光敏電阻測試或工作前已處于亮態(tài)，當(dāng)照度于工作時所要達(dá)到的照度不同時，所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象，其效應(yīng)曲線如圖所示。一般情況5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件下，亮電阻由高照度狀態(tài)變?yōu)榈驼斩葼顟B(tài)達(dá)到穩(wěn)定值時所需的時間，要比低照度狀態(tài)變?yōu)楦哒斩葼顟B(tài)時短。返回第四十八頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日溫度特性光敏電阻的溫度特性很復(fù)雜,在一定的照度下,亮電阻的溫度系數(shù)α有正有負(fù),其計算式為5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件R1、R2分別為與溫度T1、T2相對應(yīng)的亮電阻。(5-19)第四十九頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日溫度對光譜響應(yīng)也有影響。一般說,光譜特性主要決定于材料，材料的禁帶寬度越窄則對長波越敏感。但禁帶很窄時,半導(dǎo)體中熱激發(fā)也會使自由載流子濃5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件度增加,使復(fù)合運(yùn)動加快,靈敏度降低。因此,采取冷卻靈敏面的辦法來提高靈敏度往往是很有效的。如圖所示。第五十頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日硫化鎘單晶和多晶光敏電阻的溫度特性如圖所示。5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件第五十一頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日光敏電阻的特性參數(shù)列表5.2光敏電阻的主要特性參數(shù)第五章光電導(dǎo)器件返回第五十二頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日偏置電路如圖是光敏電阻的原理電路圖。其中：Rp為光敏電阻；RL為負(fù)載電阻；Ub為偏置電壓；U為光敏電阻兩端電壓。5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件第五十三頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日在一定光照范圍內(nèi)光敏電阻阻值不隨外電壓改變,僅取決于輸入光通量Φ或光照度E,當(dāng)忽略暗電導(dǎo),則5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件或因為即第五十四頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日對上式求導(dǎo),得5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件所以式中負(fù)號的物理意義,是指電阻值隨光照度的增加而減小。(5-20)第五十五頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日Φ變化時,流過光敏電阻的電流和兩端的電壓都在變。設(shè)光通量變化ΔΦ時,電阻變化ΔRp,電流變化ΔI,則有5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件下圖中畫出了在不同的光照Φ1、Φ2、Φ3下光敏電阻的伏安特性曲線和負(fù)載線。由圖可見,當(dāng)光通量(5-21)第五十六頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日設(shè)光通量變化ΔΦ時,電阻變化ΔRp,電流變化ΔI,則有5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件(5-21)可得第五十七頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日所以輸出電流的變化為5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件輸出電壓的變化為(5-22)(5-23)返回可見負(fù)載電流和電壓的變化近似地與光通量的變化成正比。第五十八頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日噪聲等效電路光敏電阻接入電路中時也會產(chǎn)生噪聲和相應(yīng)的噪聲電流,它的噪聲主要有3種:——產(chǎn)生-復(fù)合噪聲；——熱噪聲；——1/f噪聲。5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件第五十九頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件相應(yīng)的噪聲電流也有三種?！a(chǎn)生-復(fù)合噪聲電流ingr；——熱噪聲電流int；——1/f噪聲電流inf

。由于3種噪聲互相獨立,所以光敏電阻總的噪聲電流的均方值為第六十頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日光敏電阻若接收調(diào)制輻射,其噪聲的等效電路如圖所示。圖中ip為光電流。5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件第六十一頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日光敏電阻的噪聲合成頻譜如圖,頻率低于100Hz時以1/f噪聲為主,頻率在100Hz和1000Hz之間以產(chǎn)生-復(fù)合噪聲為主,頻率在1000Hz以上以熱噪聲為主。5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件第六十二頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日可見,將調(diào)制頻率取得高一些就可以減小噪聲,頻率在800~1000Hz時可以消除1/f噪聲和產(chǎn)生-復(fù)合噪聲。還可以采用致冷裝置降低器件的溫度，以降低熱噪聲。*5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件返回第六十三頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日光敏電阻的變換電路5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件1.恒流電路返回2.恒壓電路3.舉例第六十四頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日恒流電路在簡單偏置電路中,當(dāng)RL>>Rp時,流過光敏電阻的電流基本不變,此時的偏置電路稱為恒流電路。然而,光敏電阻自身的阻值已經(jīng)很高,若再滿足恒流偏置條件,就難以滿足電路輸出阻抗的要求,為此,可引入如圖所示的晶體管恒流偏置電路。

