第8章光電式11光敏電阻

1、 第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 （photoelectricity style sensor） 8.1 8.1 光電器件光電器件 8.2 8.2 光纖傳感器光纖傳感器光電式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光電式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光光信號(hào)的變化，再通過(guò)光電器件把光信號(hào)信號(hào)的變化，再通過(guò)光電器件把光信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。光源光源光學(xué)通路光學(xué)通路光量光量光量光量光電元件光電元件電量電量電量輸出電量輸出測(cè)量電路測(cè)量電路 8.1 光電器件光電器件 1. 外外光電效應(yīng)光電效應(yīng) E = h h=6.62610-34(Js) 光的頻率（光的頻率（

2、s-1） 在光線作用下，物體內(nèi)的電子在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出逸出物體表面物體表面向外發(fā)射向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。應(yīng)。 向外發(fā)射的電子叫向外發(fā)射的電子叫光電子。光電子。 （photoelectron） 基于外光電效應(yīng)的光電器件：基于外光電效應(yīng)的光電器件： 光電管光電管 光電倍增管。光電倍增管。 愛因斯坦光電效應(yīng)方程愛因斯坦光電效應(yīng)方程20012hvmvA 2. 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 在光線作用下，物體的在光線作用下，物體的導(dǎo)電性能導(dǎo)電性能發(fā)發(fā)生變化或產(chǎn)生光生生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)稱為內(nèi)的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。光電效應(yīng)。 （1） 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 在光線

3、作用下，半導(dǎo)體材料吸收了在光線作用下，半導(dǎo)體材料吸收了入射光子能量，入射光子能量， 若光子的能量足夠大，就會(huì)激發(fā)出若光子的能量足夠大，就會(huì)激發(fā)出電子空穴對(duì)，使載流子濃度增加，電子空穴對(duì)，使載流子濃度增加， 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，阻值減低，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，阻值減低，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。 例如：例如：光敏電阻光敏電阻。 （2） 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。應(yīng)。 例如例如光電池光電池。 8.1.1 光敏電阻光敏電阻 1. 光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理光敏電阻的結(jié)

4、構(gòu)與工作原理 光敏電阻又稱光敏電阻又稱光導(dǎo)管光導(dǎo)管，它幾乎都是，它幾乎都是用用半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料制成的光電器件。制成的光電器件。 光敏電阻光敏電阻沒有極性沒有極性，純粹是一個(gè)電，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓直流電壓，也可，也可以加以加交流電壓交流電壓。 無(wú)光照時(shí)，光敏電阻值（暗電阻）無(wú)光照時(shí)，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。很大，電路中電流（暗電流）很小。 當(dāng)光敏電阻受到當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍一定波長(zhǎng)范圍的光的光照時(shí)，它的阻值（亮電阻）急劇減小，照時(shí)，它的阻值（亮電阻）急劇減小，電流迅速增大。電流迅速增大。 一般希望暗電阻越大越好，一般

5、希望暗電阻越大越好， 亮電阻越小越好，亮電阻越小越好， 此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。 暗電阻值一般在暗電阻值一般在兆歐量級(jí)兆歐量級(jí)， 亮電阻值在亮電阻值在幾千歐幾千歐以下。以下。 光敏電阻的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，光敏電阻的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單， 圖圖8-2（a）為金屬封裝的）為金屬封裝的硫化鎘硫化鎘光光敏電阻的結(jié)構(gòu)圖。敏電阻的結(jié)構(gòu)圖。 光敏電阻結(jié)構(gòu) (a) 光敏電阻結(jié)構(gòu)； (b) 光敏電阻電極； (c) 光敏電阻接線圖金屬電極半導(dǎo)體玻璃底板電源檢流計(jì)RLEI(a)(b)(c)Ra金 屬 電 極半 導(dǎo) 體玻 璃 底 板電 源檢 流 計(jì)RLEI( a )( b )( c )Ra 在玻璃底板上均勻地

