光敏电阻伏安特性、光敏二极管光照特性

光敏电阻伏安特性、光敏二极管光照特性 (FB815型光敏传感器光电特性实验仪 ) 凡是将光信号转换为电信号的传感器称为光敏传感器，也称为光电式传感器，它可用于检测直接由光照明度变化引起的非电量，如光强、光照度等;也可间接用来检测能转换成光量变化的其它非电量，如零件直径、表面粗糙度、位移、速度、加速度及物体形状、工作状态识别等。光敏传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因而在工业自动控制及智能机器人中得到广泛应用。 光敏传感器的物理基础是光电效应，通常分为外光电效应和内光电效应两大类，在光辐射作用下电子逸出材料的表面，产生光电子发射现象，则称为外光电效应或光电子发射效应。基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。另一种现象是电子并不逸出材料表面的，则称为是内光电效应。光电导效应、光生伏特效应都是属于内光电效应。好多半导体材料的很多电学特性都因受到光的照射而发生变化。因此也是属于内光电效应范畴，本实验所涉及的光敏电阻、光敏二极管等均是内光电效应传感器。 通过本设计性实验可以帮助学生了解光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池与光学纤维的光电传感特性及在某些领域中的应用。 【实验原理】 1(光电效应: (1)光电导效应: 当光照射到某些半导体材料上时，透过到材料内部的光子能量足够大，某些电子吸收光子的能量，从原来的束缚态变成导电的自由态，这时在外电场的作用下，流过半导体的电流会增大，即半导体的电导会增大，这种现象叫光电导效应。它是一种内光电效应。 光电导效应可分为本征型和杂质型两类。前者是指能量足够大的光子使电子离开价带跃入导带，价带中由于电子离开而产生空穴，在外电场作用下，电子和空穴参与电导，使电导增加。杂质型光电导效应则是能量足够大的光子使施主能级中的电子或受主能级中的空穴跃迁到导带或价带，从而使电导增加。杂质型光电导的长波限比本征型光电导的要长的多。 (2)光生伏特效应: 在无光照时，半导体结内部有自建电场。当光照射在结及其附近时，在能量PNPN 足够大的光子作用下，在结区及其附近就产生少数载流子(电子、空穴对)。载流子在结区外时，靠扩散进入结区;在结区中时，则因电场的作用，电子漂移到区，空穴漂移EN到区。结果使区带负电荷，区带正电荷，产生附加电动势，此电动势称为光生电动PPN 势，此现象称为光生伏特效应。 2(光敏传感器的基本特性: 光敏传感器的基本特性则包括:伏安特性、光照特性等。 伏安特性: 光敏传感器在一定的入射光照度下，光敏元件的电流与所加电压之间的关系称为IU光敏器件的伏安特性。改变照度则可以得到一族伏安特性曲线。它是传感器应用设计时的重要依据。 光照特性: 光敏传感器的光谱灵敏度与入射光强之间的关系称为光照特性，有时光敏传感器的输出电压或电流与入射光强之间的关系也称为光照特性，它也是光敏传感器应用设计时选择参数的重要依据之一。 掌握光敏传感器基本特性的测量方法，为合理应用光敏传感器打好基础。本实验主要是研究光敏电阻、硅光电池、光敏二极管、光敏三极管四种光敏传感器的基本特性。 (1)光敏电阻: 利用具有光电导效应的半导体材料制成的光敏传感器称为光敏电阻。目前光敏电阻应用的极为广泛，其工作过程为，当光敏电阻受到光照时，发生内光电效应，光敏电阻电导率的改变量为: ,,,,p,e,,，,n,e,, (1) pn e在(1)式中，为电子电荷量，,p为空穴浓度的改变量，为电子浓度的改变量，,n 表示迁移率。当两端加上电压后，光电流为: ,U AI,,,,,U (2) phd 式中为与电流垂直的表面积，为电极间的间距。在一定的光照度下，为恒定Ad,, 1 的值，因而光电流和电压成线性关系。光敏电阻的伏安特性如图所示，不同的光强以5a 得到不同的伏安特性，表明电阻值随光照度发生变化。光照度不变的情况下，电压越高，光电流也越大，而且没有饱和现象。当然，与一般电阻一样光敏电阻的工作电压和电流都不能超过的最高额定值。 光敏电阻的光照特性则如图所示。不同的光敏电阻的光照特性是不同的，但是在5b 的结果类似。由于光敏电阻的光照特性是非线性大多数的情况下，曲线的形状都与图5b 的，因此不适宜作线性敏感元件，这是光敏电阻的缺点之一。所以在自动控制中光敏电阻常用作开关量的光电传感器。 (2)光敏二极管和光敏三极管: 光敏二极管的伏安特性相当于向下平移了的普通二极管，光敏三极管的伏安特性和光敏二极管的伏安特性类似，如图所示。但光敏三极管的光电流比同类型的光敏二7a(7b) 极管大好几十倍，零偏压时，光敏二极管有光电流输出，而光敏三极管则无光电流输出。原因是它们都能产生光生电动势，只因光电三极管的集电结在无反向偏压时没有放大作用，所以此时没有电流输出(或仅有很小的漏电流)。光敏二极管, 光敏三极管的光照特性亦呈良好线性，如图7c,7d。光敏二极管的的电流灵敏度一般为常数。而光敏三极管在弱光时灵敏度低些，在强光时则有饱和现象，这是由于电流放大倍数的非线性所致，对弱信号的检测不利。