1、實驗十三光敏傳感器的光電特性研究【實驗目的】1、了解光敏電阻的基本特性，測出它的伏安特性曲線和光照特性曲線;2、了解硅光電池的基本特性，測出它的伏安特性曲線和光照特性曲線;3、了解硅光敏二極管的基本特性，測出它的伏安特性和光照特性曲線;4、了解硅光敏三極管的基本特性，測出它的伏安特性和光照特性曲線。【實驗儀器】FD-LSA光敏傳感器光電特性實驗儀，其工作面板如圖1所示。該實驗儀由光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、硅光電池四種光敏傳感器及可調光源、電阻箱、數(shù)字電壓表等組成。圖1 FD-LSA光敏傳感器光電特性實驗儀工作面板光敏傳感器處的照度通過調節(jié)可調光源的電壓和光源與探測器之間的距離來調節(jié)。在

2、一定的電源電壓 和光源距離下，附表 1中給出了相對應的光源照度（見講義最后）。【實驗原理】光敏傳感器是將光信號轉換為電信號的傳感器，也稱為光電式傳感器，它可用于檢測直接引起光強度 變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉換成光量變化的其它非 電量，如零件直徑、表面粗糙度、位移、速度、加速度及物體形狀、工作狀態(tài)識別等。光敏傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，因而在工業(yè)自動控制及智能機器人中得到廣泛應用。1、光電效應光敏傳感器的物理基礎是光電效應，在光輻射作用下電子逸出材料的表面，產生光電子發(fā)射稱為外光 電效應，或光電子發(fā)射效應，基于這種效應的光電器件有光電管

3、、光電倍增管等。電子并不逸出材料表面 的則是內光電效應。光電導效應、光生伏特效應則屬于內光電效應。即半導體材料的許多電學特性都因受 到光的照射而發(fā)生變化。光電效應通常分為外光電效應和內光電效應兩大類，幾乎大多數(shù)光電控制應用的 傳感器都是此類，通常有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、硅光電池等。(1)光電導效應若光照射到某些半導體材料上時，透過到材料內部的光子能量足夠大，某些電子吸收光子的能量，從 原來的束縛態(tài)變成導電的自由態(tài)，這時在外電場的作用下，流過半導體的電流會增大，即半導體的電導會 增大，這種現(xiàn)象叫光電導效應。它是一種內光電效應。光電導效應可分為本征型和雜質型兩類。前者是指能量足夠大的光

4、子使電子離開價帶躍入導帶，價帶 中由于電子離開而產生空穴，在外電場作用下，電子和空穴參與電導，使電導增加。雜質型光電導效應則 是能量足夠大的光子使施主能級中的電子或受主能級中的空穴躍遷到導帶或價帶，從而使電導增加。雜質 型光電導的長波限比本征型光電導的要長的多。(2)光生伏特效應在無光照時，半導體PN結內部自建電場。當光照射在PN結及其附近時，在能量足夠大的光子作用下， 在結區(qū)及其附近就產生少數(shù)載流子(電子、空穴對)。載流子在結區(qū)外時，靠擴散進入結區(qū)；在結區(qū)中時，則因電場E的作用，電子漂移到 N區(qū)，空穴漂移到 P區(qū)。結果使N區(qū)帶負電荷，P區(qū)帶正電荷，產生附加 電動勢，此電動勢稱為光生電動勢，此

5、現(xiàn)象稱為光生伏特效應。2、光敏傳感器的基本特性本實驗主要是研究光敏電阻、硅光電池、光敏二極管、光敏三極管四種光敏傳感器的基本特性。光敏 傳感器的基本特性則包括：伏安特性、光照特性等。其中光敏傳感器在一定的入射照度下，光敏元件的電 流I與所加電壓U之間的關系稱為光敏器件的伏安特性。改變照度則可以得到一族伏安特性曲線。它是傳 感器應用設計時選擇電參數(shù)的重要依據(jù)。光敏傳感器的光譜靈敏度與入射光強之間的關系稱為光照特性， 有時光敏傳感器的輸出電壓或電流與入射光強之間的關系也稱為光照特性，它也是光敏傳感器應用設計時 選擇參數(shù)的重要依據(jù)之一。掌握光敏傳感器基本特性的測量方法，為合理應用光敏傳感器打好基礎。