5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件第六十五頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日電路中穩(wěn)壓管VDw用于穩(wěn)定晶體三極管的基極電壓,即UB=UW，流過晶體三極管發(fā)射極的電流為5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件式中,Uw為穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值，Ube為三極管發(fā)射結(jié)電壓,在三極管處于放大狀態(tài)時基本為恒定值，Re為固定電阻。因此,發(fā)射極的電流Ie為恒定電流。三極管在放大狀態(tài)下集電極電流與發(fā)射極電流近似相等,所以流過光敏電阻的電流為恒流。第六十六頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日在晶體管恒流偏置電路中,輸出電壓為5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件求微分得

由于gp=1/RP=SgEV，dRP=-SgRP2dEV，代入上式得第六十七頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日顯然,恒流偏置電路的電壓靈敏度為5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件與光敏電阻阻值的平方成正比,與光電導(dǎo)靈敏度成正比?；蚍祷氐诹隧?，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日恒壓電路簡單偏置電路很難構(gòu)成恒壓偏置電路。但是,利用晶體三極管很容易構(gòu)成光敏電阻的恒壓偏置電路。如圖所示為典型的光敏電阻恒壓偏置電路。5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件第六十九頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日光敏電阻在恒壓偏置電路的情況下,其輸出的電流Ip與處于放大狀態(tài)的三極管發(fā)射極電流Ic近似相等。因此,恒壓偏置電路的輸出電壓為5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件對上式取微分,則得到輸出電壓的變化量為說明恒壓偏置電路的輸出信號電壓與光敏電阻的阻值R無關(guān)。返回第七十頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日舉例例1在如圖所示的恒流偏置電路中,已知Ubb=12V，Rb=820Ω，Re=3.3KΩ，穩(wěn)壓二極管的輸出電壓為4V，光照度為40lx時輸出電壓為6V，80lx時為8V。設(shè)光敏電阻在30~100lx之間的γ值不變。試求:(1)輸出電壓為7V時的照度。(2)該電路的電壓靈敏度(V/lx)。5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件第七十一頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日解：根據(jù)圖所示的恒流偏置電路中所給的已知條件,當(dāng)Uw=4V時，流過三極管發(fā)射極電阻的電流

5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件這是恒流偏置電路的基本工作狀況第七十二頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件(1)根據(jù)題目給定的在不同光照情況下輸出電壓的條件,可以得到不同光照下光敏電阻的阻值光照度為40lx時光照度為80lx時第七十三頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日將RP1與RP2的值代入光敏電阻的光電特性公式,得到光照度在40~80lx時的光電特性5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件輸出電壓為7V時光敏電阻的阻值應(yīng)為依據(jù)光照特性第七十四頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日可得5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件解得(2)電路的電壓靈敏度為第七十五頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日例2在如圖所示的恒壓偏置電路中,已知VDW為穩(wěn)壓管,其穩(wěn)壓值為6V,設(shè)Rb=1kΩ,Rc=510Ω,

