光电信号检测实验

实验一 光敏电阻特性实验

实验原理:

利用具有光电导效应的半导体材料制成的光敏传感器叫光敏电阻，又称为光导管。是一种均质的半导体光电器件,其结构如图1-1所示。光敏电阻采用梳状结构是由于在间距很近的电阻之间有可能采用大的灵敏面积,提高灵敏度。

光敏电阻应用得极为广泛，可见光波段和大气透过的几个窗口都有适用的光敏电阻。利用光敏电阻制成的光控开关在日常生活中随处可见。当光电效应发生时，光敏电阻电导率的改变量为：

p n p e n e σμμ?=???+???

在上式中，e 为电荷电量，p ?为空穴浓度的改变量，n ?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：ph A

I U d

σ=

??? 式中A 为与电流垂直的表面，d 为电极间的间距。在一定的光照度下，σ?为恒定的值，因而光电流和电压成线性关系。

光敏电阻的伏安特性如图1-2所示，不同的光照度可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，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。

图1-2光敏电阻的伏安特性曲线 图1-3 光敏电阻的光照特性曲线

光敏电阻的光照特性则如图 1-3 所示。不同的光敏电阻的光照特性是不同的，但是在大多数的情况下，曲线的形状都与图1-3 类似。由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不适宜作测量型的线性敏感元件，在自动控制中光敏电阻常用作开关量的光电传感

器。

图1-4 几种光敏电阻的光谱特性

实验所需部件:

稳压电源、光敏电阻、负载电阻（选配单元）、电压表、各种光源、遮光罩、激光器

实验步骤:

1.测试光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电阻

观察光敏电阻的结构，用遮光罩将光敏电阻完全掩盖，用万用表欧姆档测得的电阻值为

暗电阻R

暗，移开遮光罩，在环境光照下测得的光敏电阻的阻值为亮电阻R

亮

，暗电阻与

亮电阻之差为光电阻，光电阻越大，则灵敏度越高。

结果：用万用表欧姆档测得的暗电阻为∞，超出万用表的量程。在环境光照下的亮电阻为6.5k?。

在光电器件模板的试件插座上接入另一光敏电阻，试作性能比较分析。

2.光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流

按照图1-5接线，分别在暗光及有光源照射下测出输出U

暗和U亮，电流L

暗=U

暗

/R，亮电流L

亮

=U

亮

/R，亮电流与

暗电流之差称为光电流，光电流越大则灵敏度越高。

结果：暗光时电流为0。有光源照射时光电流为71uA。

3. 光敏电阻的伏安特性测试

按照图1-5接线，电源可从直流稳压电源+2~+12V间

选用，每次在一定的光照条件下，测出当加在光敏电阻上

电压为+2V；+4V；+6V；+8V；+10V时电阻R两端的电压U R，和电流数据，同时算出此时光敏电阻的阻值，并填入以下表格，根据实验数据画出光敏电阻的伏安特性曲线。

图1-5 光敏电阻的测量电路

光敏电阻伏安特性测试数据表（暗光）

电源电压（毫

伏）

2 4 6 8 10

U R（伏） 1.98 3.98 5.98 7.98 9.87

电阻（欧姆）∞∞∞∞∞

电流（毫安）0 0 0 0 0

电源电压

（伏）

2 4 6 8 10

U R（伏） 1.50 3.01 4.51 6.00 7.50

电阻（k欧姆） 3.1876 3.0137 3.0059 2.8744 2.8000

电流（毫安）0.56 1.15 1.73 2.32 2.93

光敏电阻伏安特性测试数据表（白炽灯照射）

电源电压

（伏）

2 4 6 8 10

U R（伏）0.92 1.86 2.79 3.71 4.63

电阻（k欧姆）0.7583 0.7625 0.7514 0.7495 0.7455

电流（毫

安）

1.14

2.29

3.45

4.61

5.78

结果：光敏电阻的阻值随光照强度增加而变小，光照强度的变化不改变光敏电阻伏安特性形状，始终呈线性

4. 光敏电阻的光照特性测试

按照图1-5接好实验线路，负载电阻R选定1K，光源用白炽灯，（实验者可仔细调节光源控制旋钮，得到不同的光源亮度），每确定一种亮度后改变测试电路工作电压从0V-12V。

