第8章 光电式11光敏电阻

1、 第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 （photoelectricity style sensor） 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.2 8.2 光纤传感器光纤传感器光电式传感器是将被测量的变化转换成光电式传感器是将被测量的变化转换成光光信号的变化，再通过光电器件把光信号信号的变化，再通过光电器件把光信号的变化转换成电信号的一种传感器。的变化转换成电信号的一种传感器。光源光源光学通路光学通路光量光量光量光量光电元件光电元件电量电量电量输出电量输出测量电路测量电路 8.1 光电器件光电器件 1. 外外光电效应光电效应 E = h h=6.62610-34(Js) 光的频率（光的频率（

2、s-1） 在光线作用下，物体内的电子在光线作用下，物体内的电子逸出逸出物体表面物体表面向外发射向外发射的现象称为外光电效的现象称为外光电效应。应。 向外发射的电子叫向外发射的电子叫光电子。光电子。 （photoelectron） 基于外光电效应的光电器件：基于外光电效应的光电器件： 光电管光电管 光电倍增管。光电倍增管。 爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程20012hvmvA 2. 内光电效应内光电效应 在光线作用下，物体的在光线作用下，物体的导电性能导电性能发发生变化或产生光生生变化或产生光生电动势电动势的效应称为内的效应称为内光电效应。光电效应。 （1） 光电导效应光电导效应 在光线

3、作用下，半导体材料吸收了在光线作用下，半导体材料吸收了入射光子能量，入射光子能量， 若光子的能量足够大，就会激发出若光子的能量足够大，就会激发出电子空穴对，使载流子浓度增加，电子空穴对，使载流子浓度增加， 半导体的导电性增加，阻值减低，半导体的导电性增加，阻值减低，称为光电导效应。称为光电导效应。 例如：例如：光敏电阻光敏电阻。 （2） 光生伏特效应光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。应。 例如例如光电池光电池。 8.1.1 光敏电阻光敏电阻 1. 光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻的结

4、构与工作原理 光敏电阻又称光敏电阻又称光导管光导管，它几乎都是，它几乎都是用用半导体材料半导体材料制成的光电器件。制成的光电器件。 光敏电阻光敏电阻没有极性没有极性，纯粹是一个电，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加阻器件，使用时既可加直流电压直流电压，也可，也可以加以加交流电压交流电压。 无光照时，光敏电阻值（暗电阻）无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。很大，电路中电流（暗电流）很小。 当光敏电阻受到当光敏电阻受到一定波长范围一定波长范围的光的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电流迅速增大。电流迅速增大。 一般希望暗电阻越大越好，一般

5、希望暗电阻越大越好， 亮电阻越小越好，亮电阻越小越好， 此时光敏电阻的灵敏度高。此时光敏电阻的灵敏度高。 暗电阻值一般在暗电阻值一般在兆欧量级兆欧量级， 亮电阻值在亮电阻值在几千欧几千欧以下。以下。 光敏电阻的结构很简单，光敏电阻的结构很简单， 图图8-2（a）为金属封装的）为金属封装的硫化镉硫化镉光光敏电阻的结构图。敏电阻的结构图。 光敏电阻结构 (a) 光敏电阻结构； (b) 光敏电阻电极； (c) 光敏电阻接线图金属电极半导体玻璃底板电源检流计RLEI(a)(b)(c)Ra金 属 电 极半 导 体玻 璃 底 板电 源检 流 计RLEI( a )( b )( c )Ra 在玻璃底板上均匀地

6、涂上一层薄薄在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，称为的半导体物质，称为光导层光导层。 半导体的两端装有金属电极，金属半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻通过电极与引出线端相连接，光敏电阻通过引出线端接入电路。引出线端接入电路。 为了防止周围介质的影响，在半导为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层体光敏层上覆盖了一层漆膜漆膜， 漆膜的成分应使它在光敏层最敏感漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。的波长范围内透射率最大。 为了提高灵敏度，光敏电阻的电极为了提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案。一般采用梳状图案。金 属 电 极半 导

7、体玻 璃 底 板电 源检 流 计RLEI( a )( b )( c )Ra金 属 电 极半 导 体玻 璃 底 板电 源检 流 计RLEI( a )( b )( c )Ra 2. 光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数 (1) 暗电阻与暗电流暗电阻与暗电流 光敏电阻在不受光照射时的阻值称光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。 (2) 亮电阻与亮电流亮电阻与亮电流 光敏电阻在受光照射时的电阻称为光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。 (3) 光电流光电流 亮电流亮电流与与暗电流

