第一章 光敏电阻及其特性1

第1章 光敏电阻及其特性

1.1 光敏电阻的功能与结构

光敏电阻是根据光电导效应制成的光电探测器件，所谓光电导效应就是光电材料受到光辐射后，材料的电导率发生变化。它可以这样理解：材料的电导率、电阻与该材料内部电子受到的束缚力有关，束缚力越大，电子越难自由运动，电导率越小，电阻越大；当电子吸收外来的一定能量的光子后，根据能量守恒原则，动能增加，材料对电子的束缚力减弱，电导率减小，电阻减小。从而等到结论：光敏电阻的阻值会随着光照强弱的变化而变化。光照强，光敏电阻的阻值就小；光照弱，光敏电阻的阻值就大。暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻，亮电阻光敏电阻在受光照射时的电 阻称为亮电阻。

光敏电阻在应用时，通常采用的电路形式

如图1-1所示。R p 为光敏电阻，R L 为负载电阻， V b 为偏置电压，V L 为光敏电阻两端电压。

光敏电阻在使用时呈现一定的电路特性：光 敏电阻的两极加上一定电压后，当光照射在光电

导体时，由光照产生的光生载流子在外加电场作用下沿一定方向运动，在电路中产生电流。光敏电阻的电路特性（电阻、转换效率等）和光电导体长度有关。通常将光敏电阻的光敏面作成蛇形，电极作成梳状，如图1-2所示；这样既可 保证有较大的受光表面，也可以减小电极之间距离， 从而既可减小极间电子渡越时间，也有利于提高灵 敏度。

1.2 光敏电阻的特性

光敏电阻的材料和结构不同，会使光敏电阻

呈现不同的特性。在不同的应用场合下，就应选用不同特性的光敏电阻。光敏电阻的选择通常应考虑光电材料的光谱特性、光电电路的转换效率和响应时间等因素。

1.2.1 光谱特性

光敏电阻的光电导效应不是在任意的光照下都能呈现，只有光子能量大于材料的间接能隙（原子的能级之差）时，光敏电阻才能呈现光电导效应。

光敏电阻与入射光光谱之间的特

图1-1

光敏电阻基本应用电路

图1-2 光敏电阻的电路符号及蛇形结构

性，称之为光敏电阻的光谱特性。不同光敏材料的光谱特性有很大差异。

光敏电阻按材料分类有两种类型：本征型光敏电阻和掺杂型光敏电阻。由于掺杂材料灵活改变了光敏电阻的光谱特性，目前市场上所采用的基本上是掺杂型光敏电阻。其光谱特性及最佳工作波长范围可分为三类：一类是紫外光 敏感型光敏电阻，如硫化镉和硒化镉等。另一类 是可见光敏感型光敏电阻，如硫化铊等。还有一 类是红外光敏感型光敏电阻，如硫化铅等。常见 的光敏电阻有硫化镉光敏电阻、硫化铅光敏电阻、 锑化铟光敏电阻、碲镉汞系列光敏电阻等。特别 提示的是：硫化镉与人眼的光谱光视效率曲线的 范围和峰值波长(555nm) 非常接近，因此可用于 与人眼有关的仪器，例如照相机、照度计、光度计等。

1.2.2 照度特性

在光敏电阻上加上一定电压时，光敏电阻的光电流或光电阻与入射光照度之间的关系称为光敏电阻的照度特性。CdS 光敏电阻在恒定电压作 用下的光照特性曲线如图1-4所示，当照度很低时， 曲线近似为线性，随着照度的增高，线性关系变坏， 当照度很高时，曲线近似为抛物线形。图中，曲线的 斜率表示的是光敏电阻的转换效率（入射光辐射与光 生电流）。在光电测量场合下，对照度曲线线性度要 求较高；但在光电开关应用中，对线性度要求不高。

1.2.3 响应时间

光敏电阻在光照时，光生载流子的产生或消失都要经过一段时间，这就是光敏电阻的响应时间，它反映了光敏电阻的惰性。光敏电阻的响应时间约为10-2~10-3s ，与其他光电器件相比，其响应时间是最慢的。CdSe 光敏电阻的响应时间约为10ms ，CdS 的响应时间约为100ms 。因此，光敏电阻通常都工作于直流或低频状态下。

1.2.4 温度特性

温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应，同时，光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图1-5为硫化铅光敏电阻的光

