小光強(qiáng)單色光照射下的光敏電阻特性研究

孫寶光，劉春蘭

(重慶科技學(xué)院，重慶 401331)

光傳感器是測(cè)量端與信息處理系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，可以認(rèn)為是把光信息變換為電信息的一個(gè)元件，而光敏電阻就是基于內(nèi)光電效應(yīng)的一種光傳感器。光敏電阻具有靈敏度高、光譜特性好、使用壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性能高、體積小及制造工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化技術(shù)中，作為開關(guān)式光電信號(hào)傳感元件，如照相機(jī)日光控制、電子光控玩具、可見光波段光電控制測(cè)量等方面。

1 實(shí)驗(yàn)的基本原理及實(shí)驗(yàn)儀器

1．1 光敏電阻

光照下物體的電導(dǎo)率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)(光導(dǎo)效應(yīng))，光敏電阻是基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件。當(dāng)內(nèi)光電效應(yīng)發(fā)生時(shí)，固體材料吸收的能量使部分價(jià)帶電子遷移到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶中留下空穴。材料中載流子數(shù)目增加，材料的電導(dǎo)率增加，電導(dǎo)率的改變量為［1］

式中e為電荷電量，Δp為空穴濃度的改變量，Δn為電子濃度的改變量，μp為空穴的遷移率，μn為電子的遷移率。

由于光電導(dǎo)效應(yīng)只限于光照的表面薄層，因此光電導(dǎo)體一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極常采用梳狀圖案。它是在一定的掩膜下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的。為了避免外來干擾，光敏電阻外殼的入射孔上蓋有一種能透過所要求光譜范圍的透明保護(hù)窗(如玻璃)。為了避免光敏電阻的靈敏度受潮濕等因素的影響，將電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在金屬殼中。

光敏電阻的暗電阻越大，亮電阻越小，則性能越好。實(shí)際用的光敏電阻的暗電阻在1～100 MΩ之間，而亮電阻在幾千歐姆以下。由光敏電阻光照特性特點(diǎn)，光敏電阻不宜作為線性測(cè)量元件，在一般的控制系統(tǒng)中用作開關(guān)式光電信號(hào)傳感元件。

用于制造光敏電阻的材料主要有金屬的硫化物、硒化物和銻化物等半導(dǎo)體材料。在可見光范圍內(nèi)，常用的光敏電阻是硫化鎘(CdS)，文章中即采用了該種光敏電阻。光敏電阻的主要參量有暗電阻、亮電阻、光譜范圍、峰值波長(zhǎng)和時(shí)間常量等。

1．2 實(shí)驗(yàn)儀器及材料

光敏電阻GM-3K;QJ24型攜帶式直流單臂電橋;WGD-100小型光柵單色儀;偏振片SZ-41;萬用表;溴鎢燈等。

在本實(shí)驗(yàn)中，用WGD-100小型光柵單色儀獲得單色光，進(jìn)行不同波長(zhǎng)光照下光敏電阻的反應(yīng)，找出了峰值波長(zhǎng)，并在峰值波長(zhǎng)附件選擇幾種不同波長(zhǎng)小光強(qiáng)單色光，對(duì)光敏電阻的基本特性進(jìn)行研究。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2．1 光譜響應(yīng)及峰值波長(zhǎng)的測(cè)量

首先使用溴鎢燈產(chǎn)生復(fù)色光，再利用WGD-100小型光柵單色儀獲得單色光，單色儀波長(zhǎng)范圍200-800 nm，波長(zhǎng)精度在±3 nm。CdS中摻雜的原子不同及摻雜濃度不同，其峰值波長(zhǎng)有所不同，一般在520-720 nm范圍內(nèi)。與人眼視覺的光譜特性相近。比較適用于制成照相機(jī)曝光裝置及照度計(jì)。在一定電壓下，使用不同波長(zhǎng)的單色光照射光敏電阻，將所測(cè)電流轉(zhuǎn)換成相對(duì)強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

結(jié)果顯示有較好的單峰性，且峰值波長(zhǎng)在555 nm。至于單色光強(qiáng)度，因?yàn)楣饴氛{(diào)節(jié)，光源的發(fā)光特性［2］(即光源發(fā)射光譜的能量分布)等原因很難進(jìn)行比較，所以現(xiàn)在得到了隨波長(zhǎng)在小光強(qiáng)下的響應(yīng)仍然有很好的參考意義。

圖1 光敏電阻光譜響應(yīng)與峰值波長(zhǎng)