Ubb=12V。當(dāng)CdS光敏電阻光敏面上的照度為150lx時,輸出電壓為10V;照度為450lx時,輸出電壓為8V。試計算輸出電壓為9V時的照度(設(shè)光敏電阻在100~500lx的γ值不變)。照度為500lx時的輸出電壓為多少?5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件第七十六頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日解:分析電路可知,三極管的基極被穩(wěn)定在6V。光照度為150lx時流過光敏電阻的電流5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件光敏電阻的阻值為第七十七頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日同樣,照度為450lx時,流過光敏電阻的電流與光敏電阻的阻值分別為5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件由于光敏電阻在100一500lx間的γ值不變,因此可得第七十八頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日當(dāng)輸出電壓為9V時,流過光敏電阻的電流及光敏電阻的阻值分別為5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件設(shè)輸出電壓為9V時的入射照度為E3,則有第七十九頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日由γ值的計算公式可以得到照度為500lx時,R4=634Ω,I4=8.36mA。從而得到此時的輸出電壓5.3光敏電阻的偏置電路和噪聲第五章光電導(dǎo)器件即在500lx的照度下恒壓偏置電路的輸出電壓為6.7V。得到返回解得第八十頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日光敏電阻的特點光敏電阻主要有以下優(yōu)點：（1）光譜響應(yīng)范圍寬,尤其是對紅光和紅外輻射有較高的響應(yīng)度;5.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件（2）光敏電阻沒有極性,使用方便；而結(jié)型光電器件有確定的正負(fù)極性。（3）偏置電壓低,工作電流大;（4）動態(tài)范圍寬,既可測強(qiáng)光,也可測弱光;第八十一頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日（5）光電特性一致性好;（6）價格低廉。5.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件返回缺點：1）光電弛豫過程長，頻率特性較差；2）靈敏度較低；3）光電特性受溫度影響較大；4）強(qiáng)光時，線性度較差；5）含污染環(huán)境的物質(zhì)。第八十二頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日5.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件光敏電阻使用時的注意事項1.線性2.光度量測量校正3.提高靈敏度的措施4.溫度影響5.頻帶寬度與增益6.額定功耗7.前歷效應(yīng)8.器件選用返回第八十三頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日線性用于模擬量測量時,因光照指數(shù)γ與光照強(qiáng)弱有關(guān),只有在弱光照射下光電流與入射輻射通量成線性關(guān)系。*返回5.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件第八十四頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日光度量測量校正用于測光的光源光譜特性必須與光敏電阻的光敏特性匹配；當(dāng)用于光度量測試時,必須對光譜特性曲線進(jìn)行修正,保證其與人眼的光譜光視效率曲線符合。*返回5.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件第八十五頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日提高靈敏度的措施光敏電阻的光譜特性與溫度有關(guān),溫度低時,靈敏范圍和峰值波長都向長波方向移動,可采取冷卻靈敏面的辦法來提高光敏電阻在長波區(qū)的靈敏度。*返回5.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件第八十六頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日溫度影響光敏電阻的溫度特性很復(fù)雜,電阻溫度系數(shù)有正有負(fù)。一般來說,光敏電阻不適于在高溫下使用,溫度高時輸出將明顯減小,甚至無輸出。*返回5.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件第八十七頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日光敏電阻頻帶寬度都比較窄,在室溫下只有少數(shù)品種能超過1000Hz,而且光電增益與帶寬之積為一常量,如要求帶寬較寬,必須以犧牲靈敏度為代價。*返回5.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件頻帶寬度與增益第八十八頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日額定功耗設(shè)計負(fù)載電阻時,應(yīng)考慮到光敏電阻的額定功耗,負(fù)載電阻值不能很小,防止使光敏電阻的電參數(shù)（電壓、功耗）超過允許值。*返回5.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件第八十九頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日前歷效應(yīng)進(jìn)行動態(tài)設(shè)計時,應(yīng)意識到光敏電阻的前歷效應(yīng)。*返回5.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件第九十頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日器件選用根據(jù)不同用途，選用不同特性的光敏電阻。

用于數(shù)字信息傳輸時，宜選用亮電阻與暗電阻差別大的、且其光照指數(shù)γ較大的光敏電阻；用于模擬信息過程時，以選用γ值小的光敏電阻為好，因為這種光敏電阻的線形特性好。返回5.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件第九十一頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日5.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件常見光敏電阻1.硫化鎘(CdS)光敏電阻返回2.硫化鉛(PbS)光敏電阻3.銻化銦(InSb)光敏電阻4.碲鎘汞(HgcdTe)系列光敏電阻5.碲錫鉛(PbSnTe）系列光敏電阻第九十二頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日

CdS光敏電阻的峰值波長為0.52μm。若在CdS中摻入微量雜質(zhì)銅和氯,峰值波長變長,光譜響應(yīng)將向遠(yuǎn)紅外區(qū)域延伸。CdS光敏電阻的亮暗電導(dǎo)比在10lx照度上可達(dá)1011(一般約為106),它的時間常數(shù)與入射照度有關(guān),在100lx下約為幾十毫秒。CdS光敏電阻是可見波段內(nèi)最靈敏的光電導(dǎo)器件,被廣泛地用于燈光自動控制、自動調(diào)光調(diào)焦和自動照相機(jī)中。5.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件硫化鎘(CdS)光敏電阻返回第九十三頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日

PbS光敏電阻是近紅外波段最靈敏的光電導(dǎo)探測器件。在室溫下工作時

響應(yīng)波長可達(dá)3μm；

峰值探測率Dλ*=1.5×1011cm–Hz1/2/W。響應(yīng)時間,在室溫條件下為100一300μs。5.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件硫化鉛(PbS)光敏電阻返回第九十四頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日室溫下：

長波限可達(dá)7.5μm；

峰值探測率Dλ*=1.2×109cm·Hz1/2/W；

時間常數(shù)為2×10-2μs。冷卻至0℃時,D*可提高2~3倍。5.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件銻化銦(InSb)光敏電阻返回第九十五頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日

Hg(1-x)cdxTe系列光敏電阻是目前所有探測器中性能最優(yōu)良、最有前途的一種,它由化合物CdTe和HgTe兩種材料混合而成,其中x是Cd含量的組分比例,決定其敏感范圍。常用的有1~3μm、3~5μm、8~14μm這3種波長范圍的探測器,例如Hg0.8Cd0.2Te探測器,光譜響應(yīng)在大氣窗口8~14μm之間,峰值波長為10.6μm,可與CO2激光器的激光波長相匹配。Hg0.72Cd0.28Te探測器的光譜響應(yīng)范圍為3~5μm。5.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件碲鎘汞(HgcdTe)系列光敏電阻返回第九十六頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日

