光電技術(shù)創(chuàng)新綜合實(shí)驗(yàn)儀

光敏電阻實(shí)驗(yàn)

光敏電阻的工作原理及結(jié)構(gòu)認(rèn)知

某些物質(zhì)吸收光子的能量產(chǎn)生本征吸收或雜質(zhì)吸收，從而改變物質(zhì)電導(dǎo)率的現(xiàn)象，稱為物質(zhì)的光電導(dǎo)效應(yīng)。利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的材料可以制成電導(dǎo)率隨入射光度量變化的器件，稱為光電導(dǎo)器件或光敏電阻。

光敏電阻具有體積小、堅(jiān)固耐用、價(jià)格低廉、光譜響應(yīng)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用與微弱輻射信號(hào)的探測(cè)領(lǐng)域。

1、光敏電阻的結(jié)構(gòu)

通常，光敏電阻器都制成薄片結(jié)構(gòu)，以便吸收更多的光能。在底板上均勻地涂上一層薄薄的半導(dǎo)體物質(zhì)，稱為光導(dǎo)層。半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極與引出線端相連接，通過(guò)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漆膜，漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長(zhǎng)范圍內(nèi)透射率。為了提高靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案，它是在一定的掩膜下向光電導(dǎo)薄膜上層鍍金或銦等金屬形成的。

（a）光敏電阻結(jié)構(gòu)             （b）光敏電阻電極          （c）接線圖

2、光敏電阻的主要參數(shù)與特性

根據(jù)光敏電阻的光譜特性，可分為三種光敏電阻器：

紫外光敏電阻：對(duì)紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等，用于探測(cè)紫外線。

紅外光敏電阻：主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛。銻化銦等光敏電阻器，廣泛用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、天文探測(cè)、非接觸測(cè)量、人體病變探測(cè)、紅外光譜，紅外通信等國(guó)防、科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

可見光光敏電阻：包括硒、硫化鎘、硒化鎘、硅、砷化鎵、硫化鋅光敏電阻器等。主要用于各種光電控制系統(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”，極薄零件的厚度檢測(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。

光敏電阻的主要參數(shù)是：

（1）光電流、亮電阻。光敏電阻器在一定的外加電壓下，當(dāng)有光照射時(shí)，流過(guò)的電流稱為光電流，外加電壓與光電流之比稱為亮電阻。

（2）暗電流、暗電阻。光敏電阻在一定的外加電壓下，當(dāng)沒(méi)有光照射的時(shí)候，流過(guò)的電流稱為暗電流，外加電壓與暗電流之比稱為暗電阻。

（3）靈敏度。靈敏度是指光敏電阻不受光照射時(shí)的電阻值（暗電阻）與受光照射時(shí)的電阻值（亮電阻）的相對(duì)變化值。

（4）光譜響應(yīng)。光譜響應(yīng)又稱光譜靈敏度，是指光敏電阻在不同波長(zhǎng)的單色光照射下的靈敏度。若將不同波長(zhǎng)下的靈敏度畫成曲線，就可以得到光譜響應(yīng)的曲線。

（5）光照特性。光照特性指光敏電阻輸出的電信號(hào)隨光照度而變化的特性。從光敏電阻的光照特性曲線可以看出，隨著的光照強(qiáng)度的增加，光敏電阻的阻值開始迅速下降。若進(jìn)一步增大光照強(qiáng)度，則電阻值變化減小，然后逐漸趨向平緩。在大多數(shù)情況下，該特性為非線性。

（6）伏安特性曲線。伏安特性曲線用來(lái)描述光敏電阻的外加電壓與光電流的關(guān)系，對(duì)于光敏器件來(lái)說(shuō)，其光電流隨外加電壓的增大而增大。

（7）溫度系數(shù)。光敏電阻的光電效應(yīng)受溫度影響較大，部分光敏電阻在低溫下的光電靈敏較高，而在高溫下的靈敏度則較低。

（8）額定功率。額定功率是指光敏電阻用于某種線路中所允許消耗的功率，當(dāng)溫度升高時(shí)，其消耗的功率就降低。

3、光敏電阻的工作原理

所謂光電導(dǎo)效應(yīng)是指半導(dǎo)體受光照射后，其內(nèi)部產(chǎn)生載流子，使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減小的現(xiàn)象。

