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(xué) a.化學(xué)工程學(xué)院; b.物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610065)

1 引 言

光敏電阻是一種使用廣泛的光電轉(zhuǎn)換器件，目前,光敏電阻已廣泛應(yīng)用于控制路燈自動(dòng)點(diǎn)熄電路、照相機(jī)自動(dòng)曝光電路、照度計(jì)、沖床自動(dòng)斷電器和其他自動(dòng)控制裝置中[1]. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)已開(kāi)展對(duì)光敏電阻的伏安特性、光照特性的測(cè)定，但對(duì)于其延時(shí)特性的測(cè)定較少. 范佳午等研究了光敏電阻響應(yīng)時(shí)間與照射光照度和波長(zhǎng)的關(guān)系，其中響應(yīng)時(shí)間是指光強(qiáng)從零突變到某一值時(shí)的延遲時(shí)間[2]. 本實(shí)驗(yàn)在驗(yàn)證了光強(qiáng)從零突變時(shí)光強(qiáng)與響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系后，進(jìn)一步探究了光強(qiáng)從非零值突變時(shí)的情況，指出突變前的光強(qiáng)對(duì)其響應(yīng)時(shí)間也存在影響.

2 實(shí)驗(yàn)原理及設(shè)計(jì)

2.1 光敏電阻的原理

光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)[3]. 光敏電阻是利用半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)制成的光敏元件. 所謂內(nèi)光電效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料在光線輻射作用下改變其導(dǎo)電率的一種光電效應(yīng)[4]. 當(dāng)內(nèi)光電效應(yīng)發(fā)生時(shí)，光敏電阻吸收的能量使部分價(jià)帶中的電子躍遷至導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生自由電子和自由空穴，使得其導(dǎo)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(fù)合，電阻值又迅速上升[5]. 基于內(nèi)光電效應(yīng)，在光強(qiáng)改變時(shí)，光電導(dǎo)的上升和下降有一定的弛豫時(shí)間，反映了光生載流子的積累和消失過(guò)程. 這段弛豫時(shí)間又稱(chēng)為響應(yīng)時(shí)間[6].

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中，響應(yīng)時(shí)間由上升時(shí)間或下降時(shí)間表示，其數(shù)值由示波器上直接讀出. 由示波器測(cè)出的上升時(shí)間指光電流從初始值到最后的穩(wěn)定值的改變量的10%上升到90%的時(shí)間，下降時(shí)間指從初始值到最后的穩(wěn)定值的改變量的90%下降到10%的時(shí)間.

實(shí)驗(yàn)中所用到的儀器有：光敏電阻板、測(cè)試架、九孔板、DH-VC3直流恒壓源、萬(wàn)用表、電阻元件、轉(zhuǎn)接盒、小燈泡、DH1052E數(shù)字示波器. 利用實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)測(cè)試電路圖，其實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1所示.

圖1 光敏電阻響應(yīng)時(shí)間測(cè)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(zhuǎn)接盒中，光敏電阻所受光照強(qiáng)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(dá)到. 同時(shí)數(shù)字示波器接在定值電阻的兩端，通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)反映電路由光敏電阻所引起的變化.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 驗(yàn)證光敏電阻的延時(shí)特性

當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)，光電流要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)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(shí)特性[7]. 首先對(duì)光敏電阻的延時(shí)特性進(jìn)行驗(yàn)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(dāng)光強(qiáng)突變時(shí)，測(cè)得CH1和CH2信號(hào)如圖2所示.

圖2 光敏電阻延時(shí)特性的驗(yàn)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(dāng)光敏電阻所受光強(qiáng)發(fā)生改變時(shí)，光電流要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，驗(yàn)證了其延時(shí)特性的存在.

3.2 探究光強(qiáng)對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響

3.2.1 光強(qiáng)從零突變時(shí)光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間

光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間與光強(qiáng)的大小有關(guān)，為了探究光強(qiáng)與光敏電阻響應(yīng)時(shí)間的具體關(guān)系，首先按照原理圖組裝電路，同時(shí)在小燈泡電路中串聯(lián)開(kāi)關(guān)，以便瞬間改變光照強(qiáng)度. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同光強(qiáng)下光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間，具體數(shù)據(jù)如表1所示. 實(shí)驗(yàn)中U=10 V，R=1 kΩ.

