光電傳感器系列實(shí)驗(yàn)

東南大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師日期報(bào)告成績實(shí)驗(yàn)名稱光敏傳感器的光電特性研究目錄實(shí)驗(yàn)一光敏電阻特性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)二光敏二極管特性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、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。二、實(shí)驗(yàn)原理：光敏傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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(qiáng)度變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉(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(shí)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(dòng)控制及智能機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。1、光電效應(yīng)光敏傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，在光輻射作用下電子逸出材料的表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射稱為外光電效應(yīng)，或光電子發(fā)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。電子并不逸出材料表面的則是內(nèi)光電效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)則屬于內(nèi)光電效應(yīng)。即半導(dǎo)體材料的許多電學(xué)特性都因受到光的照射而發(fā)生變化。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，幾乎大多數(shù)光電控制應(yīng)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(dǎo)效應(yīng)若光照射到某些半導(dǎo)體材料上時(shí)，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(shí)在外電場的作用下，流過半導(dǎo)體的電流會(huì)增大，即半導(dǎo)體的電導(dǎo)會(huì)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(jià)帶躍入導(dǎo)帶，價(jià)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(jià)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(shí)，半導(dǎo)體PN結(jié)內(nèi)部自建電場。當(dāng)光照射在PN結(jié)及其附近時(shí)，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(shí)，靠擴(kuò)散進(jìn)入結(jié)區(qū)；在結(jié)區(qū)中時(shí)，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(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(dòng)勢，此電動(dòng)勢稱為光生電動(dòng)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本實(shí)驗(yàn)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(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(jì)時(shí)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(qiáng)之間的關(guān)系稱為光照特性，有時(shí)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(jì)時(shí)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)用光敏傳感器打好基礎(chǔ)。（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，可見光波段和大氣透過的幾個(gè)窗口都有適用的光敏電阻。利用光敏電阻制成的光控開關(guān)在我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見。當(dāng)內(nèi)光電效應(yīng)發(fā)生時(shí)，光敏電阻電導(dǎo)率的改變量為：（1）在（1）式中，e為電荷電量，為空穴濃度的改變量，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，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2a所示，不同的光照度可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。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(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(dòng)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(shí)不需要外加偏壓，接收面積小，使用方便。缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間長。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3b中1：開路電壓2：短路電流當(dāng)光照射硅光電池的時(shí)候，將產(chǎn)生一個(gè)由N區(qū)流向P區(qū)的光生電流；同時(shí)由于PN結(jié)二極管的特性，存在正向二極管管電流，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，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，為波爾茲曼常熟，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(shí)候的電流。