Pb1-xSnxTe系列光敏電阻由PbTc和SnTe兩種材料混合而成,其中x是Sn的組分含量。組分比例不同,峰值波長及長波限也隨之改變。碲錫鉛(PbSnTe)系列光敏電阻目前能在8~10μm波段工作,由于探測率較低,應(yīng)用不廣泛。5.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件碲錫鉛(PbSnTe）系列光敏電阻返回第九十七頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日5.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件光敏電阻的應(yīng)用1.火焰檢測報警器返回2.照相機(jī)電子快門3.照明燈的光電控制電路4.太陽能自動跟蹤控制器第九十八頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日如圖所示為采用光敏電阻作為檢測元件的火焰檢測報警器電路圖。5.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件火焰檢測報警器第九十九頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日

PbS光敏電阻的暗電阻為1MΩ,亮電阻的阻值為0.2MΩ。由V1、電阻R1、R2和穩(wěn)壓二極管VDW構(gòu)成對光敏電阻R3的恒壓偏置電路。恒壓偏置電路具有更換光敏電阻方便的特點,只要保證光電導(dǎo)靈敏度Sg不變,輸出電路的電壓靈敏度就不會因為更換光敏電阻的阻值而改變,從而使前置放大器的輸出信號穩(wěn)定。當(dāng)被檢測物體的溫度高于燃點或被點燃處發(fā)生火災(zāi)時,物體將發(fā)生波長接近于2.2μm的輻射(或“跳變”的火焰信號)。5.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件第一百頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日該輻射光將被PbS光敏電阻R3接收,使前置放大器的輸出跟隨火焰“跳變”的信號,并經(jīng)電容C2耦合,送給由V2、V3組成的高輸入阻抗放大器放大?；鹧娴摹疤儭毙盘柋环糯蠛笏徒o控制檢測中心的放大器,并由控制檢測中心發(fā)出火災(zāi)警報信號或執(zhí)行滅火動作,如噴淋出水或滅火泡沫。5.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件返回第一百零一頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日

如圖所示為利用光敏電阻構(gòu)成的照相機(jī)自動曝光控制電路,也稱為照相機(jī)的電子快門。5.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件照相機(jī)電子快門第一百零二頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日電子快門常用于電子程序快門的照相機(jī)中,其中測光器件常采用與人眼光譜響應(yīng)接近的硫化鎘(CdS)光敏電阻。照相機(jī)曝光控制電路是由光敏電阻R、開關(guān)K和電容C1構(gòu)成的充電電路,時間檢出電路(電壓比較器)、三極管V構(gòu)成的驅(qū)動放大電路和電磁鐵M帶動的開門葉片(執(zhí)行單元)等組成。5.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件第一百零三頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日在初始狀態(tài),開關(guān)K處于圖中所示的位置,電壓比較器的正輸入端的電位為R1與RP1對電源電壓Ubb分壓所得的閾值電壓Uth(一般為1~1.5V),而電壓比較器的負(fù)輸入端的電位UR近似為電源電位Ubb,顯然電壓比較器負(fù)輸入端的電位高于正輸入端的電位,比較器輸出為低電平,三極管截止,電磁鐵不吸合,開門葉片閉合。5.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件第一百零四頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日當(dāng)按動快門的按鈕時,開關(guān)K與由光敏電阻R及RP2構(gòu)成的測光與充電電路接通,這時,電容C1兩端的電壓UC為0。由于電壓比較器的負(fù)輸入端的電位低于正輸入端而使其輸出為高電平,使三極管V導(dǎo)通,電磁鐵將帶動快門的葉片打開快門,照相機(jī)開始曝光?？扉T打開的同時,電源Ubb通過電位器RP2與光敏電阻RP2向電容C1充電,且充電的速度取決于景物的照度,景物照度愈高,則光敏電阻R的阻值愈低,充電速度愈快，從而實現(xiàn)照相機(jī)曝光時間的自動控制。5.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件第一百零五頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期日5.4

光敏電阻的特點和應(yīng)用第五章光電導(dǎo)器件UR的變化規(guī)律可由電容C的充電規(guī)律得到：式中，τ=（RP2+R）C1，為電路的時間常數(shù)；而光敏電阻的阻值R與入射的光照度EV有關(guān)。由光照特性得第一百零六