光敏電阻延時特性的驗證及光強對其影響的探究

謝 音，趙澤龍，李 偉，于白茹，梁小沖，李紫源，郝彥軍，朱 俊

(四川大學 a.化學工程學院; b.物理科學與技術學院，四川 成都 610065)

1 引 言

光敏電阻是一種使用廣泛的光電轉換器件，目前,光敏電阻已廣泛應用于控制路燈自動點熄電路、照相機自動曝光電路、照度計、沖床自動斷電器和其他自動控制裝置中[1]. 大學物理實驗已開展對光敏電阻的伏安特性、光照特性的測定，但對于其延時特性的測定較少. 范佳午等研究了光敏電阻響應時間與照射光照度和波長的關系，其中響應時間是指光強從零突變到某一值時的延遲時間[2]. 本實驗在驗證了光強從零突變時光強與響應時間的關系后，進一步探究了光強從非零值突變時的情況，指出突變前的光強對其響應時間也存在影響.

2 實驗原理及設計

2.1 光敏電阻的原理

光電效應分為外光電效應和內光電效應[3]. 光敏電阻是利用半導體的內光電效應制成的光敏元件. 所謂內光電效應是指半導體材料在光線輻射作用下改變其導電率的一種光電效應[4]. 當內光電效應發生時，光敏電阻吸收的能量使部分價帶中的電子躍遷至導帶，從而產生自由電子和自由空穴，使得其導電性增加，電阻值下降. 光照停止后，自由電子和自由空穴逐漸復合，電阻值又迅速上升[5]. 基于內光電效應，在光強改變時，光電導的上升和下降有一定的弛豫時間，反映了光生載流子的積累和消失過程. 這段弛豫時間又稱為響應時間[6].

2.2 實驗設計

實驗中，響應時間由上升時間或下降時間表示，其數值由示波器上直接讀出. 由示波器測出的上升時間指光電流從初始值到最后的穩定值的改變量的10%上升到90%的時間，下降時間指從初始值到最后的穩定值的改變量的90%下降到10%的時間.

實驗中所用到的儀器有：光敏電阻板、測試架、九孔板、DH-VC3直流恒壓源、萬用表、電阻元件、轉接盒、小燈泡、DH1052E數字示波器. 利用實驗儀器設計測試電路圖，其實驗原理圖如圖1所示.

圖1 光敏電阻響應時間測試原理圖

圖1中，總電源為直流可變電源，光敏電阻與定值電阻串接，且光敏電阻與小燈泡都裝在轉接盒中，光敏電阻所受光照強度的改變由小燈泡的電壓和小燈泡與光敏電阻的距離改變達到. 同時數字示波器接在定值電阻的兩端，通過測試數據反映電路由光敏電阻所引起的變化.

3 實驗結果及分析

3.1 驗證光敏電阻的延時特性

當光敏電阻受到脈沖光照射時，光電流要經過一段時間才能達到穩定值，而且在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的延時特性[7]. 首先對光敏電阻的延時特性進行驗證，按照原理圖1接線，示波器CH1通道反映光敏電阻的光電流變化曲線，CH2通道反映小燈泡兩端的電壓. 當光強突變時，測得CH1和CH2信號如圖2所示.

圖2 光敏電阻延時特性的驗證

由圖2中可看出，光電流變化落后于小燈泡兩端電壓的變化，因而當光敏電阻所受光強發生改變時，光電流要經過一段時間才能達到穩態值，驗證了其延時特性的存在.

3.2 探究光強對響應時間的影響

3.2.1 光強從零突變時光敏電阻的響應時間

光敏電阻的響應時間與光強的大小有關，為了探究光強與光敏電阻響應時間的具體關系，首先按照原理圖組裝電路，同時在小燈泡電路中串聯開關，以便瞬間改變光照強度. 通過實驗測得不同光強下光敏電阻的響應時間，具體數據如表1所示. 實驗中U=10 V，R=1 kΩ.

圖3為光敏電阻的響應時間曲線圖,從中可以看出：光強(或光強變化量)會對響應時間產生影響，如果光敏電阻接受的光量越大，被激發的電子也越多，則響應速度加快[8]，即光強(或光強變化量)越強，其響應時間越短. 在本實驗條件下，當光照強度小于1 000 lx時,響應時間會隨著光強的增大而迅速減小,即光強較小時，光敏電阻對光強改變量較為敏感;當光強大于1 000 lx時,響應時間變化較小.

