光敏電阻的特性研究

劉棟++謝泉++房迪

摘 要 光敏電阻作為一種重要的光電轉(zhuǎn)換元件，在自動(dòng)控制、工業(yè)測量、家用電器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文介紹了光敏電阻的特性和主要參數(shù)，通過對(duì)不同實(shí)驗(yàn)條件下得到的特性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了光敏電阻的光照特性、伏安特性、光譜特性和延時(shí)特性。

【關(guān)鍵詞】光敏電阻 光照特性 伏安特性 光譜特性 延時(shí)特性

1 引言

隨著電子信息技術(shù)迅猛發(fā)展，對(duì)電子元器件性能的要求也越來越高，尤其對(duì)光敏電阻制備的要求比較嚴(yán)格，因此，研究光敏電阻特性具有重要的意義。光敏電阻是利用半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)制成的一種器件，其結(jié)構(gòu)較為簡單，即在半導(dǎo)體材料兩端鍍上電極引線，并將它封裝起來成為光敏電阻。為增加光敏電阻的靈敏度，通常把兩電極做成梳狀。光敏電阻沒有極性之分，在使用時(shí)既可以用直流電壓，同樣也可以用交流電壓。由于光敏電阻具有很好的穩(wěn)定性、所測光強(qiáng)范圍寬、體積小、靈敏度高、使用壽命長、價(jià)格便宜、無極性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于通信、自動(dòng)探測和光電控制等領(lǐng)域[1]。

2 光敏電阻的主要參數(shù)

2.1 光電流、亮電阻

在室溫和有光照射的條件下，并加上一定的外加電壓，此時(shí)流過光敏電阻的電流叫做光電流，穩(wěn)定時(shí)測得的電阻為亮電阻，即所加的外加電壓與流過光敏電阻的光電流之比。光電流可以通過用LED 光源供電電路來測得[2]。

2.2 暗電流、暗電阻

在無光照射和一定外加電壓的條件下，流過光敏電阻的電流叫做暗電流。在室溫并且全暗的條件下測量得到的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻。暗電阻隨著光源關(guān)閉時(shí)間的增加而增加，因此規(guī)定在關(guān)閉電源30s后再來測量暗電阻的阻值[3]。

2.3 靈敏度

光敏電阻在沒有受到光照射時(shí)的暗電阻的阻值與受到光照射時(shí)的亮電阻阻值的相對(duì)變化值稱之為靈敏度。光敏電阻的暗阻和亮阻之間的比值大約為1500：1，暗電阻的阻值越大其特性越好。暗電阻越大，亮電阻越小，它們的相對(duì)變化值越大，即亮電流越大，暗電流越小，光敏電阻的靈敏度就越高[4]。

3 光敏電阻的特性

3.1 伏安特性

在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與此時(shí)流過光敏電阻電流的關(guān)系稱之為伏安特性。在給定偏壓條件下，光照強(qiáng)度越大，光電流也隨之增大。

2010年5月，周磊等人[5]利用自制的透明玻璃管式爐控制溫場，在恒定光照強(qiáng)度約為600lx的條件下，發(fā)現(xiàn)CdS光敏電阻在一定溫度范圍內(nèi)的伏安特性對(duì)溫度變化的敏感度并不高，此時(shí)仍有良好的線性特征。工作環(huán)境溫度超過100度時(shí)，有較明顯的影響。若光敏電阻的伏安特性曲線不在具有線性性質(zhì)，造成這種現(xiàn)象的主要原因可能是由于載流子的熱運(yùn)動(dòng)不斷加劇，從而增加了與原子核的碰撞幾率，縮短了載流子的平均自由程[6]。

2013年2月，李曉波[7]在虛擬儀器LABVIEW平臺(tái)下，對(duì)伏安特性進(jìn)行了虛擬實(shí)現(xiàn)，結(jié)果和理論相符合，即在一定光照強(qiáng)度下，光敏電阻伏安特性曲線有良好的線性性質(zhì)。

2013年5月楊東等人[2]借助光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的硬件資源，把伏安特性的測量電路直接連接到光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用軟件進(jìn)行仿真，在計(jì)算機(jī)界面上得到光敏電阻的伏安特性曲線。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，光敏電阻在一定電壓范圍內(nèi)，其曲線為斜率不同的直線，表明在不同光照下電阻的阻值不同，且隨著電壓的增大，光電流也越大，與理論相符合。

在大多數(shù)對(duì)光敏電阻特進(jìn)行性研究的實(shí)驗(yàn)中，一般都是用的復(fù)色光，2015年8月，孫寶光，劉春蘭[8]通過WGD-100小型光柵單色儀獲得的單色光，選擇一定波長的單色光對(duì)光敏電阻的伏安特性進(jìn)行了研究，結(jié)果得到電流和電壓有較好的線性關(guān)系，隨著電壓的增大，光電流和靈敏度隨之增大，且沒有出現(xiàn)飽和的現(xiàn)象。