6、涂上一層薄薄在玻璃底板上均勻地涂上一層薄薄的半導(dǎo)體物質(zhì)，稱為的半導(dǎo)體物質(zhì)，稱為光導(dǎo)層光導(dǎo)層。 半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極，金屬半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極，金屬電極與引出線端相連接，光敏電阻通過(guò)電極與引出線端相連接，光敏電阻通過(guò)引出線端接入電路。引出線端接入電路。 為了防止周圍介質(zhì)的影響，在半導(dǎo)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體光敏層上覆蓋了一層漆膜漆膜， 漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長(zhǎng)范圍內(nèi)透射率最大。的波長(zhǎng)范圍內(nèi)透射率最大。 為了提高靈敏度，光敏電阻的電極為了提高靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案。一般采用梳狀圖案。金 屬 電 極半 導(dǎo)

7、體玻 璃 底 板電 源檢 流 計(jì)RLEI( a )( b )( c )Ra金 屬 電 極半 導(dǎo) 體玻 璃 底 板電 源檢 流 計(jì)RLEI( a )( b )( c )Ra 2. 光敏電阻的主要參數(shù)光敏電阻的主要參數(shù) (1) 暗電阻與暗電流暗電阻與暗電流 光敏電阻在不受光照射時(shí)的阻值稱光敏電阻在不受光照射時(shí)的阻值稱為暗電阻，此時(shí)流過(guò)的電流稱為暗電流。為暗電阻，此時(shí)流過(guò)的電流稱為暗電流。 (2) 亮電阻與亮電流亮電阻與亮電流 光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱為光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻，此時(shí)流過(guò)的電流稱為亮電流。亮電阻，此時(shí)流過(guò)的電流稱為亮電流。 (3) 光電流光電流 亮電流亮電流與與暗電流

8、暗電流之差稱為光電流。之差稱為光電流。 3. 光敏電阻的基本特性光敏電阻的基本特性 (1) 伏安特性伏安特性 在一定在一定照度照度下，流過(guò)光敏電阻的電下，流過(guò)光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱為光流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。敏電阻的伏安特性。 圖圖8-3為硫化鎘光敏電阻的伏安特性為硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線。曲線。 硫化鎘光敏電阻的伏安特性 403020100I / mA10010001 x500 mW1001 x功率200U / V101 x 光敏電阻在一定電壓范圍內(nèi)，光敏電阻在一定電壓范圍內(nèi)， 其其 IU 曲線為直線。曲線為直線。 電阻值與入射光量有關(guān)，而

9、與電壓電阻值與入射光量有關(guān)，而與電壓電流無(wú)關(guān)。電流無(wú)關(guān)。 （2）光照特性）光照特性 光敏電阻的光照特性是描述光電流光敏電阻的光照特性是描述光電流 I 和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系。和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系。 不同材料的光照特性是不同的，絕不同材料的光照特性是不同的，絕大多數(shù)光敏電阻光照特性是大多數(shù)光敏電阻光照特性是非線性非線性的。的。 圖圖8-4為硫化鎘光敏電阻的光照特性。為硫化鎘光敏電阻的光照特性。 光敏電阻的光照特性 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) 光譜特性光譜特性 光敏電阻對(duì)入射光

10、的光譜具有選擇光敏電阻對(duì)入射光的光譜具有選擇作用，即光敏電阻對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光作用，即光敏電阻對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光有不同的靈敏度。有不同的靈敏度。 光敏電阻的相對(duì)光敏靈敏度與入射光敏電阻的相對(duì)光敏靈敏度與入射波長(zhǎng)的關(guān)系稱為光敏電阻的光譜特性，波長(zhǎng)的關(guān)系稱為光敏電阻的光譜特性，亦稱為光譜響應(yīng)。亦稱為光譜響應(yīng)。 圖圖8-5 為幾種不同材料光敏電阻的為幾種不同材料光敏電阻的光譜特性。光譜特性。 光敏電阻的光譜特性 Sr / (%) / A2040608010001.53硫 化 鉛硫 化 鉈硫 化 鎘 鉈鉈 t 一種金屬元素，用來(lái)制造一種金屬元素，用來(lái)制造： 光電管光電管 低溫溫度計(jì)低溫溫度計(jì) 光學(xué)玻璃

