光敏电阻延时特性的验证及光强对其影响的探究

谢 音，赵泽龙，李 伟，于白茹，梁小冲，李紫源，郝彦军，朱 俊

(四川大学 a.化学工程学院; b.物理科学与技术学院，四川 成都 610065)

1 引 言

光敏电阻是一种使用广泛的光电转换器件，目前,光敏电阻已广泛应用于控制路灯自动点熄电路、照相机自动曝光电路、照度计、冲床自动断电器和其他自动控制装置中[1]. 大学物理实验已开展对光敏电阻的伏安特性、光照特性的测定，但对于其延时特性的测定较少. 范佳午等研究了光敏电阻响应时间与照射光照度和波长的关系，其中响应时间是指光强从零突变到某一值时的延迟时间[2]. 本实验在验证了光强从零突变时光强与响应时间的关系后，进一步探究了光强从非零值突变时的情况，指出突变前的光强对其响应时间也存在影响.

2 实验原理及设计

2.1 光敏电阻的原理

光电效应分为外光电效应和内光电效应[3]. 光敏电阻是利用半导体的内光电效应制成的光敏元件. 所谓内光电效应是指半导体材料在光线辐射作用下改变其导电率的一种光电效应[4]. 当内光电效应发生时，光敏电阻吸收的能量使部分价带中的电子跃迁至导带，从而产生自由电子和自由空穴，使得其导电性增加，电阻值下降. 光照停止后，自由电子和自由空穴逐渐复合，电阻值又迅速上升[5]. 基于内光电效应，在光强改变时，光电导的上升和下降有一定的弛豫时间，反映了光生载流子的积累和消失过程. 这段弛豫时间又称为响应时间[6].

2.2 实验设计

实验中，响应时间由上升时间或下降时间表示，其数值由示波器上直接读出. 由示波器测出的上升时间指光电流从初始值到最后的稳定值的改变量的10%上升到90%的时间，下降时间指从初始值到最后的稳定值的改变量的90%下降到10%的时间.

实验中所用到的仪器有：光敏电阻板、测试架、九孔板、DH-VC3直流恒压源、万用表、电阻元件、转接盒、小灯泡、DH1052E数字示波器. 利用实验仪器设计测试电路图，其实验原理图如图1所示.

图1 光敏电阻响应时间测试原理图

图1中，总电源为直流可变电源，光敏电阻与定值电阻串接，且光敏电阻与小灯泡都装在转接盒中，光敏电阻所受光照强度的改变由小灯泡的电压和小灯泡与光敏电阻的距离改变达到. 同时数字示波器接在定值电阻的两端，通过测试数据反映电路由光敏电阻所引起的变化.

3 实验结果及分析

3.1 验证光敏电阻的延时特性

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，而且在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的延时特性[7]. 首先对光敏电阻的延时特性进行验证，按照原理图1接线，示波器CH1通道反映光敏电阻的光电流变化曲线，CH2通道反映小灯泡两端的电压. 当光强突变时，测得CH1和CH2信号如图2所示.

图2 光敏电阻延时特性的验证

由图2中可看出，光电流变化落后于小灯泡两端电压的变化，因而当光敏电阻所受光强发生改变时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，验证了其延时特性的存在.

3.2 探究光强对响应时间的影响

3.2.1 光强从零突变时光敏电阻的响应时间

光敏电阻的响应时间与光强的大小有关，为了探究光强与光敏电阻响应时间的具体关系，首先按照原理图组装电路，同时在小灯泡电路中串联开关，以便瞬间改变光照强度. 通过实验测得不同光强下光敏电阻的响应时间，具体数据如表1所示. 实验中U=10 V，R=1 kΩ.

图3为光敏电阻的响应时间曲线图,从中可以看出：光强(或光强变化量)会对响应时间产生影响，如果光敏电阻接受的光量越大，被激发的电子也越多，则响应速度加快[8]，即光强(或光强变化量)越强，其响应时间越短. 在本实验条件下，当光照强度小于1 000 lx时,响应时间会随着光强的增大而迅速减小,即光强较小时，光敏电阻对光强改变量较为敏感;当光强大于1 000 lx时,响应时间变化较小.