3.2 光照特性

在一定的外加電壓條件下，流過光敏電阻的的光電流和光通量之間的關(guān)系稱之為光照特性。光敏電阻有多種類型，其光照特性不盡相同，大部分光照特性曲線均為非線性。故光敏電阻不適合用作定量檢測元件，一般作為開關(guān)式光電傳感器[9]應(yīng)用在自動(dòng)控制系統(tǒng)。在可見光的范圍內(nèi)，硫化鎘（CdS）[10]是使用的較多的光敏電阻。2003年周紅、楊衛(wèi)紅等[11]人利用實(shí)驗(yàn)測量了CdS光敏電阻的光照特性，通過測量在不同外加電壓下，光電流隨光照的變化得出如下結(jié)論：在外加電壓一定時(shí)，光電流隨光照強(qiáng)度的增大而增大，斜率呈逐漸減小的趨勢，并不是理想的線性變化。在用虛擬儀器LABVIEW對(duì)光敏電阻的光照特性進(jìn)行研究時(shí)[7]，也同樣發(fā)現(xiàn)，在弱光照射時(shí)，光電流與光照強(qiáng)度呈線性關(guān)系，當(dāng)強(qiáng)光照射時(shí)，它們變成非線性的關(guān)系。

3.3 光譜特性

光譜特性又叫做光譜靈敏度，在2000年舒秦等人[12]設(shè)計(jì)并制做了一套可用來測試光敏電阻特性的儀器來對(duì)光敏電阻的特性進(jìn)行研究。由實(shí)驗(yàn)可知：不同材料光敏電阻有不同的光譜特性，即使是同一種材料的光敏電阻，當(dāng)照射光的波長不同時(shí)，其靈敏度也不一樣，其對(duì)應(yīng)的波長也并不相同。如在光晶體中，cds用于敏感可見光；GaAs、Ge和Pb主要用于敏感紅外光；ZnS主要用于敏感紫外光。在2010年，李雨峰等人[13]根據(jù)光敏電阻光譜特性測定的需要設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，以五種不同波長濾光片產(chǎn)生的不同波長的光波做為實(shí)驗(yàn)變量，研究光敏電阻的相對(duì)靈敏度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著光波波長的增加，光敏電阻的相對(duì)靈敏度先增加后減少，存在一個(gè)最靈敏點(diǎn)。

3.4 延時(shí)特性

當(dāng)有脈沖光照射光敏電阻時(shí)，光電流并不是立即發(fā)生變化，而是要經(jīng)過一段時(shí)間之后才能達(dá)到穩(wěn)定。同樣的，當(dāng)停止光照后，光電流也要經(jīng)過一段時(shí)間恢復(fù)為零，這種現(xiàn)象稱為光敏電阻的延時(shí)特性。不同材料的光敏電阻有不同的延時(shí)特性，因此其頻率特性也并不相同。硫化鉛的頻率特性比硫化鉈高好，所以硫化鉛的使用頻率較高一些。大多數(shù)光敏電阻的時(shí)延都很大，我們可以通過增大光敏面來使其延遲降低，但是這些類型的器件不適宜用作快速響應(yīng)的場合[4]。在2007時(shí)，范佳午等人[14]用半定量方法研究了光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間與照射光的照度和波長的關(guān)系，通過做的曲線圖可以看出隨著照度的減小，光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間增長。隨著照度的越小，響應(yīng)時(shí)間變化越急劇。近年，謝音等人[15]用設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了光敏電阻的延時(shí)特性，并研究了光強(qiáng)對(duì)光敏電阻響應(yīng)時(shí)間的影響。由實(shí)驗(yàn)可知：光強(qiáng)改變量和光強(qiáng)改變前的光照強(qiáng)度都會(huì)對(duì)光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間造成影響，光強(qiáng)初始值越大，其響應(yīng)時(shí)間越短；光強(qiáng)改變量越大，響應(yīng)時(shí)間同樣也越短。

4 總結(jié)

本文對(duì)近幾年關(guān)于光敏電阻特性的研究進(jìn)行了總結(jié)，主要介紹了光敏電阻的伏安特性、光照特性、光譜特性和延時(shí)特性。光敏電阻作為廣泛應(yīng)用于通信、自動(dòng)探測和光電控制等領(lǐng)域的光電轉(zhuǎn)化元件，故對(duì)光敏電阻基礎(chǔ)和特性的研究，可以為光敏電阻今后的發(fā)展起到一定的指導(dǎo)性作用。

（通訊作者：謝泉）

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作者簡介

劉棟（1990-），男，安徽省安慶市人。碩士學(xué)位?，F(xiàn)為貴州大學(xué)碩士研究生。主要研究方向?yàn)楣怆娮硬牧稀?/p>

謝泉（1964-），男，貴州省貴陽市人。博士后、博士、教授、博士生導(dǎo)師?，F(xiàn)為貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所所長、貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院院長。

作者單位

貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院新型光電子材料與技術(shù)研究所 貴州省貴陽市 550025