在本征半導(dǎo)體中，電子未獲得其它能量之前處于基態(tài)，價(jià)帶充滿著電子，導(dǎo)帶沒(méi)有電子，而因晶體缺陷產(chǎn)生的能級(jí)又不能激發(fā)自由電子時(shí)，則這些材料的電阻是較大的。但是，如果這些材料內(nèi)的電子受到一種外來(lái)能量如光子的激發(fā)，且這種激發(fā)又能使電子獲得足夠的能量越過(guò)禁帶而躍入導(dǎo)帶的話，則材料中就會(huì)產(chǎn)生大量的電子及空穴（光生載流子）參與導(dǎo)電，因而材料的電阻就相應(yīng)減小。這是由本征光吸收所引起的光電導(dǎo)效應(yīng)，這種光電導(dǎo)效應(yīng)的長(zhǎng)波閾值可由式（um）給出。顯然，禁帶寬度是確定光波波長(zhǎng)的因素，當(dāng)超過(guò)長(zhǎng)波閾值的光波射到半導(dǎo)體材料上時(shí)會(huì)產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)。此外，產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)的材料還有一個(gè)短波閾值，它由價(jià)帶底邊和導(dǎo)帶頂邊之間的能量差決定，當(dāng)入射光波長(zhǎng)超出短波閾值時(shí)，光子能量就會(huì)使電子躍出導(dǎo)帶頂。不過(guò)，有時(shí)也不完全如此，光子往往因相互競(jìng)爭(zhēng)在未到達(dá)這個(gè)極限時(shí)就衰退了。

在摻雜半導(dǎo)體中，除了本征光電導(dǎo)外，還存在雜質(zhì)光電導(dǎo)。對(duì)P型半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，由于其受主能帶接近價(jià)帶，所以價(jià)帶中的電子很容易從光子吸收能量躍入受主能帶，使價(jià)帶產(chǎn)生空穴參與導(dǎo)電。對(duì)N型半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，由于其施主能帶靠近導(dǎo)帶很近，所以施主能帶中的電子很容易從光子獲得足夠的能量進(jìn)入導(dǎo)帶而參與導(dǎo)電。這是由雜質(zhì)吸收所產(chǎn)生的雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)。但應(yīng)該指出，由于摻入半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子數(shù)目比起半導(dǎo)體本來(lái)的原子數(shù)目要少得多，所以雜質(zhì)光電導(dǎo)比本征光電導(dǎo)微弱。當(dāng)光子能量大時(shí)易于發(fā)生本征光電導(dǎo)；光子能量小時(shí)易于發(fā)生雜質(zhì)光電導(dǎo)。這是由于發(fā)生本征光電導(dǎo)時(shí)電子從價(jià)帶穿越禁帶而躍入導(dǎo)帶，而雜質(zhì)光電導(dǎo)時(shí)施主能帶電子躍入導(dǎo)帶和價(jià)帶電子躍入受主能帶。

光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。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。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影響其靈敏度。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當(dāng)受到光照時(shí)，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價(jià)帶中的電子吸收一個(gè)光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價(jià)帶中產(chǎn)生一個(gè)帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強(qiáng)，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)將復(fù)合，光敏電阻的阻值也就恢復(fù)原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過(guò)，受到波長(zhǎng)的光線照射時(shí)，電流就會(huì)隨光強(qiáng)的增強(qiáng)而變大，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。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，也加交流電壓。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。

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)，暗電流要小，光電流要大，這樣的光敏電阻的靈敏度就高。實(shí)際上，大多數(shù)光敏電阻的暗電阻往往超過(guò)1MΩ，甚至高達(dá)100MΩ，而亮電阻即使在正常白晝條件下也可降到1kΩ以下，可見光敏電阻的靈敏度是相當(dāng)高的。

4、光敏電阻的應(yīng)用

光敏電阻屬半導(dǎo)體光敏器件，除具靈敏度高，反應(yīng)速度快，光譜特性及r值一致性好等特點(diǎn)外，在高溫，多濕的惡劣環(huán)境下，還能保持高度的穩(wěn)定性和可靠性，可廣泛應(yīng)用于照相機(jī)，太陽(yáng)能庭院燈，草坪燈，驗(yàn)鈔機(jī)，石英鐘，音樂(lè)杯，禮品盒，迷你小夜燈，光聲控開關(guān)，路燈自動(dòng)開關(guān)以及各種光控玩具，光控?zé)麸棧瑹艟叩裙庾詣?dòng)開關(guān)控制領(lǐng)域。