表1 光强从零突变时光敏电阻的响应时间

图3 光强从零突变时光敏电阻的响应时间与光强关系

3.2.2 光强从非零值突变时光敏电阻的响应时间

表2 光强从非零值突变时光敏电阻的响应时间

3.2.2中测定了光强由非零值突变时的上升响应时间和下降响应时间，并且比较了它们的大小，同时计算了上升和下降时间的平均值和光强的相对改变率. 不同的光强初始值以及光强的相对变化率可能会对响应时间产生影响，因此分别作出二者与响应时间的曲线图，来进一步探究其影响.

图4 Δt与ΔE的关系

取光强初始值E1与上升响应时间Δt作图如图5所示. 由图5可见：不同的光强初始值E1也会对响应时间产生影响，光强初始值越大，响应时间越短. 因光强相对变化率ΔE/E1同时反映了ΔE和E1的影响，因而有必要探究ΔE/E1对的Δt影响. 取表2中相近的ΔE/E1求平均与相应的Δt求平均，处理后的数据如表3所示.

图5 光强突变之前光强值对响应时间的影响

ΔE/E1Δt/ms1.021 96165.81.446 42287.02.480 598129.25.753 306186.2

由表3数据作图如图6所示. 由图6可以看出，光强的相对变化率越大，则响应时间越长，所以光强的相对变化率是影响光敏电阻响应时间的另一因素.

图6 光强相对变化率与响应时间的关系

通过实验可以看出ΔE和E1均不能单独成为影响响应时间的因素，而光强相对改变率包含了这2个因素. 光强相对改变率越大，所需响应时间也越长.

ΔE与E1对光敏电阻响应时间的影响可以从下面的角度加以解释. 光强改变量是光生载流子积累和消失的推动力，因而ΔE越大，Δt越小. 光强突变前的初始值也会对响应时间有影响，E1越大，相同光强改变量条件下光生载流子积累速度越快，Δt越小.

由此机理出发也可以解释上升时间比下降时间普遍要长的实验结果：上升时的光强初始值小于下降时的光强初始值，E1越小，Δt越大，因此，上升时间较长.

本次实验中也存在不足，光强的瞬间改变只能通过手动改变灯泡电压开关，开关的快慢可能会影响响应时间的测量. 同时由于实验装置的限制，无法实现灯泡电压和光敏电阻与灯泡距离的同步改变，使得光强不能够实现连续性改变，从而限制了一些数据的获取.

4 结 论

实验表明，光敏电阻存在响应时间，光强改变量与改变前光强大小均会影响响应时间. 光强改变量ΔE是光生载流子积累和消失的推动力，因而ΔE越大，Δt越小. 光强突变前的初始值E1也会对响应时间有影响，E1越大，Δt越小.

参考文献：

[1] 秉时. 光敏电阻的种类、原理及工作特性[J]. 红外,2003(11):48.

[2] 范佳午,杨军,张灿坤，等. 光敏电阻响应时间的研究实验[J]. 物理实验,2007,27(3):46-48.

[3] 舒秦,王瑞平，孙向红等. 光敏电阻特性的研究[J]. 西安科技学院学报,2000,20(4):377-379.

[4] 秉时,燕南. 光敏电阻及应用[J]. 红外,1999(7):49.

[5] 周磊,高维璐,沈学浩. 光敏电阻在一定光照条件下随温度变化的特性[J]. 实验室研究与探索,2010,29(5):26-29.

[6] 张斌,李文启,易小月. 光敏电阻的特性研究及应用[J]. 才智,2009(30):68.

[7] 王彦华,刘希璐. 光敏电阻器原理及检测方法[J]. 装备制造技术,2012(12):101-102.

[8] 高峰. 灵敏度在不断提高的光敏电阻[J]. 仪器制造,1978(4):39-42.

[9] 宋吉江,牛秩霞. 光敏电阻的特性及应用[J]. 家用电器,2000(7):35-36.

[10] 吴文明. 光电检测技术[M]. 北京：高等教育出版社,2010.