6、(1)光敏電阻利用具有光電導效應的半導體材料制成的光敏傳感器稱為光敏電阻。目前，光敏電阻應用的極為廣泛，可見光波段和大氣透過的幾個窗口都有適用的光敏電阻。利用光敏電阻制成的光控開關在我們日常生活中 隨處可見。當內光電效應發(fā)生時，光敏電阻電導率的改變量為：pep n e n(1)在(1)式中，e為電荷電量， p為空穴濃度的改變量，n為電子濃度的改變量，表示遷移率。當兩端加上電壓 U后，光電流為：.A.I ph yU(2)d式中A為與電流垂直的表面，d為電極間的間距。在一定的光照度下，為恒定的值，因而光電流和電壓成線性關系。光敏電阻的伏安特性如圖 2a所示，不同的光照度可以得到不同的伏安特性，表明

7、電阻值隨光照度發(fā) 生變化。光照度不變的情況下，電壓越高，光電流也越大，而且沒有飽和現(xiàn)象。當然，與一般電阻一樣光 敏電阻的工作電壓和電流都不能超過規(guī)定的最高額定值。2000圖2a光敏電阻的伏安特性曲線圖2b 光敏電阻的光照特性曲線光敏電阻的光照特性則如圖 2b所示。不同的光敏電阻的光照特性是不同的，但是在大多數(shù)的情況下, 曲線的形狀都與圖2b的結果類似。由于光敏電阻的光照特性是非線性的，因此不適宜作線性敏感元件 這是光敏電阻的缺點之一。所以在自動控制中光敏電阻常用作開關量的光電傳感器。(2)硅光電池硅光電池是目前使用最為廣泛的光伏探測器之一。它的特點是工作時不需要外加偏壓，接收面積小， 使用方便

8、。缺點是響應時間長。硅光電池的伏安特性曲線圖3b硅光電池的光照特性曲線圖3a為硅光電池的伏安特性曲線。在一定光照度下，硅光電池的伏安特性呈非線性。圖3a*圖3b中1 : 開路電壓 2 :短路電流存在正向二極管管電流式中V為結電壓,當光照射硅光電池的時候，將產生一個由N區(qū)流向P區(qū)的光生電流I ph；同時由于PN結二極管的特性,Id,此電流方向與光生電流方向相反。所以實際獲得的電流為:(3)eVI ph Id I ph Io exp1nkBT|0為二極管反向飽和電流， n為理想系數(shù)，表示 PN結的特性，通常在1和2之間,kB為波爾茲曼常熟，T為絕對溫度。短路電流是指負載電阻相對于光電池的內阻來講是

9、很小的時候的電流。在一定的光照度下，當光電池被短路時，結電壓 V為0,從而有：I SC I ph(4)負載電阻在20歐姆以下時，短路電流與光照有比較好的線性關系，負載電阻過大，則線性會變壞。開路電壓則是指負載電阻遠大于光電池的內阻時硅光電池兩端的電壓，而當硅光電池的輸出端開路時有I 。，由(3) (4)式可得開路電壓為：VOC(5)圖3b為硅光電池的光照特性曲線。開路電壓與光照度之間為對數(shù)關系，因而具有飽和性。因此，把 硅光電池作為敏感元件時，應該把它當作電流源的形式使用，即利用短路電流與光照度成線性的特點，這 是硅光電池的主要優(yōu)點。(3)光敏二極管和光敏三極管光敏二極管的伏安特性相當于向下平

10、移了的普通二極管，光敏三極管的伏安特性和光敏二極管的伏安特性類似，如圖4a, b所示。但光敏三極管的光電流比同類型的光敏二極管大好幾十倍，零偏壓時，光敏 二極管有光電流輸出，而光敏三極管則無光電流輸出。原因是它們都能產生光生電動勢，只因光電三極管 的集電結在無反向偏壓時沒有放大作用，所以此時沒有電流輸出(或僅有很小的漏電流)。2QKLIl&OOLa15OTLJIIOOOLjc500 Lx圖4b光敏三極管的伏安特性曲線圖4a光敏二極管的伏安特性曲線光敏二極管的光照特性亦呈良好線性，這是由于它的電流靈敏度一般為常數(shù)。而光敏三極管在弱光時 靈敏度低些，在強光時則有飽和現(xiàn)象，這是由于電流放大倍

