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光电技术创新综合实验仪

时间:2014-11-20 09:56来源:正航仪器 作者:正航网络点击:

光电技术创新综合实验仪

光敏电阻实验

光敏电阻的工作原理及结构认知

某些物质吸收光子的能量产生本征吸收或杂质吸收,从而改变物质电导率的现象,称为物质的光电导效应。利用具有光电导效应的材料可以制成电导率随入射光度量变化的器件,称为光电导器件或光敏电阻。

光敏电阻具有体积小、坚固耐用、价格低廉、光谱响应范围宽等优点,广泛应用与微弱辐射信号的探测领域。

1、光敏电阻的结构

通常,光敏电阻器都制成薄片结构,以便吸收更多的光能。在底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质,称为光导层。半导体的两端装有金属电极与引出线端相连接,通过引出线端接入电路。为了防止周围介质的影响,在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜,漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率。为了提高灵敏度,光敏电阻的电极一般采用梳状图案,它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上层镀金或铟等金属形成的。

光电技术创新综合实验仪

(a)光敏电阻结构             (b)光敏电阻电极          (c)接线图

2、光敏电阻的主要参数与特性

根据光敏电阻的光谱特性,可分为三种光敏电阻器:

紫外光敏电阻:对紫外线较灵敏,包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等,用于探测紫外线。

红外光敏电阻:主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器,广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱,红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。

可见光光敏电阻:包括硒、硫化镉、硒化镉、硅、砷化镓、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统,如光电自动开关门户,航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭,自动给水和自动停水装置,机械上的自动保护装置和“位置检测器”,极薄零件的厚度检测器,照相机自动曝光装置,光电计数器,烟雾报警器,光电跟踪系统等方面。

光敏电阻的主要参数是:

(1)光电流、亮电阻。光敏电阻器在一定的外加电压下,当有光照射时,流过的电流称为光电流,外加电压与光电流之比称为亮电阻。

(2)暗电流、暗电阻。光敏电阻在一定的外加电压下,当没有光照射的时候,流过的电流称为暗电流,外加电压与暗电流之比称为暗电阻。

(3)灵敏度。灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值(暗电阻)与受光照射时的电阻值(亮电阻)的相对变化值。

(4)光谱响应。光谱响应又称光谱灵敏度,是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。若将不同波长下的灵敏度画成曲线,就可以得到光谱响应的曲线。

(5)光照特性。光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。从光敏电阻的光照特性曲线可以看出,随着的光照强度的增加,光敏电阻的阻值开始迅速下降。若进一步增大光照强度,则电阻值变化减小,然后逐渐趋向平缓。在大多数情况下,该特性为非线性。

(6)伏安特性曲线。伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系,对于光敏器件来说,其光电流随外加电压的增大而增大。

(7)温度系数。光敏电阻的光电效应受温度影响较大,部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高,而在高温下的灵敏度则较低。

(8)额定功率。额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的功率,当温度升高时,其消耗的功率就降低。

3、光敏电阻的工作原理

所谓光电导效应是指半导体受光照射后,其内部产生载流子,使半导体中载流子数显著增加而电阻减小的现象。

在本征半导体中,电子未获得其它能量之前处于基态,价带充满着电子,导带没有电子,而因晶体缺陷产生的能级又不能激发自由电子时,则这些材料的电阻是较大的。但是,如果这些材料内的电子受到一种外来能量如光子的激发,且这种激发又能使电子获得足够的能量越过禁带而跃入导带的话,则材料中就会产生大量的电子及空穴(光生载流子)参与导电,因而材料的电阻就相应减小。这是由本征光吸收所引起的光电导效应,这种光电导效应的长波阈值可由式(um)给出。显然,禁带宽度是确定光波波长的因素,当超过长波阈值的光波射到半导体材料上时会产生光电导效应。此外,产生光电导效应的材料还有一个短波阈值,它由价带底边和导带顶边之间的能量差决定,当入射光波长超出短波阈值时,光子能量就会使电子跃出导带顶。不过,有时也不完全如此,光子往往因相互竞争在未到达这个极限时就衰退了。

在掺杂半导体中,除了本征光电导外,还存在杂质光电导。对P型半导体来说,由于其受主能带接近价带,所以价带中的电子很容易从光子吸收能量跃入受主能带,使价带产生空穴参与导电。对N型半导体来说,由于其施主能带靠近导带很近,所以施主能带中的电子很容易从光子获得足够的能量进入导带而参与导电。这是由杂质吸收所产生的杂质光电导效应。但应该指出,由于掺入半导体中的杂质原子数目比起半导体本来的原子数目要少得多,所以杂质光电导比本征光电导微弱。当光子能量大时易于发生本征光电导;光子能量小时易于发生杂质光电导。这是由于发生本征光电导时电子从价带穿越禁带而跃入导带,而杂质光电导时施主能带电子跃入导带和价带电子跃入受主能带。

光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线,将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻,为了增加灵敏度,两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极,接出引线,封装在具有透光镜的密封壳体内,以免受潮影响其灵敏度。在黑暗环境里,它的电阻值很高,当受到光照时,只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度,则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带,并在价带中产生一个带正电荷的空穴,这种由光照产生的电子—空穴对了半导体材料中载流子的数目,使其电阻率变小,从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强,阻值愈低。入射光消失后,由光子激发产生的电子—空穴对将复合,光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压,其中便有电流通过,受到波长的光线照射时,电流就会随光强的增强而变大,从而实现光电转换。光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。

光敏电阻的暗电阻越大而亮电阻越小,则性能越好,也就是说,暗电流要小,光电流要大,这样的光敏电阻的灵敏度就高。实际上,大多数光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至高达100MΩ,而亮电阻即使在正常白昼条件下也可降到1kΩ以下,可见光敏电阻的灵敏度是相当高的。

4、光敏电阻的应用

光敏电阻属半导体光敏器件,除具灵敏度高,反应速度快,光谱特性及r值一致性好等特点外,在高温,多湿的恶劣环境下,还能保持高度的稳定性和可靠性,可广泛应用于照相机,太阳能庭院灯,草坪灯,验钞机,石英钟,音乐杯,礼品盒,迷你小夜灯,光声控开关,路灯自动开关以及各种光控玩具,光控灯饰,灯具等光自动开关控制领域。

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