小光强单色光照射下的光敏电阻特性研究

孙宝光，刘春兰

(重庆科技学院，重庆 401331)

光传感器是测量端与信息处理系统的中间环节，可以认为是把光信息变换为电信息的一个元件，而光敏电阻就是基于内光电效应的一种光传感器。光敏电阻具有灵敏度高、光谱特性好、使用寿命长、稳定性能高、体积小及制造工艺简单等特点，所以广泛应用于自动化技术中，作为开关式光电信号传感元件，如照相机日光控制、电子光控玩具、可见光波段光电控制测量等方面。

1 实验的基本原理及实验仪器

1．1 光敏电阻

光照下物体的电导率改变的现象称为内光电效应(光导效应)，光敏电阻是基于内光电效应的光电元件。当内光电效应发生时，固体材料吸收的能量使部分价带电子迁移到导带，同时在价带中留下空穴。材料中载流子数目增加，材料的电导率增加，电导率的改变量为［1］

式中e为电荷电量，Δp为空穴浓度的改变量，Δn为电子浓度的改变量，μp为空穴的迁移率，μn为电子的迁移率。

由于光电导效应只限于光照的表面薄层，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案。它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。为了避免外来干扰，光敏电阻外壳的入射孔上盖有一种能透过所要求光谱范围的透明保护窗(如玻璃)。为了避免光敏电阻的灵敏度受潮湿等因素的影响，将电导体严密封装在金属壳中。

光敏电阻的暗电阻越大，亮电阻越小，则性能越好。实际用的光敏电阻的暗电阻在1～100 MΩ之间，而亮电阻在几千欧姆以下。由光敏电阻光照特性特点，光敏电阻不宜作为线性测量元件，在一般的控制系统中用作开关式光电信号传感元件。

用于制造光敏电阻的材料主要有金属的硫化物、硒化物和锑化物等半导体材料。在可见光范围内，常用的光敏电阻是硫化镉(CdS)，文章中即采用了该种光敏电阻。光敏电阻的主要参量有暗电阻、亮电阻、光谱范围、峰值波长和时间常量等。

1．2 实验仪器及材料

光敏电阻GM-3K;QJ24型携带式直流单臂电桥;WGD-100小型光栅单色仪;偏振片SZ-41;万用表;溴钨灯等。

在本实验中，用WGD-100小型光栅单色仪获得单色光，进行不同波长光照下光敏电阻的反应，找出了峰值波长，并在峰值波长附件选择几种不同波长小光强单色光，对光敏电阻的基本特性进行研究。

2 实验数据分析

2．1 光谱响应及峰值波长的测量

首先使用溴钨灯产生复色光，再利用WGD-100小型光栅单色仪获得单色光，单色仪波长范围200-800 nm，波长精度在±3 nm。CdS中掺杂的原子不同及掺杂浓度不同，其峰值波长有所不同，一般在520-720 nm范围内。与人眼视觉的光谱特性相近。比较适用于制成照相机曝光装置及照度计。在一定电压下，使用不同波长的单色光照射光敏电阻，将所测电流转换成相对强度。实验结果如图1所示。

结果显示有较好的单峰性，且峰值波长在555 nm。至于单色光强度，因为光路调节，光源的发光特性［2］(即光源发射光谱的能量分布)等原因很难进行比较，所以现在得到了随波长在小光强下的响应仍然有很好的参考意义。

图1 光敏电阻光谱响应与峰值波长

2．2 伏安特性

伏安特性是指在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压和光电流之间的关系。

由式(1)，当光敏电阻两端加上电压U后，光电流为

其中A为与电流垂直的截面积，d为电极间的距离。

图2 在不同波长单色光照射下的伏安特性

由式(1)和式(2)可知，光照一定时，光敏电阻两端所加电压与光电流为线性关系，呈电阻特性。该直线经过零点，其斜率即可反映在该光照下的阻值状态。在实验中，取不同波长的单色光分别进行实验，所测量电流跟电压有良好而稳定的线性关系，电压增大，光电流也增大，灵敏度也随之增大，没有出现饱和现象。光敏电阻两端电压不能无限制提高，超过最高工作电压和最大额定功率，会导致光敏电阻损坏［3］。如图2所示。

其分别对应的电阻见表1所示。

表1 不同波长对于的电阻大小

2．3 光照特性

光照特性是指在一定外加电压下，光敏电阻的光电流与光通量之间的关系。实验中使用两块偏振片控制光强，由于光的偏振特性，起偏器角度为θ时，由马吕斯定律计算出入射光强与正比于cos2θ，其中θ为两块偏振片的偏振化方向的夹角。θ角度从0°间隔10°，变到90°，考虑到旋转时误差，再从90°旋转到180°作为角度补偿。

测量不同波长入射光照射下下，光照特性如图3所示，在小光强下，随相对光强即(cos2θ)增加，所测量电流迅速增加，即所对应电阻迅速减小。而没有出现大光强对应下的随光照的增加，斜率呈逐渐减小的趋势［4］。

图3 小光强下各不同波长单色光照射下的光照特性

考虑到用电压表和电流表的伏安法，存在系统误差，且不是对电阻的直接测量，在实验中选择了QJ24型携带式直流单臂电桥对光敏电阻大小直接测量。直流电桥电阻测量范围在1～107Ω适合用来对光敏电阻的测量，并且测量误差较小，而实际用的光敏电阻的暗电阻在1～100 MΩ之间，而亮电阻在几千欧姆以下，所以可以用电桥直接测量光敏电阻。利用平衡电桥和非平衡电桥可以研究光敏电阻的光电特性［5］，涵盖电学，光学，半导体物理学等基础知识。

用电桥对波长为555 nm单色光对光敏电阻进行光照特性的测量如图4所示，效果良好。由光敏电阻光照特性特点，光敏电阻不宜作为线性测量元件，在一般的控制系统中用作开关式光电信号传感元件。

图4 电桥法测量的光照特性

实验中还使用伏安法、电桥法和万用表法对电阻的测量进行了比较，如表2所示，电桥法直接测量误差较小，尤其在电阻较大时效果更好。另外在测量时也需要考虑温度的影响，亮电阻，暗电阻的阻值随温度升高而变化［6］。

3 结 论

在光敏电阻特性研究实验中，一般讨论的都是复色光，大光强下的伏安特性、光照特性，并且由于光路或者光源等原因，很少讨论光谱响应和峰值波长的测量。本实验中利用WGD-100小型光栅单色仪获得单色光进行了初步的光谱响应和峰值波长的测量，然后进一步讨论了小光强下单色光对光敏电阻的伏安特性，光照特性。

表2 3种方法对光敏电阻光照特性的电阻测量比较

［1］ 唐海燕．大学物理实验［M］．北京:高等教育出版社，2011:247-249．

［2］ 张平．用简易光谱仪测定光敏电阻的电导与波长的关系［J］．实验技术与管理，2001，18(6):49-53．

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

［4］ 周红．光敏电阻基本特性测量实验的设计［J］．物理实验，2003，23(11):9-11．

［5］ 高茜．用电桥研究光敏电阻的光电特性［J］．物理实验，2004，09，24(9):13-15．

［6］ 周磊．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．