圖3為光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間曲線圖,從中可以看出：光強(qiáng)(或光強(qiáng)變化量)會(huì)對(duì)響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生影響，如果光敏電阻接受的光量越大，被激發(fā)的電子也越多，則響應(yīng)速度加快[8]，即光強(qiáng)(或光強(qiáng)變化量)越強(qiáng)，其響應(yīng)時(shí)間越短. 在本實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)光照強(qiáng)度小于1 000 lx時(shí),響應(yīng)時(shí)間會(huì)隨著光強(qiáng)的增大而迅速減小,即光強(qiáng)較小時(shí)，光敏電阻對(duì)光強(qiáng)改變量較為敏感;當(dāng)光強(qiáng)大于1 000 lx時(shí),響應(yīng)時(shí)間變化較小.

表1 光強(qiáng)從零突變時(shí)光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間

圖3 光強(qiáng)從零突變時(shí)光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間與光強(qiáng)關(guān)系

3.2.2 光強(qiáng)從非零值突變時(shí)光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間

表2 光強(qiáng)從非零值突變時(shí)光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間

3.2.2中測(cè)定了光強(qiáng)由非零值突變時(shí)的上升響應(yīng)時(shí)間和下降響應(yīng)時(shí)間，并且比較了它們的大小，同時(shí)計(jì)算了上升和下降時(shí)間的平均值和光強(qiáng)的相對(duì)改變率. 不同的光強(qiáng)初始值以及光強(qiáng)的相對(duì)變化率可能會(huì)對(duì)響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生影響，因此分別作出二者與響應(yīng)時(shí)間的曲線圖，來(lái)進(jìn)一步探究其影響.

圖4 Δt與ΔE的關(guān)系

取光強(qiáng)初始值E1與上升響應(yīng)時(shí)間Δt作圖如圖5所示. 由圖5可見(jiàn)：不同的光強(qiáng)初始值E1也會(huì)對(duì)響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生影響，光強(qiáng)初始值越大，響應(yīng)時(shí)間越短. 因光強(qiáng)相對(duì)變化率ΔE/E1同時(shí)反映了ΔE和E1的影響，因而有必要探究ΔE/E1對(duì)的Δt影響. 取表2中相近的ΔE/E1求平均與相應(yīng)的Δt求平均，處理后的數(shù)據(jù)如表3所示.

圖5 光強(qiáng)突變之前光強(qiáng)值對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響

ΔE/E1Δt/ms1.021 96165.81.446 42287.02.480 598129.25.753 306186.2

由表3數(shù)據(jù)作圖如圖6所示. 由圖6可以看出，光強(qiáng)的相對(duì)變化率越大，則響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，所以光強(qiáng)的相對(duì)變化率是影響光敏電阻響應(yīng)時(shí)間的另一因素.

圖6 光強(qiáng)相對(duì)變化率與響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出ΔE和E1均不能單獨(dú)成為影響響應(yīng)時(shí)間的因素，而光強(qiáng)相對(duì)改變率包含了這2個(gè)因素. 光強(qiáng)相對(duì)改變率越大，所需響應(yīng)時(shí)間也越長(zhǎng).

ΔE與E1對(duì)光敏電阻響應(yīng)時(shí)間的影響可以從下面的角度加以解釋. 光強(qiáng)改變量是光生載流子積累和消失的推動(dòng)力，因而ΔE越大，Δt越小. 光強(qiáng)突變前的初始值也會(huì)對(duì)響應(yīng)時(shí)間有影響，E1越大，相同光強(qiáng)改變量條件下光生載流子積累速度越快，Δt越小.

由此機(jī)理出發(fā)也可以解釋上升時(shí)間比下降時(shí)間普遍要長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：上升時(shí)的光強(qiáng)初始值小于下降時(shí)的光強(qiáng)初始值，E1越小，Δt越大，因此，上升時(shí)間較長(zhǎng).

本次實(shí)驗(yàn)中也存在不足，光強(qiáng)的瞬間改變只能通過(guò)手動(dòng)改變燈泡電壓開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)的快慢可能會(huì)影響響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量. 同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)裝置的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)燈泡電壓和光敏電阻與燈泡距離的同步改變，使得光強(qiáng)不能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)性改變，從而限制了一些數(shù)據(jù)的獲取.

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)表明，光敏電阻存在響應(yīng)時(shí)間，光強(qiáng)改變量與改變前光強(qiáng)大小均會(huì)影響響應(yīng)時(shí)間. 光強(qiáng)改變量ΔE是光生載流子積累和消失的推動(dòng)力，因而ΔE越大，Δt越小. 光強(qiáng)突變前的初始值E1也會(huì)對(duì)響應(yīng)時(shí)間有影響，E1越大，Δt越小.

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