光敏电阻响应时间常数

定义

光敏电阻基于光电导效应工作：光照使半导体产生非平衡载流子，电导率增大，电流随之上升。当光照发生突变时，光电流并不能瞬时跟随，而是按一定规律逐渐趋于新的稳态值，这种现象称为光电导的弛豫。响应时间常数就是用来定量描述这种滞后快慢的指标，包含上升时间与下降时间两部分。

上升时间与下降时间

设光照从某一状态突变为另一状态，光电流从初始值变化到最终稳态值。

• 上升时间 $t_1$：光照增强后，光电流由初始值上升到稳态变化量的 63% 所需的时间。
• 下降时间 $t_2$：光照减弱或撤除后，光电流由稳态值下降到稳态变化量的 37% 所需的时间。

63% 与 37% 分别对应一阶指数过程的时间常数特征：上升过程 $i(t)=I_0+(I_{\mathrm{\infty }}-I_0)(1-e^{-t\mathrm{/}\tau })$，下降过程 $i(t)=I_{\mathrm{\infty }}+(I_0-I_{\mathrm{\infty }})e^{-t\mathrm{/}\tau }$，其中 $\tau$ 为时间常数，$I_0$ 为初始电流，$I_{\mathrm{\infty }}$ 为最终稳态电流，$t$ 为时间，单位均为国际单位制（电流 A，时间 s）。当 $t=\tau$ 时，上升过程完成变化量的 $1-e^{-1}\approx 63\mathrm{\%}$，下降过程剩余 $e^{-1}\approx 37\mathrm{\%}$，因此用这两个比例定义 $t_1$ 与 $t_2$。

影响因素

光敏电阻的响应时间一般较大，典型量级为几十毫秒至几百毫秒。其大小与以下因素有关：

• 材料性质：不同半导体材料（如硫化铅、硫化铋）的载流子产生与复合过程不同，响应时间存在差异，因而频率特性不同。
• 光照强度：在特定光敏电阻、给定偏压与温度等测试条件下，光照越强，响应越快，即响应时间随光强增大而减小；该趋势受材料、陷阱及上升/衰减过程影响，不能无条件推广到所有器件和强度段。

对动态检测的影响

由于光电流滞后于光强变化，当被测光信号变化较快时，光敏电阻的输出来不及跟随，导致输出幅度下降、波形失真，即灵敏度随调制频率升高而降低。因此，光敏电阻适用于变化较慢的光信号检测；若用于动态检测，须使信号变化周期远大于其响应时间，否则需考虑滞后带来的幅值与相位误差。不同材料因响应时间不同，其可用的频率范围也不同。