在一定的光照度下，當(dāng)光電池被短路時(shí)，結(jié)電壓V為0，從而有：（4）負(fù)載電阻在20歐姆以下時(shí)，短路電流與光照有比較好的線性關(guān)系，負(fù)載電阻過大，則線性會(huì)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(shí)硅光電池兩端的電壓，而當(dāng)硅光電池的輸出端開路時(shí)有，由（3）（4）式可得開路電壓為：（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(guān)系，因而具有飽和性。因此，把硅光電池作為敏感元件時(shí)，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)。（3）光敏二極管和光敏三極管光敏二極管的伏安特性相當(dāng)于向下平移了的普通二極管，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(shí)，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(chǎn)生光生電動(dòng)勢，只因光電三極管的集電結(jié)在無反向偏壓時(shí)沒有放大作用，所以此時(shí)沒有電流輸出（或僅有很小的漏電流）。圖4a光敏二極管的伏安特性曲線圖4b光敏三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(shí)靈敏度低些，在強(qiáng)光時(shí)則有飽和現(xiàn)象，這是由于電流放大倍數(shù)的非線性所至，對弱信號(hào)的檢測不利。故一般在作線性檢測元件時(shí)，可選擇光敏二極管而不能用光敏三極管。圖5a光敏二極管的光照特性曲線圖5b光敏三極管的光照特性曲線三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求：1、光敏電阻的特性測試圖61.1光敏電阻的伏安特性測試:（a）按實(shí)驗(yàn)儀面板示意圖接好實(shí)驗(yàn)線路，光源用標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈將檢測用光敏電阻裝入待測點(diǎn)，連結(jié)+2--+12V電源，光源電壓0--24V電源（可調(diào)）。（b）先將可調(diào)光源調(diào)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(shí)電阻R1=1kΩ兩端的電壓UR，從而得到6個(gè)光電流數(shù)據(jù)，同時(shí)算出此時(shí)光敏電阻的阻值，即。以后調(diào)節(jié)相對光強(qiáng)重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)（要求至少在三個(gè)不同照度下重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)）。（c）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出光敏電阻的一族伏安特性曲線。U為電路總電壓，UL為光源電壓，UR為1kΩ定值電阻上的電壓，ULDR為光敏二極管上的反偏電壓，Iph為通過光敏電阻的電流值，Rp為光敏電阻的阻值，L為光源與光敏電阻的距離。在L=5cm,以及UL一定的情況下，即光源的照度一定時(shí)，改變電路的總外電壓U，測量光敏電阻的伏安特性曲線。下面是在三個(gè)不同的UL值下，測得的數(shù)據(jù)。1）UL=3.5V，U（V）24681012UR(V)0.2550.510.7661.0241.281.543ULDR(V)1.7453.495.2346.9768.7210.457Iph(mA)0.2550.510.7661.0241.281.543Rp(kΩ)6.8436.8436.8336.8136.8136.7772）UL=4V，U（V）24681012UR(V)0.37160.74181.111.4831.8562.23ULDR(V)1.62843.25824.896.5178.1449.77Iph(mA)0.37160.74181.111.4831.8562.23Rp(kΩ)4.3824.3924.4054.3944.3884.3813）UL=5V，U（V）24681012UR(V)0.621.241.85632.4783.13.72ULDR(V)1.382.764.14375.5226.98.28Iph(mA)0.621.241.85632.4783.13.72Rp(kΩ)2.2262.2262.23262.22862.2262.2261.2光敏電阻的光電特性：（a）按實(shí)驗(yàn)儀面板示意圖(圖6)接好實(shí)驗(yàn)線路，光源用標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈將檢測用光敏電阻裝入待測點(diǎn)，連結(jié)+2--+12V電源，光源電壓0--24V電源（可調(diào)）。（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(qiáng)的光電流數(shù)據(jù)，即：，同時(shí)算出此時(shí)光敏電阻的阻值即：。這里要求至少測出15個(gè)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(diǎn)，以使所得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)能夠繪出完整的光照特性曲線。注：實(shí)驗(yàn)中的照度計(jì)算，由于實(shí)驗(yàn)中用的小燈泡自身尺寸與它與光敏電阻的距離L相比很小，可當(dāng)做點(diǎn)光源，根據(jù)點(diǎn)光源照度公式，有En=Iθ/L2。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格：1）保持一定的外加電壓U=2V，通過固定L=5cm，改變光源電壓UL來改變照度，測量光敏電阻的光電特性。此處L一定，用UL2表示照度的大小。UL（V）1.4523456UR(V)0.00450.0290.150.3680.6210.857ULDR(V)1.99551.9711.851.6321.3791.143Iph(mA)0.00450.0290.150.3680.6210.857Rp(kΩ)443.467.9712.334.432.221.33UL（V）788.599.510UR(V)1.051.211.271.331.381.43ULDR(V)0.950.790.730.670.620.57Iph(mA)1.051.211.271.331.381.43Rp(kΩ)0.90.650.570.50.450.42）保持一定的外加電壓U=6V，通過固定光源電壓UL=8V，改變L的值來改變照度，測量光敏電阻的光電特性。