2.2 光敏电阻的基本特性

光敏电阻为多数电子导电的光电敏感器件，它的基本特性参数与其他光电器件不同。光敏电阻的基本特性参数包括光电特性、伏安特性、温度特性、时间响应与噪声特性等。

1．光电特性

光敏电阻在黑暗的室温条件下，由于热激发产生的载流子使它具有一定的电导，该电导称为暗电导，其倒数为暗电阻，一般的暗电导值都很小（或暗电阻值都很大）。当有光照射在光敏电阻上时，它的电导将变大，这时的电导称为光电导。电导随光照量变化越大的光敏电阻，其灵敏度越高，这个特性称为光敏电阻的光电特性。

在1.6.1节讨论光电导效应时我们看到，光敏电阻在弱辐射和强辐射作用下表现出不同的光电特性（线性与非线性），式（1-84）与式（1-87）分别给出了它在弱辐射和强辐射作用下的光电导与辐通量的关系。这是两种极端的情况，那么光敏电阻在一般辐射作用下的情况如何呢？

实际上，光敏电阻在由弱辐射到强辐射的作用下，它的光电特性可用在“恒定电压”下流过光敏电阻的电流Ip，与作用到光敏电阻上的光照度E的关系曲线来描述。如图2-3所示为 CdS 光敏电阻的光照特性曲线。由图可见，曲线是由线性渐变到非线性的。

在恒定电压的作用下，流过光敏电阻的光电流为

式中，Sg为光电导灵敏度，E为光敏电阻的照度。显然，

当照度很低时，曲线近似为线性，Sg由式（1-85）描述；随着照度的增高，线性关系变坏，当照度变得很高时，曲线近似为抛物线形，Sg由式（1-87）描述。为此，光敏电阻的光电特性可用一个随光度量变化的指数因子γ来描述，并定义γ为光电转换因子。将式（2-1）改为

在弱辐射作用的情况下，γ=1；随着入射辐射的增强，γ值减小；当入射辐射很强时，γ值降低到0.5。

在实际使用时，常常将光敏电阻的光电特性曲线改用如图2-4所示的特性曲线。由图2-4（a）所示的线性直角坐标系可见，光敏电阻的阻值R与入射照度Ev在光照很低时随光照度的增加而迅速降低，表现为线性关系；当照度增加到一定程度后，阻值的变化变缓，然后逐渐趋向饱和。但是，在如图2-4（b）所示的对数坐标系中，光敏电阻的阻值R在某段照度Ev范围内的光电特性表现为线性，即式（2-2）中的γ保持不变，因此，γ值为对数坐标系下特性曲线的斜率，即

式中，R1与R2分别是照度为E1和E2时光敏电阻的阻值。显然，光敏电阻的γ值反映了在照度范围变化不大或照度的绝对值较大甚至光敏电阻接近饱和情况下的阻值与照度的关系。因此，定义光敏电阻γ值时必须说明其照度范围，否则γ值没有任何意义。

2．伏安特性

光敏电阻的本质是电阻，符合欧姆定律，因此它具有与普通电阻相似的伏安特性，但是它的电阻值是随入射光度量而变化的。利用图2-1所示的电路可以测出在不同光照下加在光敏电阻两端的电压U与流过它的电流Ip的关系曲线，并称其为光敏电阻的伏安特性。图2-5所示为典型CdS光敏电阻的伏安特性曲线，显然，它符合欧姆定律。图中的虚线为允许功耗线或额定功耗线，使用时应不使光敏电阻的实际功耗超过额定值。在设计光敏电阻变换电路时，应使光敏电阻的工作电压或电流控制在额定功耗线之内。

3．温度特性

光敏电阻为多数载流子导电的光电器件，具有复杂的温度特性。光敏电阻的温度特性与光电导材料有着密切的关系，不同材料的光敏电阻有着不同的温度特性。图2-6所示为典型CdS（虚线）与CdSe（实线）光敏电阻在不同照度下的温度特性曲线。以室温（25℃）的相对光电导率为100%，观测光敏电阻的相对光电导率随温度的变化关系，可以看出光敏电阻的相对光电导率随温度的升高而下降，光电响应特性随着温度的变化较大。因此，在温度变化大的情况下，应采取制冷措施。降低或控制光敏电阻的工作温度是提高光敏电阻工作稳定性的有效办法。尤其对长波长红外辐射的探测领域更为重要。

4．时间响应

光敏电阻的时间响应（又称为惯性）比其他光电器件要差（惯性要大）一些，频率响应要低一些，而且具有特殊性。当用一个理想方波脉冲辐射照射光敏电阻时，光生电子要有产生的过程，光生电导率Δσ要经过一定的时间才能达到稳定。当停止辐射时，复合光生载流子也需要时间，表现出光敏电阻具有较大的惯性。