11、數(shù)的非線性所至，對弱信號的檢測不利。故一 般在作線性檢測元件時，可選擇光敏二極管而不能用光敏三極管。【實驗內容和要求】本實驗內容分為必做部分和選作部分兩項內容。一、必做部分1、光敏電阻的特性測試+,2W12t圖61.1 光敏電阻的伏安特性測試（a）按實驗儀面板示意圖接好實驗線路，光源用標準鴇絲燈將檢測用光敏電阻裝入待測點，連結+2-+12V電源，光源電壓 0-24V電源（可調）。（b）先將可調光源調至一定的光照度，每次在一定的光照條件下，測出加在光敏電阻上電壓為+2V;+4V; +6V; +8V; +10V; +12V時電阻R1兩端的電壓Ur,從而得到6個光電流數(shù)據(jù)I phUr ,同時算出p

12、1.00k此時光敏電阻的阻值，即Rg智UR 。以后調節(jié)相對光強重復上述實驗（要求至少在三個不同照度下重1 Ph復以上實驗）。（c）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出光敏電阻的一族伏安特性曲線。表1光敏電阻伏安特性測試數(shù)據(jù)表（照度：）電壓（伏）24681012Ur （伏）電阻（歐姆）光電流表2光敏電阻伏安特性測試數(shù)據(jù)表（照度：）電壓（伏）24681012Ur （伏）電阻（歐姆）光電流表3光敏電阻伏安特性測試數(shù)據(jù)表（照度：）電壓（伏）24681012Ur （伏）電阻（歐姆）光電流1.2光敏電阻的光照特性測試（a）按實驗儀面板示意圖（圖6）接好實驗線路，光源用標準鴇絲燈將檢測用光敏電阻裝入待測點，連結+2-+12V電

13、源，光源電壓 0-24V電源（可調）。（b）從Ucc=0開始到Ucc=12V,每次在一定的外加電壓下測出光敏電阻在相對光照度從“弱光”到逐步增強的光電流數(shù)據(jù)，即：lh Ur ,同時算出此時光敏電阻的阻值，即:Ra Ucc Ur 。這p 1.00Kg I Ph里要求至少測出15個不同照度下的光電流數(shù)據(jù)，尤其要在弱光位置選擇較多的數(shù)據(jù)點，以使所得到的數(shù)據(jù)點能夠繪出完整的光照特性曲線。表4光敏電阻光照特性測試數(shù)據(jù)表（電壓：）照度Ur （伏）光電流（安培）表5光敏電阻光照特性測試數(shù)據(jù)表（電壓：）照度Ur （伏）光電流（安培）表6光敏電阻光照特性測試數(shù)據(jù)表（電壓：）照度Ur （伏）光電流（安培）（c）根

14、據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出光敏電阻的一族光照特性曲線。2、硅光電池的特性測試2.1 面板使用說明：儀器面板示意圖如圖 7所示，開關K指向“ 1”時，電壓表測量開路電壓Uoc,開關指向“ 2”時，Rx1短路，電壓表測量 R1電壓UR1o2.2 硅光電池的伏安特性測試（a）按照圖7所示連接好實驗線路，其中電阻箱為外置電阻箱（從0 調至5000 ）,由實驗者自行連接到電路中。光源用標準鴇絲燈，將待測硅光電池裝入待測點，光源電壓+024V（可調）。（b）先將可調光源的光強調至一定的照度，每次在一定的照度下，調節(jié)可調電阻箱的阻值，然后測出一組硅光電池的開路電壓Uoc和取樣電阻R1兩端的電壓UR1,則光電流Iph U

15、R1 （2.00 為取樣電阻2.00的阻值），這里要求至少測出15個數(shù)據(jù)點，以繪出完整的伏安特性曲線。，以后逐步選擇不同的光照度（至少3個），重復上述實驗。表7硅光電池伏安特性測試數(shù)據(jù)表（照度：）Rx1 （歐姆）Uoc （伏）UR1 （伏）光電流（安培）表8硅光電池伏安特性測試數(shù)據(jù)表（照度：）Rx1 （歐姆）Uoc （伏）UR1 （伏）光電流（安培）Rxi （歐姆）Uoc （伏）Uri （伏）光電流（安培）表9硅光電池伏安特性測試數(shù)據(jù)表（照度:）（c）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出硅光電池的一族伏安曲線。圖72.3 硅光電池的光照度特性測試（a）實驗線路見圖7,電阻箱調到00。（b）先將可調光源調至一定的照

