光电导器件

利用具有光电导效应的材料制成的电导率随入射光度量变化的器件称为光电导器件，又称为光敏电阻。光照越强，光敏电阻的阻值越小。

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，广泛应用于微弱辐射信号的探测领域。

2.3.1 光敏电阻的结构及特性

1.光敏电阻的材料与电极结构

1）光敏电阻的基本原理

图2－5（a）所示为光敏电阻的工作原理。在均匀的、具有光电导效应的半导体材料的两端加上电极，便构成光敏电阻。在光敏电阻的两端加上适当的偏置电压Ubb后，便有电流Ip流过。改变照射到光敏电阻上的光度量（如照度），流过光敏电阻的电流Ip将发生变化，说明光敏电阻的阻值随照度而变化。光敏电阻的符号如图2－5（b）所示。

根据半导体材料的分类，光敏电阻有两种类型：本征型半导体光敏电阻和杂质型半导体光敏电阻。由于本征型半导体光敏电阻的长波限要短于杂质型半导体光敏电阻的长波限，因此，本征型半导体光敏电阻常用于可见光波段辐射的探测，而杂质型半导体光敏电阻常用于红外波段甚至远红外波段辐射的探测。

图2－5 光敏电阻的工作原理及符号

2）光敏电阻的基本结构

光敏电阻的光电导灵敏度Sg在微弱辐射作用的情况下与光敏电阻两电极间距离l的2次方成反比，而在强辐射作用的情况下则与光敏电阻两电极间距离l的3／2次方成反比。可见，Sg与两电极间距离l有关。因此，为了提高光敏电阻的光电导灵敏度Sg，要尽可能地缩短光敏电阻两电极间的距离l。这就是光敏电阻结构设计的基本原则。

根据光敏电阻的设计原则，常见的有如图2－6所示的三种基本结构的光敏电阻。图2－6 （a）所示光敏面为梳形结构。两个梳形电极之间为光敏电阻材料，由于两个梳形电极靠得很近，电极间距很小，光敏电阻的灵敏度很高。图2－6（b）所示为光敏面为蛇形的光敏电阻，光电导材料制成蛇形，光电导材料的两侧为金属导电材料，其上设置有电极。显然，这种光敏电阻的电极间距（蛇形光电导材料的宽度）也很小，光敏电阻的灵敏度较高。图2－6（c）所示为刻线式结构的光敏电阻侧向图，在制备好的光敏电阻衬底上刻出狭窄的光敏材料条，再蒸镀金属电极，构成刻线式结构的光敏电阻。

图2－6 光敏电阻的结构

1—光电导材料；2—电极；3—衬底材料

2.光敏电阻的基本特性

光敏电阻为多数载流子——电子导电的光电敏感器件，其特性与其他光电器件的差别表现在它的基本特性参数上。光敏电阻的基本特性参数包括光电特性、伏安特性、温度特性、时间响应与噪声特性等。

1）光电特性

光敏电阻在无光照室温条件下，由于热激发产生载流子而具有一定的电导，该电导为暗电导，其倒数为暗电阻。一般的暗电导值都很小，即暗电阻值都很大。当有光照射在光敏电阻上时，它的电导将变得很大，这时的电导称为光电导。电导随光照量变化越大的光敏电阻，其灵敏度越高，这个特性称为光敏电阻的光电特性。

当辐射由弱到强时，光敏电阻的光电特性可由在恒定电压下流过光敏电阻的电流Ip与作用到光敏电阻上的入射照度Ev的关系曲线来描述。图2－7所示为Cd S（硫化镉）光敏电阻的光照特性曲线。由图可见，曲线是由线性渐变到非线性的。

图2－7 Cd S光敏电阻的光照特性曲线

在恒定电压U的作用下，流过光敏电阻的光电流为

Ip＝gpU＝USgEv 　（2－28）

式中：Sg为光电导灵敏度；Ev为照度。显然，当照度很低时，曲线近似为线性；随着照度的增高，线性关系变坏，当照度变得很高时，曲线近似为抛物线。为此，光敏电阻的光电特性可用一个随光度量变化的指数因子——光电转换因子γ来描述。将式（2－28）改写为

