光敏电阻

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3 光敏电阻

光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应(半导体材料受光照射后，其导电率发生变化的现象）。常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻 器的阻值迅速下降。半导体材料受到光照时会产生电子一空穴对，使其导电性能增强，其阻值随光照增强而减小，光线越强，阻值越低。光敏电阻是一种没有极性的电阻器件。光敏电阻的响应时间一般为2---50ms。光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成。光敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示。

光敏电阻的工作原理

当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg，即

hν= = ≥Eg (eV)

式中ν和λ—入射光的频率和波长。

一种光电导体，存在一个照射光的波长限λC，只有波长小于λC的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。

光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。

光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。

光敏电阻分类

按半导体材料分：本征型光敏电阻、掺杂型光敏电阻。后者性能稳定，特性较好，故目前大都采用它。

根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：

1、紫外光敏电阻器：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。

2、红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用A 玻半导体

（a）RRg

(b)电(c)实ch24.1 4 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。

3、可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、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。

光敏电阻的结构和偏置电路

以CdS光敏电阻为例

光敏电阻的主要参数

（1）暗电阻、亮电阻、光电流

暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流。

亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流。

光电流：亮电流与暗电流之差。

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，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。

实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至高达100MΩ，而亮电阻则在几kΩ以下，暗电阻与亮电阻之比在102～106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。

光敏电阻的基本特性

（1） 伏安特性

在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。图46-2为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。由图可见，光敏电阻在一定的电压范围内，其曲线为直线。 5 在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。

(2) 光照特性

光敏电阻的光照特性是描述光电流和光照强度之间的关系，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非线性的。图46-3为硫化镉光敏电阻的光照特性。

（3） 光谱特性

光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)适用于可见光，氧化锌（ZnO）、硫化锌（ZnS）适用于紫外线，硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）适用于红外线。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。

（4）频率特性

当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏，电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。 6

（5）温度特性

其性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流I和温度T的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。

（6）时间响应特性

光敏电阻的响应时间常数是由电流上升时间和衰减时间表示的。光敏电阻的响应时间与入射光的照度，所加电压、负载电阻及照度变化前电阻所经历的时间（称为前历时间）等因素有关。

（7）稳定性

图中曲线1、2分别表示两种型号CdS光敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定，以及电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上升，有些样品阻值下降，但最后达到一个稳定值后就不再变了。这就是光敏电阻的主要优点。 7

几种典型的光敏电阻

（1）CdS和CdSe

它们是可见光波段内最灵敏的光电导器件。低造价、可见光辐射探测器;光电导增益比较高(103～104); 响应时间比较长(大约50ms) 。CdS峰值波长0.52mm，光调制频率高于1kHz时难于使用;PbSe峰值波长0.67mm，响应时间比 CdS 快。它被广泛应用于自动控制灯光、自动调焦等。

（2）硫化铅PbS光敏电阻

它是近红外波段内最灵敏的光电导器件。室温下峰值波长3mm，主要缺点是响应时间慢。内阻（暗阻）大约为1MΩ,响应时间约200μs

（3）InSb 光敏电阻

在77k下,噪声性能大大改善;峰值响应波长为5μm;响应时间短（大约50×10-9s）

（4）HgxCd1-xTe探测器

化合物本征型光电导探测器,它是由HgTe和GdTe两种材料混在一起的固溶体,其禁带宽度随组分x呈线性变化。当x=0.2时响应波长为8～14μm,工作温度77k，用液氮致冷。

光敏电阻优点和缺点

优点：(1)光谱响应范围宽，尤其对红光和红外辐射有较高的灵敏度；

(2)所测的光强范围宽；

(3)灵敏度较高；

(4)工作电流大，可达数毫安；

(5)偏置电压低，无极性之分，使用方便。

(6)使用寿命长，在密封良好、使用合理的情况下，几乎是无限长的。

不足之处主要表现在：

(1)强光照射下的线性较差；

(2)弛豫过程较长，响应速度慢；

(3)频率响应较差。

光敏电阻的应用

光敏电阻可广泛应用于各种光控电路，如对灯光的控制、调节等场合，也可用于光控开关，下面给出几个典型应用电路。

1、光敏电阻调光电路 8 图1是一种典型的光控调光电路，其工作原理是：当周围光线变弱时引起光敏电阻RG的阻值增加，使加在电容C上的分压上升，进而使可控硅的导通角增大，达到增大照明灯两端电压的目的。反之，若周围的光线变亮，则RG的阻值下降，导致可控硅的导通角变小，照明灯两端电压也同时下降，使灯光变暗，从而实现对灯光照度的控制。

图1 光控调光电路

注意：上述电路中整流桥给出的是必须是直流脉动电压，不能将其用电容滤波变成平滑直流电压，否则电路将无法正常工作。原因在于直流脉动电压既能给可控硅提供过零关断的基本条件，又可使电容C的充电在每个半周从零开始，准确完成对可控硅的同步移相触发。

2、光敏电阻式光控开关

以光敏电阻为核心元件的带继电器控制输出的光控开关电路有许多形式，如自锁亮激发、暗激发及精密亮激发、暗激发等等，下面给出几种典型电路。

图2是一种简单的暗激发继电器开关电路。其工作原理是：当照度下降到设置值时由于光敏电阻阻值上升激发VT1导通，VT2的激励电流使继电器工作，常开触点闭合，常闭触点断开，实现对外电路的控制。

图2 简单的暗激发光控开关

图3是一种精密的暗激发时滞继电器开关电路。其工作原理是：当照度下降到设置值时由于光敏电阻阻值上升使运放IC的反相端电位升高，其输出激发VT导通，VT的激励电流 9 使继电器工作，常开触点闭合，常闭触点断开，实现对外电路的控制。

图3精密的暗激发光控开关

（3）光敏电阻在常见路灯里的应用。

原理：晚上光线很暗,CdS 光敏电阻阻值很大，流过继电器的电流很小，使继电器不动作，路灯接通电源点亮。早上，天渐渐变亮，即照度逐渐增大，CdS 光敏电阻受光照后，阻值变小，流过继电器的电流逐渐增大，当照度达到一定值时，流过继电器的电流足以使继电器 动作，使其闭合。