new光敏電阻特性測定及其應(yīng)用

1、光敏傳感器的光電特性研究(FB815型光敏傳感器光電特性實(shí)驗儀)實(shí)驗講義FB815型光敏傳感器光電特性設(shè)計性實(shí)驗儀凡是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器稱為光敏傳感器，也稱為光電式傳感器，它可用于檢測直接由光照明度變化引起的非電量，如光強(qiáng)、光照度等；也可間接用來檢測能轉(zhuǎn)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(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，因而在工業(yè)自動控制及智能機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。光敏傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，通常分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。在光輻射作用下電子逸出材料的表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射現(xiàn)象，稱為外光電效應(yīng)或光電子發(fā)

2、射效應(yīng)。基于這種效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。另一種現(xiàn)象是電子并不逸出材料表面的，則稱為是內(nèi)光電效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)都屬于內(nèi)光電效應(yīng)。好多半導(dǎo)體材料的很多電學(xué)特性都因受到光的照射而發(fā)生變化，因此也是屬于內(nèi)光電效應(yīng)范疇。本實(shí)驗所涉及的光敏電阻和硅光電池即是內(nèi)光電效應(yīng)傳感器。通過本實(shí)驗可以幫助學(xué)生了解光敏電阻和硅光電池的光電特性及在某些領(lǐng)域中的應(yīng)用?！緦?shí)驗?zāi)康摹?.了解光敏電阻的基本特性，測出它的光照特性曲線；2.了解硅光電池的基本特性，測出它的光照特性曲線?！緦?shí)驗儀器】FB815型光敏傳感器光電特性設(shè)計性實(shí)驗儀，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該實(shí)驗儀由光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、硅光

3、電池四種光敏傳感器及可調(diào)電源、電阻箱（用戶自備）、數(shù)字萬用表，九孔接線板與光學(xué)暗箱所組成。具體介紹如下。1.光學(xué)暗箱(見圖2)：光學(xué)暗箱的大小為360×280×110 mm3，中間位置是九孔實(shí)驗板，學(xué)生可以在上面按自己的需要搭建實(shí)驗電路，在箱子的左里邊有編號L1, L2, L8的接線孔，從里面直接連到箱子左側(cè)的外面，實(shí)驗時將外用電源，測量萬用表及變阻箱通過不同的接線口接入箱里的實(shí)驗電路，當(dāng)箱子密封以后，里面就與外界完全隔絕，工作時照明光路是置于暗箱中進(jìn)行，從而消除雜散光對實(shí)驗的影響。圖2是暗箱結(jié)構(gòu)示意圖。2 . JK-30工作電源(見圖3)：本實(shí)驗儀配有JK-30工作電源，

4、圖3為專用電源面板功能分布圖。主要提供兩路工作電壓，一路光電源輸出，供白幟燈發(fā)光，電壓012V連續(xù)可調(diào)。另一路傳感器工作電源，有±2V, ±4V, ±6V, ±8V, ±10V, ±12檔可選，以保證實(shí)驗的不同需要。光敏傳感器的照度可以通過調(diào)節(jié)光電源的電壓或改變光源與傳感器之間的距離來調(diào)節(jié)。3. 其它實(shí)驗配件(見圖4)：【實(shí)驗原理】1光電效應(yīng)：（1）光電導(dǎo)效應(yīng)：當(dāng)光照射到某些半導(dǎo)體材料上時，透過到材料內(nèi)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(dǎo)電的自由態(tài)，這時在外電場的作用下，流過半導(dǎo)體的電流會增大，即半導(dǎo)體的電

5、導(dǎo)會增大，這種現(xiàn)象叫光電導(dǎo)效應(yīng)。它是一種內(nèi)光電效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)可分為本征型和雜質(zhì)型兩類。前者是指能量足夠大的光子使電子離開價帶躍入導(dǎo)帶，價帶中由于電子離開而產(chǎn)生空穴，在外電場作用下，電子和空穴參與電導(dǎo)，使電導(dǎo)增加。雜質(zhì)型光電導(dǎo)效應(yīng)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(dǎo)帶或價帶，從而使電導(dǎo)增加。雜質(zhì)型光電導(dǎo)的長波限比本征型光電導(dǎo)的要長的多。（2）光生伏特效應(yīng)：在無光照時，半導(dǎo)體PN結(jié)內(nèi)部有自建電場。當(dāng)光照射在PN結(jié)及其附近時，在能量足夠大的光子作用下，在結(jié)區(qū)及其附近就產(chǎn)生少數(shù)載流子（電子、空穴對）。載流子在結(jié)區(qū)外時，靠擴(kuò)散進(jìn)入結(jié)區(qū)；在結(jié)區(qū)中時，則因電場E的作用，電子漂移