在弱辐射作用的情况下，γ＝1；随着入射辐射的增强，γ值减小；当入射辐射很强时，γ值降低到0.5。

在实际使用时，常常将光敏电阻的光电特性曲线画成如图2－8所示的特性曲线。在图2－8（a）所示的线性直角坐标系中，光敏电阻的阻值R与入射照度EV在光照很低时随光照度的增加而迅速降低，表现为线性关系，而当照度增加到一定值时，阻值的变化缓慢，逐渐趋于饱和。但是，在图2－8（b）所示的对数坐标系中，光敏电阻的阻值R在某段照度EV范围内的光电特性表现为线性，即式（2－29）中的γ保持不变，因此，γ值为对数坐标系下特性曲线的斜率，即

式中：R1、R2分别为照度为E1和E2时光敏电阻的阻值。显然，光敏电阻的γ值反映了在照度范围变化不大或照度的绝对值较大甚至光敏电阻接近饱和情况下的阻值和照度的关系。因此，给出光敏电阻的γ值时必须说明其照度范围，否则没有任何意义。

图2－8 光敏电阻的光电特性曲线

2）伏安特性

光敏电阻的本质是电阻，符合欧姆定律，因此它具有与普通电阻相似的伏安特性，但是它的电阻是随入射光照度变化而变化的。利用图2－5所示的电路可以测出在不同光照下加在光敏电阻两端的电压U与通过它的电流Ip的线性关系，并称其为光敏电阻的伏安特性。图2－9所示为典型Cd S光敏电阻的伏安特性曲线，图中虚线为额定功耗线。使用时，应不使电阻的实际功耗超过额定值。在设计负载电阻时，应不使负载线与额定功耗线相交。

3）温度特性

光敏电阻的温度特性与光电导材料有着密切的关系，不同材料的光敏电阻有着不同的温度特性。图2－10所示为典型Cd S（虚线）与Cd Se（实线）光敏电阻在不同照度下的温度特性曲线。以室温（25℃）下的相对光电导为100％，观测光敏电阻的相对光电导随温度的变化关系，可以看出光敏电阻的相对光电导随温度的升高而下降，光电响应特性随温度的变化较大。因此，在温度变化大的情况下，应采取制冷措施。降低或控制光敏电阻的工作温度是提高光敏电阻工作稳定性的有效办法，对于长波长红外辐射的探测领域这一点尤其重要。

图2－9 光敏电阻的伏安特性曲线

图2－10 光敏电阻的温度特性

4）时间响应

光敏电阻的时间响应（又称惯性）比其他光电器件要差（惯性要大）一些，频率响应要低一些，而且具有特殊性。用一个理想的方波脉冲辐射照射光敏电阻时，光生电子要有产生的过程，光生电导要经过一定的时间才能达到稳定。停止辐射时，复合光生载流子也需要时间，表现出光敏电阻具有较大的惯性。

图2－11所示为光敏电阻响应速度的测定电路及其波形。光敏电阻的响应时间用电流上升时间tr和衰减时间tf来表示。一般来说，上升时间tr定义为光敏电阻被辐射照射后其光电流上升到稳态值的63％所需要的时间，衰减时间tf定义为辐射停止后光敏电阻的光电流下降到稳态值的37％所需要的时间。Cd S光敏电阻的响应时间为几十毫秒到几秒，Cd Se光敏电阻的响应时间为10－3s～10－2s，Pb S（硫化铅）光敏电阻的响应时间约为10－4s。

图2－11 光敏电阻响应速度测定电路及入射光与光电流波形

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。一般来说：照度越大，响应时间越短；负载电阻越大，tr越短，tf越长；暗处放置时间越长，响应时间也相应越长。在实际应用中，提高使用照度、降低所加电压、施加适当偏置光照、使光敏电阻不是从完全暗状态开始受光照，都可以使光敏电阻的时间响应特性得到一定改善。

5）频率特性

光敏电阻的时间常数较大，所以其上限频率较低。图2－12所示为几种典型的光敏电阻的频率特性曲线。可以看出，PbS光敏电阻的频率特性稍微好些，工作频率可以达到几千赫兹。