图1-3

光敏电阻的光谱特性曲线

图1-4 硫化镉光敏电阻的光电特性曲线

谱温度特性曲线，它的峰值随着温度上升向波 长短的方向移动。因此，硫化铅光敏电阻要在 低温、恒温的条件下使用。对于可见光的光敏 电阻，其温度影响要小一些。

1.3 光敏电阻的应用

光敏电阻可将光转换为电信号，是一种典型的光电器件，但光敏电阻和其它半导体光电

器件相比有以下特点：（1）光谱响应范围相当宽。根据光电导材料的不同，光谱响应可从紫外光、可见光、近红外扩展到远红外，尤其对红光和红外辐射有较高的响应度。（2）工作电流大，可达数毫安。（3）所测光强范围宽。既可测强光，也可测弱光。（4）灵敏度高。光导电增益大于1。（5）偏置电压低，无极性之分，使用方便。其缺点是在强光照射下光电转换线性较差。光电驰豫过程较长，频率响应很低。

光敏电阻在农业生产和发展生活方面，主要用在自动控制装置和光检测设备中，如生产线上的自动送料、自动门装置、应急自动照明、自动给水与停水装置、生产安全装置、烟雾火灾报警装置等方面，还广泛应用于自动灯塔、劳动保护、照度测量、电子娱乐及家用电器等方面。

第2章 光敏电阻特性参数及其测量

2.1 实验目的

通过光敏电阻特性的参数测量实验，学习光敏电阻的基本工作原理；掌握光敏电阻的光照特性、时间响应特性和伏安特性等基本特性。达到能够选用光敏电阻器件进行光电检测方面课题设计的目的。

2.2 实验仪器

1） GDS-Ⅱ型光电实验平台主机系统； 2） LED 光源及其夹持装置各一个； 3） 光敏电阻探测器及其夹持装置各一个； 4） 磁性表座二只； 5） 连接线20

条；

图1-5 硫化铅光敏电阻的温度特性

6）示波器探头2条；

2.3 实验原理

某些物质吸收了光子的能量后，产生本征吸收或杂质吸收，从而改变了物质电导率的现象称为物质的光电导效应。利用具有光电导效应的材料（如硅、锗等本征半导体与杂质半导体，硫化镉、硒化镉、氧化铅等）可以制成电导(或电阻)随入射光度量变化器件，称为光电导器件或光敏电阻。

当光敏电阻受光照射时，其阻值将发生变化。光照越强，它的电阻值越低。因此，可以通过一定的电路得到输出信号随光的变化而改变的电压或电流信号。测量信号电压或电流很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值(亮电阻)急剧减少，因此电路中电流迅速增加。便可获得光敏电阻随光或时间变化的特性，即光敏电阻的特性参数。

通过本节实验，要求深入掌握“光电技术”第2章2.2节所讲授的关于光敏电阻光照特性、伏安特性和时间响应特性等内容。

实验中所涉及的变换电路应参考“光电技术”第2章2.2节所讲授的光敏电阻变换电路。

2.4 实验内容

1、光敏电阻暗电阻和亮电阻的测量；

2、光敏电阻光照特性测量；

3、光敏电阻伏安特性测量；

4、光敏电阻时间响应特性测量

2.5 实验步骤

2.5.1 暗电阻的测量

从GDS-Ⅱ型实验平台备件箱中取出光敏电阻实验装置，并将光敏电阻探测器实验装置的引线连接到实验平台上的半导体光电传感器插孔内，并用导线将光敏电阻及测量电表连接成如图2-1所示电路，电路中的电流表用实验平台主机提供的数字微安表，电源也使用由实验平台提供的数字电压表，可调电源应该用平台上提供的12V电源、电位器、电阻与三极管等元器件自行设计装调出可调电压的电源。

实验时，应该首先测量光敏电阻的暗电阻。测量时千万不要打开光敏电阻实验装置的保

护窗盖，必须使它始终处于暗室状态才能测出它的真实暗电阻，否则由于光敏电阻的惯性与

前历效应使你在实验阶段无法测出准确的暗电阻。

按着如图2-1所示的测量电路测出它的暗电流I d ，它与电源电压U bb 之比的倒数即为光敏电阻的暗电阻R d 。将所测得的电源电压U bb 值与电流I d 值分别填入表2-1，得到光敏电阻暗电阻的阻值。

