光敏电阻(Photoresistor 或 LDR，Light-Dependent Resistor)是一种基于内光电效应的半导体光电器件，其阻值随入射光强变化而显著改变。这种特性使其在自动控制、环境监测、光学测量等领域具有广泛应用。本文从半导体物理机制出发，结合实验数据，系统分析光敏电阻阻值与光强的定量关系，并探讨其工程应用中的关键问题。

1. 光敏电阻的工作原理

光敏电阻通常由 II-VI 族化合物(如 CdS、CdSe、PbS 等)制成，其核心机制为光电导效应：

载流子激发：当光子能量大于材料禁带宽度(如 CdS 的禁带宽度为 2.4 eV，对应波长约 517 nm)时，价带电子被激发至导带，形成电子 - 空穴对，导致载流子浓度增加。

阻值变化：载流子浓度的增加降低了材料的电阻率，从而使光敏电阻的阻值随光强增强而减小。

关键公式： 光电导材料的电导率可表示为：(sigma = e(nmu_n + pmu_p)) 其中，e为电子电荷量，n和p分别为电子和空穴浓度，(mu_n)和(mu_p)为迁移率。在本征激发为主的条件下，(n = p)，此时电导率与光强呈正相关。

2. 光强与阻值的定量关系

2.1 理论模型

光敏电阻的阻值与光强(单位：勒克斯，lx)通常满足对数关系：(R = k cdot I^{-gamma}) 其中：

k为比例常数，与材料特性、器件尺寸相关;

(gamma)为光照指数(通常在 0.5~1.0 之间，具体值取决于材料和工艺)。

该模型基于以下假设：

光生载流子浓度与光强成正比;

载流子迁移率不随光强变化;

复合过程为线性机制。

2.2 实验验证

以 CdS 光敏电阻(型号：GL5528)为例，实验测量步骤如下：

实验装置：

光源：可调色温 LED 灯(模拟自然光);

光强测量：数字照度计(精度 ±5%);

阻值测量：数字万用表(分辨率 0.1 Ω)。

数据采集： 在暗室环境下，逐步调节光源输出功率，记录不同光强下的阻值数据(图 1)。

实验结果： 通过最小二乘法拟合实验数据，得到公式：(R = 1.2 imes 10^6 cdot I^{-0.75}) 验证了理论模型的适用性(图 2)。

3. 影响因素与修正

3.1 温度效应

温度升高会导致材料本征载流子浓度增加，从而降低光敏电阻的暗电阻。实验表明，温度每升高 10℃，暗电阻约下降 30%~50%。 补偿方法：

引入温补电路(如并联负温度系数热敏电阻);

在高温环境中选择温度稳定性更高的材料(如 Si 基光敏电阻)。

3.2 光照非线性

当光强超过阈值(如 10^4 lx)时，光敏电阻可能出现饱和现象，阻值不再随光强增加而显著降低。这是由于载流子复合速率超过激发速率，导致有效载流子浓度趋于稳定。

4. 工程应用案例

4.1 自动调光系统

利用光敏电阻阻值与光强的对应关系，设计闭环控制系统：( ext{输出电压} = K_p cdot (R_{ ext{ref}} - R_{ ext{光敏}})) 其中，(R_{ ext{ref}})为参考电阻，(K_p)为比例系数，通过调节 LED 驱动电流实现环境光强的动态平衡。

4.2 光控开关

当光强低于设定阈值时，光敏电阻阻值升高，触发比较器输出高电平，驱动继电器或晶闸管动作，实现路灯、报警器等设备的自动控制。

5. 结论与展望

光敏电阻的阻值与光强呈非线性负相关，其性能受材料特性、温度及光照条件的综合影响。未来研究方向包括：

开发宽动态范围、高响应速度的新型光敏材料(如钙钛矿、二维半导体);

集成温度补偿和信号放大电路，提升传感器的环境适应性;

结合物联网技术，构建分布式光强监测网络。