图2－12 光敏电阻的频率特性曲线

1—Se（硒）；2—TiS（硫化铊）；3—CdS；4—PbS

图2－13 三种典型光敏电阻的光谱响应曲线

1—CdS；2—CdSe；3—PbS

6）光谱响应特性

光敏电阻对各种光响应的灵敏度随入射光的波长变化而变化的特性称为光谱响应特性。光敏电阻的光谱响应主要与光敏材料的禁带宽度、杂质电离能、材料掺杂比与掺杂浓度等因素有关。图2－13所示为三种典型光敏电阻的光谱响应特性曲线。CdS光敏电阻的光谱响应很接近于人眼的视觉响应；CdSe光敏电阻的光谱响应较CdS光敏电阻的光谱响应范围宽；PbS光敏电阻的光谱响应范围最宽，为0.4μm～2.8μm。

利用半导体的掺杂以及用两种半导体材料按一定比例混合并烧结形成固溶体的技术，可使光敏电阻的光谱响应范围及峰值响应波长获得一定程度的改善，从而满足某种特殊需要。

7）噪声特性

光敏电阻的主要噪声有热噪声、产生－复合噪声和低频噪声。

（1）热噪声 光敏电阻内载流子作热运动而产生的噪声为热噪声。热噪声均方电流的表达式为

式中：k为玻尔兹曼常数；τ0为载流子的平均寿命；ω为信号角频率，ω＝2πf；Rd为光敏电阻的阻值。在低频情况下，当ωτ0≪1时，热噪声均方电流（f）可简化为

当ωτ0≫1时，式（2－31）可简化为

显然，此时热噪声电流是调制频率f的函数，随频率的升高而减小。另外，它与光敏电阻的阻值成反比，随着阻值的升高而降低。

（2）产生－复合噪声 光敏电阻的产生－复合噪声与其平均电流I有关，产生－复合噪声均方电流的表达式为

式中：τ1为载流子跨越电极所需要的漂移时间。当ωτ0≪1时，产生－复合噪声电流可简化为

（3）低频噪声（电流噪声） 光敏电阻在偏置电压作用下产生光电流，由于光敏层内微粒不均匀，或体内存在杂质，因此会产生微火花放电现象。这种微火花放电引起的电爆脉冲是低频噪声的来源。

低频噪声均方电流的经验公式为

式中：c1为与材料有关的常数；I为流过光敏电阻的电流；f为光的调制频率；b为接近于1的系数；Δf为调制频率的带宽。低频噪声与调制频率成反比，频率越低，噪声越大，故称低频噪声。

光敏电阻总的噪声均方根值为

对于不同的器件，三种噪声的影响不同：在几百赫兹以内以电流噪声为主；随着频率的升高，产生－复合噪声会变得显著；频率很高时，以热噪声为主。

3.光敏电阻的特点

光敏电阻与其他半导体光电器件相比有以下特点：

①光谱响应范围相当宽，根据光电导材料的不同，有的在可见光区灵敏，有的灵敏阈可达红外区或远红外区；

②工作电流大，可达数毫安；

③所测的光电强度范围宽，既可测弱光，也可测强光；

④灵敏度高，通过对材料、工艺和电极结构的适当选择和设计，光电增益可以大于1；

⑤无极性之分，使用方便。

光敏电阻的不足之处是：在强光照射下的光电线性度较差，光电弛豫过程较长，频率特性较差。因此，其应用受到一定的限制。

2.3.2 几种典型的光敏电阻

每一种半导体或绝缘体都有一定的光电导效应，但只有其中一部分材料经过特殊处理，掺进适当杂质时，才有明显的光电导效应。现在使用的光电导材料有Si、Ge、Ⅱ～Ⅵ族和Ⅲ～Ⅴ族化合物等，以及一些有机物。光敏电阻种类繁多，按光谱响应范围分，有对紫外光敏感的光敏电阻，有对可见光敏感或对红外光敏感的光敏电阻等。在对可见光敏感的光敏电阻中，主要品种有硫化镉（CdS）、硒化镉（CdSe）、硫化铅（PbS）、锑化铟（InSb）及其混合材料等。

1.CdS光敏电阻和CdSe光敏电阻

CdS光敏电阻和CdSe光敏电阻是两种低造价的可见光辐射探测器，它们的主要特点是可靠性高和寿命长，因而广泛应用于自动化产品和摄影机中的光计量。这两种光敏电阻的光电导增益比较高（103～104），但响应时间比较长（约50ms）。