6、到N區(qū)，空穴漂移到P區(qū)。結(jié)果使N區(qū)帶負(fù)電荷，P區(qū)帶正電荷，產(chǎn)生附加電動勢，此電動勢稱為光生電動勢，此現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。2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。伏安特性：光敏傳感器在一定的入射光照度下，光敏元件的電流與所加電壓之間的關(guān)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(yīng)用設(shè)計時的重要依據(jù)。光照特性：光敏傳感器的感光靈敏度與入射光強(qiáng)之間的關(guān)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(qiáng)之間的關(guān)系也稱為光照特性，它也是光敏傳感器應(yīng)用設(shè)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(yīng)用光敏傳感器

7、打好基礎(chǔ)。本實(shí)驗主要是研究光敏電阻和硅光電池的基本特性。3. 光敏傳感器簡介（1）光敏電阻利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料制成的光敏傳感器稱為光敏電阻。目前光敏電阻應(yīng)用的極為廣泛，其工作過程為，當(dāng)光敏電阻受到光照時，發(fā)生內(nèi)光電效應(yīng)，光敏電阻電導(dǎo)率的改變量為： （1） 在（1）式中，e為電子電荷量，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(dāng)兩端加上電壓U后，光電流為： （2）式中A為與電流垂直的表面積，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(guān)系。光敏電阻的伏安特性如圖5a所示，不同的光強(qiáng)以得到不同的伏安特性，表明電阻值隨光照度發(fā)生變化。光照度不變的情

8、況下，電壓越高，光電流也越大，而且沒有飽和現(xiàn)象。當(dāng)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。光敏電阻的光照特性則如圖5b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5b的結(jié)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(diǎn)之一。所以在自動控制中光敏電阻常用作開關(guān)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(diǎn)是工作時不需要外加偏壓，接收面積小，使用方便。缺點(diǎn)是響應(yīng)時間長。圖6a為硅光電池的伏安特性曲線,圖6b為硅光電池的光照特性曲線，在一定光照度下，硅光電池的伏安

9、特性呈非線性。當(dāng)光照射硅光電池的時候，將產(chǎn)生一個由N區(qū)流向P區(qū)的光生電流Iph；同時由于PN結(jié)二極管的特性，存在正向二極管管電流ID，此電流方向與光生電流方向相反。所以實(shí)際獲得的電流為： （3）式中V為結(jié)電壓，I0為二極管反向飽和電流，n為理想系數(shù)，表示PN結(jié)的特性，通常在1和2之間，kB為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度。短路電流是指負(fù)載電阻相對于光電池的內(nèi)阻來講是很小的時候的電流。在一定的光照度下:當(dāng)光電池被短路時，結(jié)電壓V=0，從而有： （4）負(fù)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(guān)系，見圖6b，負(fù)載電阻過大，則線性會變壞。 開路電壓則是指負(fù)載電阻遠(yuǎn)大于光電池的內(nèi)阻時硅光電池兩

10、端的電壓，而當(dāng)硅光電池的輸出端開路時有I=0，由（3）（4）式可得開路電壓為： （5）開路電壓與光照度之間為對數(shù)關(guān)系，見圖6a，因而具有飽和性。因此，把硅光電池作為敏感元件時，應(yīng)該把它當(dāng)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(diǎn)，這是硅光電池的主要優(yōu)點(diǎn)?！緦?shí)驗內(nèi)容和要求】1光敏電阻的光照特性測試（1）按實(shí)驗儀面板示意圖7接好實(shí)驗線路，光源用白幟燈。將檢測用光敏電阻插入插孔，連結(jié)U電源。（2）U電源調(diào)定一電壓，在此電壓下測出光敏電阻在光照度逐步“由強(qiáng)減弱”的各孔位強(qiáng)光電流數(shù)據(jù)，即： 。這里要求測出12個不同照度下(對應(yīng)不同孔位)的光電流數(shù)據(jù)，以使所得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)能夠繪出較完整的光照特性

11、曲線。根據(jù)實(shí)驗數(shù)據(jù)畫出光敏電阻的一簇光照特性曲線。VU1=12 VUL=10 VR=1 kUR圖7 光敏電阻光照特性測量電路2. 硅光電池的光照特性測試按實(shí)驗儀面板示意圖8接好實(shí)驗線路，光源用白幟燈。在相對照度已調(diào)校好的照度下，將硅光電池插入第5孔位。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（近似值），然后逐步將硅光電池插入第6孔位、第7孔位、第8孔位等等,改變照度（孔位），重復(fù)測出開路電壓和短路電流。 根據(jù)實(shí)驗數(shù)據(jù)畫出硅光電池的光照特性曲線。Uoc (K斷)UR (K閉合)UL=10 VR=1 kK圖8 硅光電池光照特性測量電路表1 光敏電阻和硅光電池光照特性測試數(shù)據(jù)表距離r (cm)7.008.5010.0012.0013.5015.0017.0018.5020.0022.0023.5025.001/r2 (×10-3 cm-2)光敏電阻UR(mV