从电源电压U CC=2V开始到U CC=10V，每次在一定的外加电压下测出光敏电阻在相对

光照度从“弱光”到逐步增强（通过白炽灯亮度调节）的电流数据，即：

1.00

R

ph

U

I

K

=

Ω

，

同时求出此时光敏电阻的阻值，即：cc R

g

Ph

U U

R

I

-

=。这里要求尽量多的测点（不少于4

个）不同照度下的电流数据，尤其要在弱光位置选择较多的数据点，以使所得到的数据点能够绘出较为完整的光照特性曲线。

照度很弱较弱中等较强很强

U R（伏）

0.185 0.245 1.05 1.25 1.34

光电流

0.176 0.239 1.07 1.19 1.32

（mA）

照度很弱较弱中等较强很强

0.365 0.495 2.11 2.52 2.69

U R（伏）

0.357 0.508 2.114 2.65 2.73

光电流

（mA）

照度很弱较弱中等较强很强

0.551 0.759 3.18 3.79 4.04

U R（伏）

0.547 0.762 3.15 3.84 4.18

光电流

（mA）

照度很弱较弱中等较强很强

0.78 1.03 4.25 5.06 5.4

U R（伏）

光电流

0.72 1.12 4.36 5.12 5.48

（mA）

光敏电阻光照特性测试数据表（电源电压：10V ）

照度很弱较弱中等较强很强

1.023 1.305 5.34 6.35 6.76

U R（伏）

光电流

1.04 1.38 5.45 6.42 6.89

（mA）

图（b）不同电源电压下光敏电阻光照特性曲线

结果：光照强度很弱时，光敏电阻光电流值很小，且几乎不随光照强度变化而变化；随着光照强度进一步增加，在未达光照饱和前，光电流值与光照强度近似呈线性变化；

光强继续增加，光敏电阻光照特性达到饱和，这时光电流值将不再随光照强度增加而继续变大，其值主要取决于光敏电阻两端电压，电压越大，饱和光电流越大。在总的变化过程中，两端电压高的光敏电阻的光电流总是要高于两端电压低的光敏电阻光电流值。

5. 光敏电阻的光谱特性：

用不同的半导体材料制成的光敏电阻有着不同的光谱特性，见图1-4。当不同波长的入射光照到光敏电阻的光敏面上，光敏电阻就有不同的灵敏度。

用高亮度LED（红、黄、绿、蓝）作为光源，发光管与光敏电阻顶端可用附件中的黑色软管连接。分别测出光敏电阻在各种光源照射下的光电流，再用固体激光器、日光（白光）作为光源，测得光电流，将测得的数据记入下表，据此做出两种光电阻大致的光谱特性曲线：

共测试两个光敏电阻：

光源激光红黄绿蓝白

光电流

4.78 4.18 4.02 4.04 3.10 4.78

( 毫安)

第二个光敏电阻：

光源激光红黄绿蓝白

光电流

20.2 5.9 6.1 1.1 0.5 20.2

( 毫安)

第一个光敏电阻：

第二个光敏电阻：

结果：不同的光敏电阻的光照特性是不同的，但大多数的情况下，其曲线的形状大体相同如上图，在特定的波长处存在吸收峰值，其他波长处光吸收则较之要小，吸收峰波长与光敏电阻特性有关。

6.光敏电阻的温度特性：

光敏电阻与其他半导体器件一样，性能受温度影响较大。随着温度的升高电阻值增大，灵敏度下降。请按图1-5测试电路，分别测出常温下和加温（可白炽灯光照加热3~5分钟）后的伏安特性曲线。

常温：

电压（V） 2 4 6 8 10

U R（伏）0.427 0.873 1.323 1.776 2.24

光电流

0.435 0.883 1.332 1.786 2.28

（毫安）

很弱较弱中等较强很强电压

（V）

U R（伏）0.482 0.94 1.41 1.82 2.29

0.49 0.94 1.41 1.84 2.30

光电流

（毫安）