CdS光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率V（λ），在可见光波段范围内的灵敏度最高，因此被广泛应用于灯光的自动控制、照相机的自动测光等。CdS光敏电阻常采用蒸镀、烧结或黏结的方法制备，在制备过程中，把CdS和CdSe按一定的比例制配成Cd（S，Se）光敏电阻材料；或者在CdS中掺入微量杂质Cu（铜）和Cl（氯），使它既具有本征光电导器件的响应特性，又具有杂质光电导器件的响应特性，可使CdS光敏电阻的光谱响应向红外光谱区延长，峰值响应波长也变长。

CdS光敏电阻的峰值响应波长为0.52μm，CdSe光敏电阻为0.72μm，通过调整S和Se的比例，可将Cd（S，Se）光敏电阻的峰值响应波长大致控制在0.52μm～0.72μm的范围内。

2.PbS光敏电阻

PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光导电器件。PbS光敏电阻常用真空蒸镀或化学沉积的方法制备，光电导体是厚度为微米数量级的多晶薄膜或单晶硅薄膜。由于PbS光敏电阻在2μm附近的红外辐射的探测灵敏度很高，因此，它常用于火灾探测。

PbS光敏电阻的光谱响应及比探测率等特性与工作温度有关，随着工作温度的降低其峰值响应波长和长波限将向长波方向延伸，且比探测率将增加。例如，室温下PbS光敏电阻的光谱响应范围为1μm～3.5μm，峰值波长为2.4μm，峰值比探测率D＊高达1×1011cm·Hz1／2／W。当温度降低至195K时，光谱响应范围为1μm～4μm，峰值响应波长移至2.8μm，峰值比探测率D＊也增高到2×1011cm·Hz1／2／W。

3.InSb光敏电阻

InSb光敏电阻为3μm～5μm光谱范围内的主要探测器件之一。InSb材料不仅适用于制造单元探测器件，也适宜制造阵列红外探测器件。

InSb光敏电阻虽然也能在室温下工作，但噪声较大。在77K下，噪声性能大大改善，峰值响应波长为5μm。它和PbS探测器显著的不同在于其内阻低（大约为50Ω），而响应时间短（大约为50ns），因而适用于快速红外信号探测。

4.Hg1－xCdxTe系列光电导探测器件

Hg1－xCdxTe（碲镉汞）系列光电导探测器件是目前所有红外探测器中性能最优良、最具发展前途的探测器件，尤其是对于4μm～8μm大气窗口波段辐射的探测更为重要。

Hg1－xCdxTe系列光电导体是由HgTe（碲化汞）和CdTe（碲化镉）两种材料的晶体混合制造的，其中x表示Cd元素含量的组分。在制造混合晶体时选用不同的Cd组分x，可以得到不同的禁带宽度Eg，从而制造出不同波长响应范围的Hg1－xCdxTe探测器件。通常Cd组分x的变化范围为0.18～0.4，长波限的变化范围为1μm～30μm。

2.3.3 光敏电阻的转换电路

光敏电阻的阻值或电导随着入射辐射量的变化而变化，因此，可以用光敏电阻将光学信息转换为电学信息。但是，电阻（或电导）值的变化信息不能直接被人们所接收，必须将电阻（或电导）值的变化转换为电流或电压输出信号，因此就需要光敏电阻的偏置电路或转换电路。

1.基本偏置电路

最简单的光敏电阻偏置电路如图2－14所示。

图2－14 简单光敏电阻偏置电路

设在照度EV下，光敏电阻的阻值为R，电导为g，光电导灵敏度为Sg，偏置电压为Ubb，则流过偏置电阻RL的电流为

若用微变量表示，则式（2－38）变为

由式（2－28）可知，gp＝＝SgEV，故d R＝－R2Sgd EV，因此

用微变量表示变化量，设i L＝d IL，e V＝d EV，则式（2－39）变为

加在光敏电阻R上的电压

因此，光电流的微变量为

由式（2－40）、式（2－41）可得

由式（2－42）可以得到如图2－14（b）所示的光电流的微变等效电路。

偏置电阻RL两端的输出电压为

从式（2－43）可以看出，当电路参数确定后，输出电压信号与弱辐射入射辐射通量（照度e V）呈线性关系。

2.恒流偏置电路

在简单偏置电路中，当RL≫R时，流过光敏电阻的电流基本不变，此时的偏置电路称为恒流偏置电路。然而，光敏电阻自身的阻值已经很高，若再满足恒流偏置条件，就难以满足电路输出阻抗的要求，为此，可引入如图2－15所示的晶体管恒流偏置电路。

