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，對電子元器件性能的要求也越來越高，尤其對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。現(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