表2-1光敏电阻暗电阻的测量

测量次数

电源电压U bb （V)

电流I P (mA) 暗电阻R d （Ω） 测量公式

1 5 0.01 0.5M P bb d I U R =

2 10 0.01 1.0M

3 12 0.01 1.2M 4

15

0.01

1.5M

2.5.2 亮电阻的测量

光敏电阻的亮电阻测量装置如图2-2所示，测量电路依然如图2-1所示。当光敏电阻在一定的光照下（可以用数字照度计事先测出LED 光 源在不同电流下的照度值确定），测得的电流I P 与电源电压U bb （测量亮电阻时为确定值如12V ） 之比的倒数为光敏电阻的亮电阻阻值R L 。将所测 得的电源电压U bb 值与电流I P 填入表2-2，利用测 量数据计算光敏电阻的亮电阻值。

表2-2光敏电阻亮电阻的测量

测量次数

电源电压U b （V) 入射光照

E v(lx)

电流I P (mA) 亮电阻R L （Ω） 测量公式

1 1

2 100 0.58 20.69K P bb L I U R =

2 12 120 0.58 20.69K

3 12 140 0.60 20.00K

4 12 160 0.62 19.35K

5 12 180 0.62 19.35K

6 12

200

0.65

18.46K

2.5.3 光敏电阻光照特性的测量

利用GDS-Ⅱ型光电综合实验平台，按图2-1所示的测量电路连接便可以进行光敏电阻光照特性的测量实验。实验前，先将发光二极管用数字照度计进行标定，得到发光管电流I f 与受光面照度E v 间的对应关系。然后，将光敏电阻的光敏面置于照度计标定过的受光面上。通过改变发光管电流I f 获得不同光照度E v 所对应的阻值R p 。将I f 与阻值R p 或（照度E v 与阻值R p ）分别用直角坐标系及以10为底的对数坐标系画出，该曲线即为光敏电阻的光照特性曲线。比

较二种坐标系下的曲线，分析它们的特点。坐标图见后。

表2-3光敏电阻光照特性的测量

测量次数电源电压U b

（V)受光面照度

E v(lx)

发光管电流

I f(mA)

光敏电阻电

流I p(mA)

阻值R p

1 5 100 0.6

2 0.28 17.86k

2 5 120 0.7

3 0.31 16.13k

3 5 140 0.83 0.35 14.29k

4 5 160 0.90 0.37 13.51k

5 5 180 1.07 0.40 12.50k

6 5 200 1.12 0.43 11.63k

7 5 300 1.86 0.63 7.94k

2.5.4 光敏电阻的伏安特性及其测量

利用GDS-Ⅱ型光电综合实验平台提供的硬件资源与示波输入端口很容易构成光敏电阻伏安特性的测量系统。光敏电阻的伏安特性是光敏电阻在一定光照下加在光敏电阻两端的电压U与流过的电流I p间的关系曲线。由于光敏电阻的本质是电阻，因此，伏安特性曲线应为直线。

先将发光二极管光源与GDS-Ⅱ型光电实验平台的电源连接起来，并用照度计测出光敏面的照度，并作记录；再将光敏电阻探头的光敏面安装到受照面上，用连接线将光敏电阻和电源、测量仪表连接成如图2-1所示的测量电路。改变电源电压，得到一族U与I p间的关系值，在如图2-3所示直角坐标系下画出U—I p特性曲线，即为光敏电阻的伏安特性曲线。

当然，利用光电实验平台提供的如图2-4所示的锯齿波扫描电压与同步阶梯波可以很方

图2-4 锯齿波与阶梯波扫描波形图

便地测出光敏电阻的伏安特性曲线。测量方式为在如图2-1 所示的电路中用锯齿波扫描电压

代替电源，用阶梯波给LED 光源提供阶梯光照到光敏电阻上，用锯齿波做X 轴扫描，用流过光敏电阻的电流在外接固定电阻上产生的电压为Y 轴就可以测出它的伏安特性曲线，如图2-5 所示。

图2-5 光敏电阻的伏安特性

实验时，应该先用平台提供的LED 光源与被测光敏电阻实验装置与连接导线和元器件

构成测量电路。

2.5.5 时间响应特性及其测量

光敏电阻是半导体光电器件中时间响应特性最强（或惯性最大）的器件，掌握它的测量方法有利于正确应用这类器件，同时也为测量其他光电器件的时间响应奠定基础。

1.时间响应特性

参考“光电技术”第2 章2.2 节中光敏电阻时间响应特性的内容，掌握光敏电阻在弱辐射与强辐射条件下光敏电阻时间响应的不同。

(1) 弱辐射条件下的时间响应

设入射辐射如图2-6 上方的方波所示光脉冲，其辐 射通量Φ e 表示为

()0

t 0t 0

,>=??

