光電技術(shù)創(chuàng)新綜合實驗儀
光敏電阻實驗
光敏電阻的工作原理及結(jié)構(gòu)認知
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)電導率的現(xiàn)象，稱為物質(zhì)的光電導效應。利用具有光電導效應的材料可以制成電導率隨入射光度量變化的器件，稱為光電導器件或光敏電阻。
光敏電阻具有體積小、堅固耐用、價格低廉、光譜響應范圍寬等優(yōu)點，廣泛應用與微弱輻射信號的探測領(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體物質(zhì)，稱為光導層。半導體的兩端裝有金屬電極與引出線端相連接，通過引出線端接入電路。為了防止周圍介質(zhì)的影響，在半導體光敏層上覆蓋了一層漆膜，漆膜的成分應使它在光敏層最敏感的波長范圍內(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：對紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等，用于探測紫外線。
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，廣泛用于導彈制導、天文探測、非接觸測量、人體病變探測、紅外光譜，紅外通信等國防、科學研究和工農(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)，如光電自動開關(guān)門戶，航標燈、路燈和其他照明系統(tǒng)的自動亮滅，自動給水和自動停水裝置，機械上的自動保護裝置和“位置檢測器”，極薄零件的厚度檢測器，照相機自動曝光裝置，光電計數(shù)器，煙霧報警器，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，當有光照射時，流過的電流稱為光電流，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，當沒有光照射的時候，流過的電流稱為暗電流，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的電阻值（暗電阻）與受光照射時的電阻值（亮電阻）的相對變化值。
（4）光譜響應。光譜響應又稱光譜靈敏度，是指光敏電阻在不同波長的單色光照射下的靈敏度。若將不同波長下的靈敏度畫成曲線，就可以得到光譜響應的曲線。
（5）光照特性。光照特性指光敏電阻輸出的電信號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，隨著的光照強度的增加，光敏電阻的阻值開始迅速下降。若進一步增大光照強度，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。伏安特性曲線用來描述光敏電阻的外加電壓與光電流的關(guān)系，對于光敏器件來說，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，當溫度升高時，其消耗的功率就降低。
3、光敏電阻的工作原理
所謂光電導效應是指半導體受光照射后，其內(nèi)部產(chǎn)生載流子，使半導體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減小的現(xiàn)象。
在本征半導體中，電子未獲得其它能量之前處于基態(tài)，價帶充滿著電子，導帶沒有電子，而因晶體缺陷產(chǎn)生的能級又不能激發(fā)自由電子時，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禁帶而躍入導帶的話，則材料中就會產(chǎn)生大量的電子及空穴（光生載流子）參與導電，因而材料的電阻就相應減小。這是由本征光吸收所引起的光電導效應，這種光電導效應的長波閾值可由式（um）給出。顯然，禁帶寬度是確定光波波長的因素，當超過長波閾值的光波射到半導體材料上時會產(chǎn)生光電導效應。此外，產(chǎn)生光電導效應的材料還有一個短波閾值，它由價帶底邊和導帶頂邊之間的能量差決定，當入射光波長超出短波閾值時，光子能量就會使電子躍出導帶頂。不過，有時也不完全如此，光子往往因相互競爭在未到達這個極限時就衰退了。
在摻雜半導體中，除了本征光電導外，還存在雜質(zhì)光電導。對P型半導體來說，由于其受主能帶接近價帶，所以價帶中的電子很容易從光子吸收能量躍入受主能帶，使價帶產(chǎn)生空穴參與導電。對N型半導體來說，由于其施主能帶靠近導帶很近，所以施主能帶中的電子很容易從光子獲得足夠的能量進入導帶而參與導電。這是由雜質(zhì)吸收所產(chǎn)生的雜質(zhì)光電導效應。但應該指出，由于摻入半導體中的雜質(zhì)原子數(shù)目比起半導體本來的原子數(shù)目要少得多，所以雜質(zhì)光電導比本征光電導微弱。當光子能量大時易于發(fā)生本征光電導；光子能量小時易于發(fā)生雜質(zhì)光電導。這是由于發(fā)生本征光電導時電子從價帶穿越禁帶而躍入導帶，而雜質(zhì)光電導時施主能帶電子躍入導帶和價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。在半導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，當受到光照時，只要光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導帶，并在價帶中產(chǎn)生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子—空穴對了半導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，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子—空穴對將復合，光敏電阻的阻值也就恢復原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到波長的光線照射時，電流就會隨光強的增強而變大，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也加交流電壓。半導體的導電能力取決于半導體導帶內(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，暗電流要小，光電流要大，這樣的光敏電阻的靈敏度就高。實際上，大多數(shù)光敏電阻的暗電阻往往超過1MΩ，甚至高達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高的。
4、光敏電阻的應用
光敏電阻屬半導體光敏器件，除具靈敏度高，反應速度快，光譜特性及r值一致性好等特點外，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，可廣泛應用于照相機，太陽能庭院燈，草坪燈，驗鈔機，石英鐘，音樂杯，禮品盒，迷你小夜燈，光聲控開關(guān)，路燈自動開關(guān)以及各種光控玩具，光控燈飾，燈具等光自動開關(guān)控制領(lǐng)域。