光敏电阻的惯性与入射辐射信号的强弱有关，下面分别讨论。

（1）弱辐射作用情况下的时间响应

如图2-7所示，当微弱的入射辐通量Φe作用于光敏电阻的情况下，设入射辐通量Φe（t）为可用下式表示的光脉冲

对于本征光电导器件，在非平衡状态下光电导率Δσ和光电流IΦ随时间变化的规律为

式中，Δσ0与IΦe0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≫τr时， Δσ=Δσ0, IΦ=IΦe0；当t=τr时，Δσ=0.63Δσ0, IΦ=0.63IΦe0。

τr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IΦe0的63%所需要的时间。

停止辐射时，有

同样，可以推导出停止辐射情况下，光电导率和光电流随时间变化的规律为

当t=τf时，Δσ=0.37Δσ0, IΦ=0.37IΦe0；当t≫τf时，Δσ与IΦ均下降为零。

所以，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τf。显然，光敏电阻在弱辐射作用下，τr≈τf。

（2）强辐射作用情况下的时间响应

如图2-8所示，当较强的辐通量Φe脉冲作用于光敏电阻上时，无论对本征型还是杂质型的光敏电阻，其光激发载流子的变化规律均由式（1-86）表示。设入射辐射为方波脉冲

光敏电阻电导率σ的变化规律为

其光电流的变化规律为

显然，当t≫τ时，Δσ=Δσ0, IΦ=IΦe0；当t=τ时，Δσ=0.76Δσ0, IΦ=0. 76IΦe0。在强辐射入射时，光敏电阻的光电流上升到稳态值的76%所需要的时间τr，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空穴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

由式（2-10）和式（2-11）可知，当t=τ时，Δσ=0.5Δσ0，而IΦ=0.5IΦe0；当t≫τ时，Δσ与IΦ均下降为零。

因此，当停止辐射时，光敏电阻的光电流下降到稳态值的50%所需要的时间，称为光敏电阻的下降时间常数，记为τf。

图2-9所示为几种典型的光敏电阻的频率特性曲线。从曲线中不难看出硫化铅（PbS）光敏电阻的频率特性稍微好些，但是，它的频率响应也不超过104Hz。

当然，光敏电阻在被强辐射照射后，其阻值恢复到长期处于黑暗状态的暗电阻RD所需要的时间将是相当长的。因此，光敏电阻的暗电阻RD与其检测前是否被曝光有关，这个效应被称为光敏电阻的前例效应。

5．噪声特性

光敏电阻的主要噪声有热噪声、产生复合噪声和低频噪声（或称1/f噪声）。

（1）热噪声

光敏电阻内载流子的热运动产生的噪声称为热噪声，或称为约翰逊（Johson）噪声。由热力学和统计物理学可以推导出热噪声公式

式中，τ0为载流子的平均寿命，ω=2πf为信号角频率。在低频情况下，当ωτ0≪1时，热噪声电流I2NJ（f）可简化为

当ωτ0≫1时，上式可简化为

显然，它是调制频率f的函数，随频率的升高而减小。另外，它与光敏电阻的阻值成反比，随阻值的升高而降低。

（2）产生复合噪声

光敏电阻的产生复合噪声与其平均电流I有关，产生复合噪声的数学表达式为

式中，τ1为载流子跨越电极所需要的漂移时间。同样，当ωτ0≪1时，产生复合噪声可简化为

（3）低频噪声（电流噪声）

光敏电阻在偏置电压作用下产生信号光电流，由于光敏层内微粒的不均匀，或体内存有杂质，因此会产生微火花放电现象。这种微火花放电引起的电爆脉冲就是低频噪声的来源。

电流噪声的经验公式为

式中，c1是与材料有关的常数，I为流过光敏电阻的电流，f为光的调制频率，指数b为接近于1的系数，Δf为调制频率的带宽。显然，低频噪声与调制频率成反比，频率越低，噪声越大。故称低频噪声。

这样，光敏电阻的噪声均方根值为

对于不同的器件，3种噪声的影响不同：在几百赫兹以内以电流噪声为主；随着频率的升高，产生复合噪声变得显著；频率很高时，以热噪声为主。光敏电阻的噪声与调制频率的关系如图2-10所示。

6．光谱响应

光敏电阻的光谱响应主要与光敏材料禁带宽度、杂质电离能、材料掺杂比与掺杂浓度等因素有关。图2-11所示为3种典型光敏电阻的光谱响应特性曲线。显然，由CdS材料制成的光敏电阻的光谱响应很接近人眼的视觉响应；CdSe材料的光谱响应较CdS材料的光谱响应范围宽；PbS材料的光谱响应范围最宽，为0.4～2.8 μm, PbS光敏电阻常用于火点探测与火灾预警系统。

表2-3所示为常用的红外光敏电阻探测器。