光敏传感器的光电特性研究

光敏传感器的光电特性研究

【实验内容】

1.研究光敏二极管的光电特性。

2.研究光敏电阻的光电特性。

【实验目的】

1.了解光敏二极管及电阻的光电特性

2.学习光敏传感器的具体应用

【仪器用具】

1.光电传感器实验仪

2.台灯

3. 万用表

【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PN结内部有自建电场。当光照射在PN结及其附近时，在能量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E的作用，电子漂移到N区，空穴漂移到P区。结果使N区带负电荷，P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I 与所加电压U 之间的关系称为光敏器件的伏安特性。改变照度则可以得到伏安特性曲线。它是传感器应用设计时的重要依据。

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、光敏二极管的基本特性。

(1)光敏二极管

在无辐射（暗室中）的情况下，PN 结硅光电二极管的正、反向特性与普通PN 结二极管的特性一样，其电流方程为:

()[]1exp ?=kT qU I I d （3）

I d 为U 为负值（反向偏置时）且|U|>>kT/q 时(室温下kT/q ≈0.26mV ，很容易满足这个条件)的电流，称为反向电流或暗电流。无光照时，电路中也有很小的反向饱和漏电流，一般为1×10-8~1×10-9A (称为暗电流)，此时相当于光敏二极管截止。

光敏二极管与普通二极管一样，它的PN 结具有单向导电性，因此，光敏二极管工作时应加上反向电压。当有光照射时，PN 结附近受光子的轰击，半导体内被束缚的价电子吸收光子能量而被击发产生电子一空穴对。这些载流子的数目，对于多数载流子影响不大，但对P 区和N 区的少数载流子来说，则会使少数载流子的浓度大大提高，在反向电压（P 区接负，N 区接正）作用下，反向饱和漏电流大大增加，形成光电流，该光电流随入射光照度的变化而相应变化。光电流通过负载R L 时，在电阻两端将得到随人射光变化的电压信号。光敏二极管就是这样完成光电转换的。

根据实验测定，光敏电阻的电阻值随光亮度的增大而迅速减小。利用这一特性，设计了暗光街灯演示实验。其原理是当环境变暗时光敏电阻的阻值增大，当

亮度降低到一定值时，即光敏电阻值增大到某一阈值时，光电传感电路系统自动点亮小灯泡，从而达到与暗光街灯相似的目的。 （2）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：

n

p e n e p μ??Δ+μ??Δ=σΔ （1）

在（1）式中，e 为电子电荷量，p Δ为空穴浓度的改变量，n Δ为电子浓度的改变量，μ表示迁移率。当两端加上电压U 后，光电流为：

U d

A

I ph ?Δ?=

σ （2）

式中A 为与电流垂直的表面积，d 为电极间的间距。在一定的光照度下，σΔ为恒定的值，因而光电流和电压成线性关系。不同的光强以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规定的最高额定值。

利用光敏二极管在反偏置条件下的光电特性，可将其作为光电接近开关的接收传感器件。当红外LED 发出的红外光被某一逐渐逼近的物体遮挡并反射到光敏二极管时，光敏二极管的光电流（或光电导）将发生改变。当物体逼近到一定距离（即反射光强足够大）时，开关电路使继电器开启，从而达到开关控制的目的。

【实验步骤】

1. 光敏二极管特性研究

(1) 按图1.1所示连接各元件和单元。检查接线无误后，开启稳压电源。

(2) 伏安特性测量。在某一光照下，改变电压U的大小（如0.5，1.0,，1.5,，2.0,，2.5,，3.0,，3.5,，4.0， 4.5,，5.0V等，可用面板上的“振动控制”或“电机控制”单元分压获得，即Vin端接入＋3V或＋5V，调节旋钮，获得不同的Vout端电压，后同），用毫安表测定电流的变化I，数字电压表测定U值，记录测定的数据

（3）改变光照强度，重复测量电流随电压的变化情况，记录测定的数据。

注意：施加的电压尽量不要超过5V。不能过分用力地插入或拔出接插线，因为这可能导致部分插孔松动，造成实验结果的不准确。请仔细插入或拔出接插线（后同）。

.（4）按图2.1所示连接各元件和单元，并连接＋12V电源。（箭头表示连接线，后同）

(5) 检查接线无误后，开启稳压电源。

(6) 用一物体（白纸）从远处向左侧实验台上的接近开关探头前端逼近，到一定距离时，可听到继电器“嗒嗒”的启动声音，并用直尺测量此时遮挡物与探头之间的大致距离，作多次试验后，取平均值，即为接近开关的动作距离。调节“增益”旋钮，可适当改变系统的响应灵敏度，或改变接近开关的动作距离。

2.光敏电阻特性研究

（1）光敏电阻伏安特性测定。按图3.1所示连接各元件和单元，检查连接无误后，开启电源。用一挡光物（如黑纸片或瓶盖）遮住光敏电阻（视为全暗），分别接插不同的电压U值（如0.5,1.0，1.5, 2.0, 2.5, 3.0,3.5，4.0, 4.5，5.0V等），利用电流表测定流过光敏电阻的电流值I，数字电压表测定U值。

（2）改变光照强度，重复测量电流随电压的变化情况，记录测定的数据。 （3）按图4.1所示连接各元件和单元，连接＋3V电源。

（4）检查连接无误后，开启电源。

（5）用一挡光物（如黑纸片或瓶盖）慢慢靠近实验台上的光敏电阻，也即将光敏电阻上的部分光线挡住时，可观察到小灯泡慢慢由暗变亮；当光敏电阻完全被挡住时，或者室内灯光全部熄灭时，小灯泡亮度达到最亮。这一实验过程与暗光街灯的自动亮暗控制完全相同。适当调节该单元的“增益”旋钮，可改变小灯泡的亮度。

注意:直流电源应确认为＋3V，否则有可能毁坏小灯泡。如房间内光线太强或太暗，请作适当调整，以使光敏电阻正常工作。

图3.1 伏安特性测量电路

【实验记录与数据处理】

1.实验记录

表1 光敏二极管伏安特性测试数据表

电源电压（V） 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 光强1

光强2

光强3

光强4

表2 光敏电阻伏安特性测试数据表

电源电压（V） 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 光强1

光强2

光强3

光强4

2.数据处理

（1） 利用坐标纸，画出光敏二极管I-U伏安特性曲线。

（2） 利用坐标纸，画出光敏电阻I-U伏安特性曲线。

【思考题】

比较光敏二极管与光敏电阻，分析两光敏传感器间的相同和区别之处。