图2－15 恒流偏置电路

电路中的稳压管VDW用于稳定晶体三极管的基极电压，即UB＝UW，流过晶体三极管发射极的电流为

式中：UW为稳压二极管的稳压值；Ube为三极管发射结电压，在三极管处于放大状态时基本为恒定值；Re为固定电阻。因此，发射极的电流Ie为恒定电流。三极管在放大状态下集电极电流与发射极电流近似相等，所以通过光敏电阻的电流为恒定值。

在晶体管恒流偏置电路中，输出电压为（2－45）Uo＝Ubb－IcRp

对式（2－45）求微分得

dUo＝－IcdRp 　（2－46）

将dRp＝－SgR2pd EV和Ic≈Ie＝代入式（2－46），得

显然，恒流偏置电路的电压灵敏度为

可见，恒流偏置电路的电压灵敏度与光敏电阻阻值的平方成正比，也与光电导灵敏度成正比。

3.恒压偏置电路

在如图2－14所示的简单偏置电路中，若RL≪R，加在光敏电阻上的电压近似为电源电压Ubb，它是不随入射辐射量变化的恒定电压，此时的偏置电路称为恒压偏置电路。显然，简单偏置电路很难构成恒压偏置电路，而利用晶体三极管则很容易构成光敏电阻的恒压偏置电路。图2－16所示为典型的光敏电阻恒压偏置电路。图中，处于放大工作状态的三极管VT的基极电压被稳压二极管VDW稳定在稳定值UW，而三极管发射极的电位Ue＝UW－Ube，处于放大状态的三极管的Ube近似为0.7V，因此，当UW≫Ube时，Ue≈UW，即加在光敏电阻R上的电压为恒定电压UW。

图2－16 恒压偏置电路

光敏电阻在恒压偏置电路的情况下，其输出电流Ip与处于放大状态的三极管发射极电流Ie近似相等。因此，恒压偏置电路的输出电压为

Uo＝Ubb－IcRc（2－50）

对式（2－50）取微分，可得到输出电压的变化量为

dUo＝－RcdIc＝－RcdIe＝－RcUWdgp＝－RcSgUWdΦ 　（2－51）

式（2－51）说明，恒压偏置电路的输出信号电压与光敏电阻的阻值R无关。这一特性在采用光敏电阻的测量仪器中很有用：在更换光敏电阻时，只要使光敏电阻的光电导灵敏度Sg保持不变，即可保持输出信号电压不变。

2.3.4 光敏电阻的应用

由于光敏电阻为无极性的电阻器件，因此，可直接在交流电路中作为光电传感器完成各种光电控制。但是，在实践中光敏电阻的主要应用还是在直流电路中用于光电探测与控制。

图2－17为灯光亮度自动控制器原理框图。该控制器主要由环境光照检测电桥、放大器A、积分器、比较器、过零检测器、锯齿波形成电路、双向晶闸管V等组成。过零检测器对50 Hz市电电压的每次过零点进行检测，并控制锯齿波形成电路，使其产生与市电同步的锯齿波电压，该电压加在比较器的同相输入端。另外，由光敏电阻与其他电阻组成的电桥将环境光照的变化转换成直流电压的变化，该电压经放大并由积分电路积分后加到比较器的反相输入端，其数值随环境光照的变化而缓慢地成正比例变化。

两个电压经过比较后，便可从比较器输出端输出随环境光照强度变化而脉冲宽度发生变化的控制信号。该控制信号的频率与市电频率同步，其脉冲宽度反比于环境光照，利用这个控制信号触发双向晶闸管，改变其导通角，便可使灯光的亮度随环境光照作相反的变化，从而达到自动控制环境光照、使其保持不变的目的。

图2－17 灯光亮度自动控制器原理框图