?Φ=Φ当当e e t （2-1）

光敏电阻的光电导率Δ σ 和光电流I e 随时间变 化的规律为如图2-6 下方所示的输出波形，其变化规律 为：

(

)τ

σσt

e

--?=?10（2-2） ()τ

t

e I I e --=10

（2-3）

式中Δ σ0 与I e0 分别为弱辐射作用下的光电导率和光电流的稳态值。

显然，当t >>τ r 时，Δ σ =Δ σ0，I e =I e0；当t =τ r 时，Δ σ =0.63Δ σ0，I =0.63I e0；τ r 定

义为光敏电阻的上升时间常数，即光敏电阻的光电流上升到稳态值I Φ e0 的63%所需要的时间。

停止辐射时，入射辐射通量Φ e 与时间的关系为

()0t 0

t 00,>=??

?Φ=Φ当当e e t （2-4） 同样，可以推导出停止辐射情况下的光电导率和光电流随时间的变化规律 τ

σσt

e -?=?0 （2-5）

τ

t

e

I I e -=0 （2-6）

当t =τ f 时，Δ σ0 下降到Δ σ =0.37Δ σ0，I e0 下降到I =0.37I e0；当t >>τ f 时，Δ σ0 与I e0 均下降到0；可见，在辐射停止后，光敏电阻的光电流下降到稳态值的37%所需要的时间称为光敏电阻的下降时间常数，记为τ f 。

显然，光敏电阻在弱辐射作用下的上升时间常数τ r 与下降时间常数τ f 近似相等。 （2）强辐射条件下的时间响应

如图2-7 所示为较强的辐射通量Φ e （图的上方）脉冲作用于光敏电阻上时的输出波形（图的下方波形），无论对本征型还是杂质型的光敏电阻，光激发载流子的变化规律由式（2-6） 表示。设入射辐射为方波脉冲

()0

t 0

t 00≥=??

?Φ=Φ当当t e （2-7）

光敏电阻电导率的变化规律为

τσσt

tanh

?=? （2-8）

其光电流的变化规律为

τt

tanh

0ΦΦ?=?I I （2-9）

显然，当t >>τ 时，Δ σ =Δ σ0，I e =I e0；当t=τ 时， Δ σ =0.76Δ σ0，I e =0. 76 I e 0。在强辐射入射时，光敏电阻的光电流上升到稳态值的67%所需要的时间τ r 定义为强辐射作用下的上升时间常数。

当停止辐射时，由于光敏电阻体内的光生电子和光生电荷需要通过复合才能恢复到辐射作用前的稳定状态，而且随着复合的进行，光生载流子数密度在减小，复合几率在下降，所以，停止辐射的过渡过程要远远大于入射辐射的过程。停止辐射时光电导率和光电流的变化规律可表示为

τσσt 11

+?=? （2-10）

2. 时间响应的测量

① 常规测量方式

常规测量光敏电阻时间响应特性的方法是用示波器同步测量脉冲光源的发光脉冲与光敏电阻电路输出信号脉冲间的时间延迟。

常规测量方法的测量电路如图2-8 所示。由发光二极管（LED ）及其驱动电路提供快速开关的辐射光源，它将产生脉冲辐射（方波辐射）。在方波辐射的作用下，光敏电阻的阻值 将发生变化，由偏置电阻R b 构成的变换电路将光敏电阻的阻值变化变成输出电压U o 的变化。观测光敏电阻变换电路输出信号脉冲随入射辐射的时间变化规律，便可以测量出它的时间响应特性。

测量时，取U bb =12V 。用示波器测量输出信号U o 与 入射辐射源波形的时间变化波形，从而测得光敏电阻随入 射辐射的变化规律（即时间响应）。

显然，图2-8中的电阻R e 值的大小控制着LED 发出光 的强弱，改变R e 值，可获得不同的辐射通量Φe 作用下光 敏电阻表现出的时间响应特性。因此，通过手动开关与 R e 阻值的改变，便可以观测到如图2-6所示的光敏电阻 在弱辐射与强辐射情况下的时间响应特性。