此處UL一定，用1/L2表示照度的大小。L(cm)567891011UR(V)3.022.7762.5282.2962.0951.9181.79ULDR(V)2.983.2243.4723.7043.9054.0824.21Iph(mA)3.022.7762.5282.2962.0951.9181.79Rp(kΩ)0.9871.1611.3731.6131.8642.1282.352L(cm)12131415161718UR(V)1.681.591.51.4351.3871.34121.3ULDR(V)4.324.414.54.5654.6134.65884.7Iph(mA)1.681.591.51.4351.3871.34121.3Rp(kΩ)2.5712.77433.1813.3263.4743.6153）保持一定的外加電壓U=8V，通過固定光源電壓UL=8V，改變L的值來改變照度，測量光敏電阻的光電特性。L(cm)567891011UR(V)4.023.73.3643.062.82.572.4ULDR(V)3.984.34.6364.945.25.435.6Iph(mA)4.023.73.3643.062.82.572.4Rp(kΩ)0.991.1621.3781.6141.8572.1132.333L(cm)12131415161718UR(V)2.262.132.021.9261.861.81.74ULDR(V)5.745.875.986.0746.146.26.26Iph(mA)2.262.132.021.9261.861.81.74Rp(kΩ)2.5342.7562.963.1543.3013.4443.5982、光敏二極管的特性測試實(shí)驗(yàn)圖82.1光敏二極管的伏安特性測試實(shí)驗(yàn)（a）按儀器面板示意圖（圖8）連接好實(shí)驗(yàn)線路,光源用標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈,將待測硅光敏二極管裝入待測點(diǎn),光源電源電壓用+0V～+24V(可調(diào))。（b）將可調(diào)光源調(diào)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電壓與產(chǎn)生的光電流的關(guān)系數(shù)據(jù)，其中光電流（為取樣電阻），以后逐步調(diào)大相對光強(qiáng)（3次），重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。U為電路總電壓，UL為光源電壓，UR為1kΩ定值電阻上的電壓，試驗(yàn)中光敏二極管采用反接，ULDR為光敏二極管上的反偏電壓，Iph為通過光敏二極管的電流值，Rp為光敏二極管的阻值，L為光源與光敏二極管的距離。在L=5cm,以及UL一定的情況下，即光源的照度一定時(shí)，改變電路的總外電壓U，測量光敏二極管的伏安特性曲線。下面是在三個(gè)不同的UL值下，測得的數(shù)據(jù)：1）UL=3.3V，U（V）24681012UR(mV)29.9130.8131.4832.0232.532.92ULDR(V)1.973.9695.9697.9689.96811.967Iph(uA)29.9130.8131.4832.0232.532.92Rp(kΩ)65.864128.822189.612248.844306.708363.5182）UL=5V，U（V）24681012UR(mV)114.67118.01120.42122.38124.06125.54ULDR(V)1.8853.8825.887.8789.87611.874Iph(uA)114.67118.01120.42122.38124.06125.54Rp(kΩ)16.43832.89648.82964.37379.60794.5833）UL=7V，U（V）24681012UR(mV)301.66310.77317.15322.4326.7330.5ULDR(V)1.6983.6895.6837.6789.67311.67Iph(uA)301.66310.77317.15322.4326.7330.5Rp(kΩ)5.62911.87117.91923.815929.60835.312.2光敏二極管的光照度特性測試（a）實(shí)驗(yàn)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敏二極管在相對光照度為“弱光”到逐步增強(qiáng)的光電流數(shù)據(jù)，其中（1.00K為取樣電阻）。這里要求至少測出3個(gè)不同的反偏電壓下的數(shù)據(jù)。注：實(shí)驗(yàn)中的照度計(jì)算，由于實(shí)驗(yàn)中用的小燈泡自身尺寸與它與光敏二極管的距離L相比很小，可當(dāng)做點(diǎn)光源，根據(jù)點(diǎn)光源照度公式，有En=Iθ/L2。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格：1）保持一定的外加電壓U=2V，通過固定L=5cm，改變光源電壓UL來改變照度，測量光敏二極管的光電特性。此處L一定，用UL2表示照度的大小。UL（V）11.522.5345UR(mV)0.131.314.5410.9721.4856.7114ULDR(V)21.9991.9951.9891.9791.9431.886Iph(uA)0.131.314.5410.9721.4856.7114Rp(kΩ)15384.61526439.4181.392.134.316.5UL（V）67891011UR(mV)193.7298.55428580.2754954ULDR(V)1.8061.7011.5721.421.2461.046Iph(uA)193.7298.55428580.2754954Rp(kΩ)9.35.73.72.41.71.12）保持一定的外加電壓U=4V，通過固定光源電壓UL=8V，改變L的值來改變照度，測量光敏電阻的光電特性。此處UL一定，用1/L2表示照度的大小。L（cm）567891011UR(mV)233.24234233.8224.6208.5190.5171.3ULDR(V)3.7673.7663.7663.7753.7923.813.829Iph(uA)233.24234233.8224.6208.5190.5171.3Rp(kΩ)16.1516.0916.1116.8118.192022.35L（cm）12131415161718UR(mV)154.45139.8127116108.810297.17ULDR(V)3.8463.863.8733.8843.8913.8983.903Iph(uA)154.45139.8127