11、等。光學(xué)玻璃等。 它的鹽類有毒，用于醫(yī)藥。它的鹽類有毒，用于醫(yī)藥。 光敏電阻的光譜特性 Sr / (%) / A2040608010001.53硫 化 鉛硫 化 鉈硫 化 鎘 對(duì)應(yīng)于不同的波長(zhǎng)，光敏電阻的對(duì)應(yīng)于不同的波長(zhǎng)，光敏電阻的靈敏度不同，靈敏度不同， 而且不同材料的光敏電阻光譜響而且不同材料的光敏電阻光譜響應(yīng)曲線也不同。應(yīng)曲線也不同。 硫化鎘硫化鎘光敏電阻的光譜響應(yīng)的峰值光敏電阻的光譜響應(yīng)的峰值在可見光區(qū)域，常被用作光度量測(cè)量在可見光區(qū)域，常被用作光度量測(cè)量（照度計(jì)）的探頭。（照度計(jì)）的探頭。 硫化鉛光敏電阻響應(yīng)于近紅外和中硫化鉛光敏電阻響應(yīng)于近紅外和中紅外區(qū)，常用做火焰探測(cè)器的探頭。紅

12、外區(qū)，常用做火焰探測(cè)器的探頭。 （4） 頻率特性頻率特性 光敏電阻的光電流不能隨著光強(qiáng)改光敏電阻的光電流不能隨著光強(qiáng)改變而立刻變化。變而立刻變化。 即光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的即光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的惰性惰性，這種惰性通常用時(shí)間常數(shù)表示。，這種惰性通常用時(shí)間常數(shù)表示。 大多數(shù)的光敏電阻時(shí)間常數(shù)都較大。大多數(shù)的光敏電阻時(shí)間常數(shù)都較大。 這是它的缺點(diǎn)之一。這是它的缺點(diǎn)之一。 不同材料的光敏電阻具有不同的時(shí)不同材料的光敏電阻具有不同的時(shí)間常數(shù)（間常數(shù)（毫秒毫秒數(shù)量級(jí)），因而它們的頻數(shù)量級(jí)），因而它們的頻率特性也就各不相同。率特性也就各不相同。 圖圖8-6為硫化鎘和硫化鉛光敏電阻的為硫化鎘和硫

13、化鉛光敏電阻的頻率特性，相比較，硫化鉛的使用頻率頻率特性，相比較，硫化鉛的使用頻率范圍較大。范圍較大。 光敏電阻的頻率特性 100806040200101001 000 10 000硫 化 鎘硫 化 鉛S /( %)f / Hz (5) 溫度特性溫度特性 光敏電阻和其它半導(dǎo)體器件一樣，光敏電阻和其它半導(dǎo)體器件一樣，受溫度影響較大。受溫度影響較大。 溫度變化時(shí)，影響光譜響應(yīng)，同時(shí)溫度變化時(shí)，影響光譜響應(yīng)，同時(shí)靈敏度和暗電阻也隨之改變，靈敏度和暗電阻也隨之改變， 尤其是響應(yīng)于尤其是響應(yīng)于紅外區(qū)紅外區(qū)的的硫化鉛硫化鉛光敏光敏電阻受溫度影響更大。電阻受溫度影響更大。 圖圖8-7為硫化鉛光敏電阻的光譜溫

14、為硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線。度特性曲線。圖 8-6 硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性 1.02.03.04.0020406080100 20 20 / mS / (%) 它的峰值隨著溫度上升向波長(zhǎng)它的峰值隨著溫度上升向波長(zhǎng)短短的的方向移動(dòng)。方向移動(dòng)。 因此，硫化鉛光敏電阻要在低溫、因此，硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。恒溫的條件下使用。 對(duì)于可見光的光敏電阻，對(duì)于可見光的光敏電阻， 其溫度影其溫度影響要小一些。響要小一些。 光敏電阻具有光譜特性好、允許的光敏電阻具有光譜特性好、允許的光電流大、靈敏度高、使用壽命長(zhǎng)、體光電流大、靈敏度高、使用壽命長(zhǎng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用廣泛。積小等優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用廣泛。 此外許多光敏電阻對(duì)紅外線敏感，此外許多光敏電阻對(duì)紅外線敏感，適宜于紅外線光譜區(qū)工作。適宜于紅外線光譜區(qū)工作。 光敏電阻的缺點(diǎn)