实验中，要注意电阻R e 值的选择，电阻R e 值较大时，电流I e 较小，LED 发出的光很弱，光敏电阻处于微弱辐射作用的情况，而R e 值较小，I e 较大，入射到光敏电阻上的照度将使光敏电阻处于强辐射状态。

采用手动控制光源的开关，或将脉冲加到光源的信号控制端都能够得到开关方式快速变化的强、弱两种脉冲辐射，用示波器或其他测量手段都可以方便地观测到光敏电阻在弱、强两种辐射情况下的时间响应特性。

手动测量法应将实验所得数据画出响应曲线，如果画在直角坐标架（如图2-9

所示）上，

其横轴应为时间坐标轴，从输入输出波形曲线可以清楚地看出响应特性，它们的两个极限情况就是微弱辐射作用与强辐射作用下的两种时间响应特性曲线。

图2-9 光敏电阻的时间响应特性测量曲线

②仪器自动测量的方式

采用GDS-Ⅱ型光电综合实验平台很容易测量光敏电阻的时间响应特性。实验时，首先要学习光电综合实验平台有关的操作规程、相应的软件操作规程与应用注意事项。再打开计算机电源，进入光敏电阻时间响应测量程序，调出如图2-10所示的“时间相应测量的软件界面”提示的相关内容（如强、弱辐射等），用实验平台上的“示波输入端口CH1测量如图2-8 所示光源的发光脉冲U i，用示波输入端口CH2测量图2-8所示光敏电阻输出信号U o。然后，按界面提示的步骤进行实验，得到如图2-10所示的输出波形图，从两个波形可以测量出它们之间的时间延迟。

同样，通过调整电阻R e的阻值增大或降低流过发光管LED的电流使加到光敏电阻光敏面上的照度强与弱完成对光敏电阻在强、弱两种辐射作用下的时间响应特性测量实验，将如图2-10所示波形与图2-6及2-7所示的时间响应波形相比较，显然它具有强辐射的特征，输出信号的上升时间很短而下降时间拖得很长。

改变R e的阻值，使提供给LED的电流降低而发出很微弱的光脉冲，在微弱光脉冲的作用下光敏电阻表现出如图2-11所示的弱辐射作用下的时间相应特性。

图2-10 时间相应测量软件界面

图2-11 弱辐射作用下光敏电阻的时间相应

点击鼠标右键，界面上会弹出测量坐标线，用其可以观测或测量出光敏电阻的上升时间常数τr与下降时间常数τf。

2.5.6 关机与结束

1、将所测的数据及实验结果（包括实验曲线）保存好，分析实验结果的合理性，如不合理，则要重新补作上述实验；若合理，可以进行关机；

2、将实验平台的电源关掉，再将所用的配件放回配件箱；

3、将实验所用仪器收拾好后，请指导教师检查，批准后离开实验室。

2.6心得体会

通过本次光电设计，使我对光电知识的实际应用有了更深刻的理解和体会，这次课程设计，不仅提高了我的动手能力,使我对设计的整个流程有了一定的了解，更使我了解光电知识应用的广泛性和前景。设计的成功，极大的提高了的我的自信心，促进了我对光电的学习兴趣，使我明白了理论联系实际的重要性。

此次设计使得我清楚了一项设计的整体流程：明确设计要求，功能及功能模块的设计，查阅相关资料和确定元器件，电路连接、调试、调整改进与检查，电路成型，总结；设计电路时，我上网查阅了很多资料和论文，这也培养了我搜索知识的能力，开拓了我的视野。电路的设计，还巩固了我模电的知识。电路的连接和调试极大的提高了我的动手实践能力，这也是目前我最缺乏的。调试过程中，使我明白动手的重要性，实践出真知。理工科的学生，就应该具备这样的动手能力。最后，设计报告的制作，又使我熟练掌握了原理图的绘制，Word

软件的多功能操作。还培养了我整理知识的能力，使我熟悉了报告制作的基本要求。

总之，这次设计，使我认识到了自己知识的局限性，培养了我的动手能力，并使我体会到了成功的感觉，对我今后的学习起到了极大的促进作用。