光敏电阻伏安特性、光敏二极管光照特性.docx

光敏传感器光电特性研究(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，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。好多半导体材料很多电学特性都因受到光照射而发生变化。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、光敏二极管光电传感特性及在某些领域中应用。【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，透过到材料内部光子能量足够大，某些电子吸收光子能量，从原来束缚态变成导电自由态，这时在外电场作用下，流过半导体电流会增大，即半导体电导会增大，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，电子和空穴参及电导，使电导增加。杂质型光电导效应则是能量足够大光子使施主能级中电子或受主能级中空穴跃迁到导带或价带，从而使电导增加。杂质型光电导长波限比本征型光电导要长多。（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，在能量足够大光子作用下，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，则因电场作用，电子漂移到区，空穴漂移到区。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势，此现象称为光生伏特效应。2光敏传感器基本特性：光敏传感器基本特性则包括：伏安特性、光照特性等。伏安特性：光敏传感器在一定入射光照度下，光敏元件电流及所加电压之间关系称为光敏器件伏安特性。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重要依据。掌握光敏传感器基本特性测量方法，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、光敏二极管基本特性。（1）光敏电阻：利用具有光电导效应半导体材料制成光敏传感器称为光敏电阻。目前光敏电阻应用极为广泛，其工作过程为，当光敏电阻受到光照时，发生内光电效应，光敏电阻电导率改变量为： （1） 在（1）式中，为电子电荷量，为空穴浓度改变量，为电子浓度改变量，表示迁移率。当两端加上电压后，光电流为： （2）式中为及电流垂直表面积，为电极间间距。在一定光照度下，为恒定值，因而光电流和电压成线性关系。光敏电阻伏安特性如图所示，不同光强以得到不同伏安特性，表明电阻值随光照度发生变化。光照度不变情况下，电压越高，光电流也越大，而且没有饱和现象。当然，及一般电阻一样光敏电阻工作电压和电流都不能超过规定最高额定值。(2）光敏二极管：光敏二极管伏安特性相当于向下平移了普通二极管，如图所示。零偏压时，光敏二极管有光电流输出。光敏二极管光照特性亦呈良好线性，如图。光敏二极管电流灵敏度一般为常数。一般在作线性检测元件时，选择光敏二极管。 实验（一）光敏电阻伏安特性测试【实验目】了解内光效应。通过实验掌握光敏电阻工作原理。了解光敏电阻基本特性，测出它伏安特性曲线曲线。【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。【实验步骤】1、按实验仪面板示意图接好实验线路，光源用标准钨丝灯。将检测用光敏电阻 装入待测点，连结电源，光源电压电源（可调）。2、 先将可调光源调至一定光照度， 每次在一定光照条件下，测出电源电压为：时电阻两端电压，从而得到个光电流数据，同时算出此时光敏电阻阻值，即。以后调节相对光强重复上述实验（要求至少在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：173Lux）电源电压（V）24681012R1电压UR1（V）光电流Iph光敏电压U0（V）光敏电阻Rg表2 光敏电阻伏安特性测试数据表（照度：861Lux）电源电压（V）24681012R1电压UR1（V）光电流Iph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：2350Lux）电源电压（V）24681012R1电压UR1（V）光电流Iph光敏电压U0（V）光敏电阻Rg实验（二）光敏二极管光照度特性测试【实验目】了解光敏二极管工作原理。了解硅光敏二极管基本特性，并测出它光照特性曲线。【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。【实验步骤】1、按实验仪面板示意图接好实验线路。2、选择一定偏压，每次在一定偏压下测出光敏二极管在相对光照度为“弱光”到逐步增强光电流数据，其中（为取样电阻）。这里要求至少测出个不同反偏电压下数据。3、根据实验数据画出光敏二极管一族光照特性曲线。表1光敏二极管光照特性测试数据表（电压：-4V）照度1.130.5173328548861125817742350光电流表2 光敏二极管光照特性测试数据表（电压：-8V）照度1.130.5173328548861125817742350光电流表3 光敏二极管光照特性测试数据表（电压：-12V）照度1.130.5173328548861125817742350光电流型光敏传感器光电特性设计性实验仪，其结构如图所示。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，九孔接线板及光学暗箱所组成。具体介绍如下。1.光学暗箱(见图2)：光学暗箱大小为，中间位置是九孔实验板，学生可以在上面按自己需要搭建实验电路，在箱子左里边有编号接线孔，从里面直接连到箱子左侧外面，实验时将外用电源，测量万用表及变阻箱通过不同接线口接入箱里实验电路，当箱子密封以后，里面就及外界完全隔绝，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影响。图2是暗箱分布示意图。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，有等量值变化，以保证实验不同需要。光敏传感器照度可以通过调节可调光源电压或改变光源及传感器之间距离来调节。3. 其他实验配件(见图4)：【附录1】FB815光敏传感器光电特性实验仪相对照度（）参考表距离(cm)电压567891012235019501700153014001300111774145912801156105298010125810599238257567049861729632567519480854846941136833831573282862492242061916173158138123113105580.273.764.457.852.648.9430.528.224.622.120.218.838.97.86.86.15.65.32.53.332.72.42.2221.10.90.70.6【附录2】九孔实验板插亏孔距离参考【思考题】1. 光敏传感器感应光照有一个滞后时间，即光敏传感器响应时间，如何来测试光敏传感器响应时间？2. 光照强度及距离关系，验证光照强度及距离平方成反比（把实验装置近似为点光源）。7 / 8