故一般在作线性检测元件时，应选择光敏二极管而不能用光敏三极管。 2 实验(一)光敏电阻的伏安特性测试 【实验目的】 ,(了解内光效应。 通过实验掌握光敏电阻工作原理。 ,( ,(了解光敏电阻的基本特性，测出它的伏安特性曲线曲线。 【实验仪器】 型光敏传感器光电特性设计性实验仪，万用电表一只，导线若干。 FB815 【实验步骤】 1 按实验仪面板示意图接好实验线路，8 光源用钨丝灯。将检测用光敏电阻 装 入待测点，连结电源，光源，2V~，12V 电压电源(可调)。 0~12V 2 先将可调光源调至一定的光照度， 每次 在一定的光照条件下，测出电源电压为: ，2V, ，4V, ，6V, ，8V, ，10V, ，12V RU时电阻两端的电压，从而得到个61R UR光电流数据I，同时算出此,ph1.00kΩ U,UccRR,时光敏电阻的阻值，即。以后调节相对光强重复上述实验(要求至少在gIPh 三个不同照度下重复以上实验)。 3 根据实验数据画出光敏电阻的一族伏安特性曲线。 表1 光敏电阻伏安特性测试数据表(照度: ) 电源电压(V) 2 4 6 8 10 12 R1电压UR1(V) (A)光电流Iph 光敏电压U0(V) (,)光敏电阻Rg 3 表2 光敏电阻伏安特性测试数据表(照度: ) 电源电压(V) 2 4 6 8 10 12 R1电压UR1(V) 光电流Iph (A) 光敏电压U0(V) 光敏电阻Rg (,) 表3 光敏电阻伏安特性测试数据表(照度: ) 电源电压(V) 2 4 6 8 10 12 R1电压UR1(V) 光电流Iph(A) 光敏电压U0(V) 光敏电阻Rg(,) 实验(二)光敏二极管的光照度特性测试 【实验目的】 ,(了解光敏二极管的工作原理。 ,(了解硅光敏二极管的基本特性，并测出它的光照特性曲线。 【实验仪器】 型光敏传感器光电特性设计性实验仪，万用电表一只，导线若干。 FB815 【实验步骤】 1 按实验仪面板示意图,,接好实验线路。 2 选择一定的偏压，每次在一定的偏压下测出 光敏二极管在相对光照度为“弱光”到逐步增 URI,强的光电流数据，其中(1.00kΩph1.00kΩ 为取样电阻)。这里要求至少测出个不同的反3 偏电压下的数据。 4 表1光敏二极管光照特性测试数据表(电压: ) 照度 (Lux) U (V) R 光电流 (A) 表2 光敏二极管光照特性测试数据表(电压: ) 照度 (Lux) U (V) R 光电流 (A) 表3 光敏二极管光照特性测试数据表(电压: ) 照度 (Lux) U (V) R 光电流(A) 5 型光敏传感器光电特性设计性实验仪，其结构如图所示。 1FB815 该实验仪由光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池四种光敏传感器及可调电源、电阻箱(自备)、数字万用表，九孔接线板与光学暗箱所组成。具体介绍如下。 : 1.光学暗箱(见图2) 3光学暗箱的大小为，中间位置是九孔实验板，学生可以在上面360，280，110mm L,L,？L按自己的需要搭建实验电路，在箱子的左里边有编号的接线孔，从里面直接128 连到箱子左侧的外面，实验时将外用电源，测量万用表及变阻箱通过不同的接线口接入箱里的实验电路，当箱子密封以后，里面就与外界完全隔绝，工作时照明光路是置于暗箱中进行，从而消除杂散光对实验的影响。图2是暗箱分布示意图。 6 2 . JK--30工作电源(见图3): 本实验仪配有JK--30工作电源，图为专用电源面板功能分布图。主要提供两路工作3 电压，一路光电源输出，供白帜灯发光，电压可变，另一路传感器工作电源，有0~12V ,2V, ,4V, ,6V, ,8V, ,10V, ,12V等量值变化，以保证实验的不同需要。光敏传感器的照度可以通过调节可调光源的电压或改变光源与传感器之间的距离来调节。 3. 其他实验配件(见图4): 7 【附录1】FB815光敏传感器光电特性实验仪相对照度()参考表 Lux 距离(cm) 5 6 7 8 9 10 电压 12 2350 1950 1700 1530 1400 1300 11 1774 1459 1280 1156 1052 980 10 1258 1059 923 825 756 704 9 861 729 632 567 519 480 8 548 469 411 368 338 315 7 328 286 249 224 206 191 6 173 158 138 123 113 105 5 80.2 73.7 64.4 57.8 52.6 48.9 4 30.5 28.2 24.6 22.1 20.2 18.8 3 8.9 7.8 6.8 6.1 5.6 5.3 2.5 3.3 3 2.7 2.4 2.2 2 2 1.1 0.9 0.7 0.6 【附录2】九孔实验板插亏孔距离参考 【思考】 1. 光敏传感器感应光照有一个滞后时间，即光敏传感器的响应时间，如何来测试光敏传 感器的响应时间, 2. 光照强度与距离的关系，验证光照强度与距离的平方成反比(把实验装置近似为点光 源)。 8