16、度下，測出該照度下硅光電池的開路電壓Uoc和短路電流Isc數(shù)據(jù)，其中短路電流為Isc 200-（近似值，2.00為取樣電阻），以后逐步改變可調光源的照度（810次），重復 測出開路電壓和短路電壓。表10硅光電池的照度特性測試照度UOc （伏）4 （伏）光電流（安培）（3）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出硅光電池的光照特性曲線。、選做部分3、光敏二極管的特性測試實驗3.1 光敏二極管的伏安特性測試實驗（a）按儀器面板示意圖（圖 8）連接好實驗線路，光源用標準鴇絲燈，將待測硅光敏二極管裝入待測 點，光源電源電壓用+0V+24V（可調）。（b）將可調光源調至一定的照度，每次在一定的照度下，測出加在光敏二極管上的反偏

17、電壓與產生的光電流的關系數(shù)據(jù)，其中光電流Iph Ur （1.00K 為取樣電阻），以后逐步調大相對光強（31.00 K次），重復上述實驗。表11光敏二極管伏安特性測試數(shù)據(jù)表（照度：）電壓（伏）24681012Ur （伏）電阻（歐姆）光電流表12光敏二極管伏安特性測試數(shù)據(jù)表（照度：）電壓（伏）24681012Ur （伏）電阻（歐姆）光電流表13光敏二極管伏安特性測試數(shù)據(jù)表（照度：）電壓（伏）24681012Ur （伏）電阻（歐姆）光電流（安培）（c）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出光敏二極管的一族伏安曲線。3.2 光敏二極管的光照度特性測試（a）實驗線路同圖8。（b）選擇一定的反偏壓，每次在一定的反偏壓下測出光

18、敏二極管在相對光照度為“弱光”到逐步增強的光電流數(shù)據(jù)，其中1Ph= Ur （1.00K 為取樣電阻）。這里要求至少測出 3個不同的反偏電壓下 1.00K的數(shù)據(jù)。表14光敏二極管光照特性測試數(shù)據(jù)表（電壓：）照度Ur （伏）光電流（安培）表15光敏二極管光照特性測試數(shù)據(jù)表（電壓：）照度Ur （伏）光電流（安培）表16光敏二極管光照特性測試數(shù)據(jù)表（電壓：）照度Ur （伏）光電流（安培）（c）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出一族光敏二極管的一族光照特性曲線。4、光敏三極管的特性測試實驗圖94.1 光敏三極管的伏安特性測試實驗（a）按儀器面板示意圖（圖9）連接好實驗線路，光源用標準鴇絲燈， 將待測光敏三極管裝入待測點，

19、 光源電壓用024V（可調）。（b）將可調光源調至一定的照度，每次在一定光照條件下，測出加在光敏三極管的偏置電壓吐e與產生的光電流Ic的關系數(shù)據(jù)。其中光電流為 Ic 100K（1.00K為取樣電阻），以后選擇不同的照度（至少3個），重復上述實驗。表17光敏三極管伏安特性測試數(shù)據(jù)表（照度：）電壓（伏）24681012Ur （伏）電阻（歐姆）光電流表18光敏三極管伏安特性測試數(shù)據(jù)表（照度：）電壓（伏）24681012Ur （伏）電阻（歐姆）光電流表19光敏三極管伏安特性測試數(shù)據(jù)表（照度：）電壓（伏）24681012Ur （伏）電阻（歐姆）光電流（c）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出光敏三極管的一族伏安特性曲線。4

20、.2 光敏三極管的光照度特性測試實驗（a）實驗線路如圖9所示。（b）選擇一定的偏置電壓，每次在一定的偏置電壓下測出光敏三極管在相對光照度為“弱光”到逐1.00 K步增強的光電流IC數(shù)據(jù)，其中1c Ur （1.00K 為取樣電阻）。這里要求至少測出三個反偏電壓下的光照特性曲線。表20光敏二極管光照特性測試數(shù)據(jù)表（電壓:照度Ur （伏）光電流（安培）表21光敏二極管光照特性測試數(shù)據(jù)表（電壓：）照度Ur （伏）光電流（安培）表22光敏二極管光照特性測試數(shù)據(jù)表（電壓：）照度Ur （伏）光電流（安培）（c）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出光敏二極管的一族光照特性曲線。【思考題】1 .光敏傳感器感應光照有一個滯后時間，即光敏傳感器的響應時間， 如何來測試光敏傳感器的響應時間?2 .光照強度與距離的關系，驗證光照強度與距離的平方成反比（把實驗裝置近似為點光源）。【預習要求】1 .了解光電效應，知道光電效應的分類。2 .了解四種光敏傳感器的工作原理，及這四種器件伏安特性和光照特性所具有的特點。3 .了解光敏傳感器光電特性實驗儀