2．2 伏安特性

伏安特性是指在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓和光電流之間的關(guān)系。

由式(1)，當(dāng)光敏電阻兩端加上電壓U后，光電流為

其中A為與電流垂直的截面積，d為電極間的距離。

圖2 在不同波長(zhǎng)單色光照射下的伏安特性

由式(1)和式(2)可知，光照一定時(shí)，光敏電阻兩端所加電壓與光電流為線性關(guān)系，呈電阻特性。該直線經(jīng)過零點(diǎn)，其斜率即可反映在該光照下的阻值狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)中，取不同波長(zhǎng)的單色光分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所測(cè)量電流跟電壓有良好而穩(wěn)定的線性關(guān)系，電壓增大，光電流也增大，靈敏度也隨之增大，沒有出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。光敏電阻兩端電壓不能無限制提高，超過最高工作電壓和最大額定功率，會(huì)導(dǎo)致光敏電阻損壞［3］。如圖2所示。

其分別對(duì)應(yīng)的電阻見表1所示。

表1 不同波長(zhǎng)對(duì)于的電阻大小

2．3 光照特性

光照特性是指在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流與光通量之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中使用兩塊偏振片控制光強(qiáng)，由于光的偏振特性，起偏器角度為θ時(shí)，由馬呂斯定律計(jì)算出入射光強(qiáng)與正比于cos2θ，其中θ為兩塊偏振片的偏振化方向的夾角。θ角度從0°間隔10°，變到90°，考慮到旋轉(zhuǎn)時(shí)誤差，再從90°旋轉(zhuǎn)到180°作為角度補(bǔ)償。

測(cè)量不同波長(zhǎng)入射光照射下下，光照特性如圖3所示，在小光強(qiáng)下，隨相對(duì)光強(qiáng)即(cos2θ)增加，所測(cè)量電流迅速增加，即所對(duì)應(yīng)電阻迅速減小。而沒有出現(xiàn)大光強(qiáng)對(duì)應(yīng)下的隨光照的增加，斜率呈逐漸減小的趨勢(shì)［4］。

圖3 小光強(qiáng)下各不同波長(zhǎng)單色光照射下的光照特性

考慮到用電壓表和電流表的伏安法，存在系統(tǒng)誤差，且不是對(duì)電阻的直接測(cè)量，在實(shí)驗(yàn)中選擇了QJ24型攜帶式直流單臂電橋?qū)饷綦娮璐笮≈苯訙y(cè)量。直流電橋電阻測(cè)量范圍在1～107Ω適合用來對(duì)光敏電阻的測(cè)量，并且測(cè)量誤差較小，而實(shí)際用的光敏電阻的暗電阻在1～100 MΩ之間，而亮電阻在幾千歐姆以下，所以可以用電橋直接測(cè)量光敏電阻。利用平衡電橋和非平衡電橋可以研究光敏電阻的光電特性［5］，涵蓋電學(xué)，光學(xué)，半導(dǎo)體物理學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)。

用電橋?qū)ΣㄩL(zhǎng)為555 nm單色光對(duì)光敏電阻進(jìn)行光照特性的測(cè)量如圖4所示，效果良好。由光敏電阻光照特性特點(diǎn)，光敏電阻不宜作為線性測(cè)量元件，在一般的控制系統(tǒng)中用作開關(guān)式光電信號(hào)傳感元件。

圖4 電橋法測(cè)量的光照特性

實(shí)驗(yàn)中還使用伏安法、電橋法和萬用表法對(duì)電阻的測(cè)量進(jìn)行了比較，如表2所示，電橋法直接測(cè)量誤差較小，尤其在電阻較大時(shí)效果更好。另外在測(cè)量時(shí)也需要考慮溫度的影響，亮電阻，暗電阻的阻值隨溫度升高而變化［6］。

3 結(jié) 論

在光敏電阻特性研究實(shí)驗(yàn)中，一般討論的都是復(fù)色光，大光強(qiáng)下的伏安特性、光照特性，并且由于光路或者光源等原因，很少討論光譜響應(yīng)和峰值波長(zhǎng)的測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)中利用WGD-100小型光柵單色儀獲得單色光進(jìn)行了初步的光譜響應(yīng)和峰值波長(zhǎng)的測(cè)量，然后進(jìn)一步討論了小光強(qiáng)下單色光對(duì)光敏電阻的伏安特性，光照特性。

表2 3種方法對(duì)光敏電阻光照特性的電阻測(cè)量比較

［1］ 唐海燕．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］．北京:高等教育出版社，2011:247-249．

［2］ 張平．用簡(jiǎn)易光譜儀測(cè)定光敏電阻的電導(dǎo)與波長(zhǎng)的關(guān)系［J］．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2001，18(6):49-53．

［3］ 舒泰，王瑞平．光敏電阻特性的研究［J］．西安科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，20(4):377-379．

［4］ 周紅．光敏電阻基本特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)［J］．物理實(shí)驗(yàn)，2003，23(11):9-11．

［5］ 高茜．用電橋研究光敏電阻的光電特性［J］．物理實(shí)驗(yàn)，2004，09，24(9):13-15．

［6］ 周磊．光敏電阻在一定光照條件下隨溫度變化的特性［J］．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29(5):26-29．