8、暗电流之差称为光电流。之差称为光电流。 3. 光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性 (1) 伏安特性伏安特性 在一定在一定照度照度下，流过光敏电阻的电下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。敏电阻的伏安特性。 图图8-3为硫化镉光敏电阻的伏安特性为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。曲线。 硫化镉光敏电阻的伏安特性 403020100I / mA10010001 x500 mW1001 x功率200U / V101 x 光敏电阻在一定电压范围内，光敏电阻在一定电压范围内， 其其 IU 曲线为直线。曲线为直线。 电阻值与入射光量有关，而

9、与电压电阻值与入射光量有关，而与电压电流无关。电流无关。 （2）光照特性）光照特性 光敏电阻的光照特性是描述光电流光敏电阻的光照特性是描述光电流 I 和光照强度之间的关系。和光照强度之间的关系。 不同材料的光照特性是不同的，绝不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是大多数光敏电阻光照特性是非线性非线性的。的。 图图8-4为硫化镉光敏电阻的光照特性。为硫化镉光敏电阻的光照特性。 光敏电阻的光照特性 0.050.100.150.200.250.300.350.4000.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4I / mA / lm (3) 光谱特性光谱特性 光敏电阻对入射光

10、的光谱具有选择光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。有不同的灵敏度。 光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。亦称为光谱响应。 图图8-5 为几种不同材料光敏电阻的为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。光谱特性。 光敏电阻的光谱特性 Sr / (%) / A2040608010001.53硫 化 铅硫 化 铊硫 化 镉 铊铊 t 一种金属元素，用来制造一种金属元素，用来制造： 光电管光电管 低温温度计低温温度计 光学玻璃

11、等。光学玻璃等。 它的盐类有毒，用于医药。它的盐类有毒，用于医药。 光敏电阻的光谱特性 Sr / (%) / A2040608010001.53硫 化 铅硫 化 铊硫 化 镉 对应于不同的波长，光敏电阻的对应于不同的波长，光敏电阻的灵敏度不同，灵敏度不同， 而且不同材料的光敏电阻光谱响而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。应曲线也不同。 硫化镉硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域，常被用作光度量测量在可见光区域，常被用作光度量测量（照度计）的探头。（照度计）的探头。 硫化铅光敏电阻响应于近红外和中硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区，常用做火焰探测器的探头。红

12、外区，常用做火焰探测器的探头。 （4） 频率特性频率特性 光敏电阻的光电流不能随着光强改光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化。变而立刻变化。 即光敏电阻产生的光电流有一定的即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性惰性，这种惰性通常用时间常数表示。，这种惰性通常用时间常数表示。 大多数的光敏电阻时间常数都较大。大多数的光敏电阻时间常数都较大。 这是它的缺点之一。这是它的缺点之一。 不同材料的光敏电阻具有不同的时不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数（间常数（毫秒毫秒数量级），因而它们的频数量级），因而它们的频率特性也就各不相同。率特性也就各不相同。 图图8-6为硫化镉和硫化铅光敏电阻的为硫化镉和硫

13、化铅光敏电阻的频率特性，相比较，硫化铅的使用频率频率特性，相比较，硫化铅的使用频率范围较大。范围较大。 光敏电阻的频率特性 100806040200101001 000 10 000硫 化 镉硫 化 铅S /( %)f / Hz (5) 温度特性温度特性 光敏电阻和其它半导体器件一样，光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。受温度影响较大。 温度变化时，影响光谱响应，同时温度变化时，影响光谱响应，同时灵敏度和暗电阻也随之改变，灵敏度和暗电阻也随之改变， 尤其是响应于尤其是响应于红外区红外区的的硫化铅硫化铅光敏光敏电阻受温度影响更大。电阻受温度影响更大。 图图8-7为硫化铅光敏电阻的光谱温

14、为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线。度特性曲线。图 8-6 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 1.02.03.04.0020406080100 20 20 / mS / (%) 它的峰值随着温度上升向波长它的峰值随着温度上升向波长短短的的方向移动。方向移动。 因此，硫化铅光敏电阻要在低温、因此，硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。恒温的条件下使用。 对于可见光的光敏电阻，对于可见光的光敏电阻， 其温度影其温度影响要小一些。响要小一些。 光敏电阻具有光谱特性好、允许的光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点，所以应用广泛。积小等优点，所以应用广泛。 此外许多光敏电阻对红外线敏感，此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。适宜于红外线光谱区工作。 光敏电阻的缺点