表1 光強從零突變時光敏電阻的響應時間

圖3 光強從零突變時光敏電阻的響應時間與光強關系

3.2.2 光強從非零值突變時光敏電阻的響應時間

表2 光強從非零值突變時光敏電阻的響應時間

3.2.2中測定了光強由非零值突變時的上升響應時間和下降響應時間，并且比較了它們的大小，同時計算了上升和下降時間的平均值和光強的相對改變率. 不同的光強初始值以及光強的相對變化率可能會對響應時間產生影響，因此分別作出二者與響應時間的曲線圖，來進一步探究其影響.

圖4 Δt與ΔE的關系

取光強初始值E1與上升響應時間Δt作圖如圖5所示. 由圖5可見：不同的光強初始值E1也會對響應時間產生影響，光強初始值越大，響應時間越短. 因光強相對變化率ΔE/E1同時反映了ΔE和E1的影響，因而有必要探究ΔE/E1對的Δt影響. 取表2中相近的ΔE/E1求平均與相應的Δt求平均，處理后的數據如表3所示.

圖5 光強突變之前光強值對響應時間的影響

ΔE/E1Δt/ms1.021 96165.81.446 42287.02.480 598129.25.753 306186.2

由表3數據作圖如圖6所示. 由圖6可以看出，光強的相對變化率越大，則響應時間越長，所以光強的相對變化率是影響光敏電阻響應時間的另一因素.

圖6 光強相對變化率與響應時間的關系

通過實驗可以看出ΔE和E1均不能單獨成為影響響應時間的因素，而光強相對改變率包含了這2個因素. 光強相對改變率越大，所需響應時間也越長.

ΔE與E1對光敏電阻響應時間的影響可以從下面的角度加以解釋. 光強改變量是光生載流子積累和消失的推動力，因而ΔE越大，Δt越小. 光強突變前的初始值也會對響應時間有影響，E1越大，相同光強改變量條件下光生載流子積累速度越快，Δt越小.

由此機理出發也可以解釋上升時間比下降時間普遍要長的實驗結果：上升時的光強初始值小于下降時的光強初始值，E1越小，Δt越大，因此，上升時間較長.

本次實驗中也存在不足，光強的瞬間改變只能通過手動改變燈泡電壓開關，開關的快慢可能會影響響應時間的測量. 同時由于實驗裝置的限制，無法實現燈泡電壓和光敏電阻與燈泡距離的同步改變，使得光強不能夠實現連續性改變，從而限制了一些數據的獲取.

4 結 論

實驗表明，光敏電阻存在響應時間，光強改變量與改變前光強大小均會影響響應時間. 光強改變量ΔE是光生載流子積累和消失的推動力，因而ΔE越大，Δt越小. 光強突變前的初始值E1也會對響應時間有影響，E1越大，Δt越小.

參考文獻：

[1] 秉時. 光敏電阻的種類、原理及工作特性[J]. 紅外,2003(11):48.

[2] 范佳午,楊軍,張燦坤，等. 光敏電阻響應時間的研究實驗[J]. 物理實驗,2007,27(3):46-48.

[3] 舒秦,王瑞平，孫向紅等. 光敏電阻特性的研究[J]. 西安科技學院學報,2000,20(4):377-379.

[4] 秉時,燕南. 光敏電阻及應用[J]. 紅外,1999(7):49.

[5] 周磊,高維璐,沈學浩. 光敏電阻在一定光照條件下隨溫度變化的特性[J]. 實驗室研究與探索,2010,29(5):26-29.

[6] 張斌,李文啟,易小月. 光敏電阻的特性研究及應用[J]. 才智,2009(30):68.

[7] 王彥華,劉希璐. 光敏電阻器原理及檢測方法[J]. 裝備制造技術,2012(12):101-102.

[8] 高峰. 靈敏度在不斷提高的光敏電阻[J]. 儀器制造,1978(4):39-42.

[9] 宋吉江,牛秩霞. 光敏電阻的特性及應用[J]. 家用電器,2000(7):35-36.

[10] 吳文明. 光電檢測技術[M]. 北京：高等教育出版社,2010.