实验七光电二极管和光敏电阻的特性研究 廖朝阳湖南科技学院电子工程实验中心 目录 1 引言2 实验目的3 实验原理4 实验的仪器5 实验的方法与步骤6 实验的结果与分析7 对照表8 注意事项 大型光电二极管 藏北 一 引言 1 光敏传感器 是将光信号转换为电信号的传感器 也称为光电式传感器 光敏传感器的物理基础是光电效应 光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类 外光电效应是指在光照射下 电子逸出物体表面的外发射的现象 也称光电发射效应 基于这种效应的光电器件有光电管 光电倍增管等 内光电效应是指入射的光强改变物质导电率的物理现象 称为光电导效应 几乎大多数光电控制应用的传感器都是此类 通常有光敏电阻 光敏二极管 光敏三极管 光电二极管等 2 光敏电阻 又称光导管 常用的制作材料为硫化镉 另外还有硒 硫化铝 硫化铅和硫化铋等材料 这些制作材料具有在特定波长的光照射下 其阻值迅速减小的特性 这是由于光照产生的载流子都参与导电 在外加电场的作用下作漂移运动 电子奔向电源的正极 空穴奔向电源的负极 从而使光敏电阻器的阻值迅速下降 3 光敏电阻演示 二 实验目的 1 了解光敏电阻的电阻特性 掌握光敏电阻的伏安特性及其随光照强度的变化规律 2 测出它的伏安特性曲线和光照特性曲线 三 实验原理 1 原理与结构 原理 当光照射到光电导体上时 若光电导体为某种本征半导体材料 光辐射能量足够强 光导材料价带的电子将激发到导带上去 从而使导带的电子和价带的空穴增加 致使光导体的电导率变大 将产生内光电效应 实现能级的跃迁 产生内光电效应要求入射光的能量大于一个特定的数值 即光敏电阻对光具有选择性 三 实验原理 续 1 原理与结构 光电二极管 光电二极管是利用PN结单向导电性的结型光电器件 结构与一般二极管类似 PN结安装在管的顶部 便于接受光照 外壳上有以透镜制成的窗口以使光线集中在敏感面上 为了获得尽可能大的光生电流 PN结的面积比一般二极管要大 为了光电转换效率高 PN结的深度比一般二极管浅 三 实验原理 续 1 原理与结构 光电二极管 光电二极管可工作在两种状态 大多数情况下工作在反向偏压状态 在这种情况下 当无光照时 处于反偏的二极管工作在截止状态 这时只有少数载流子在反向偏压的作用下 渡越阻挡层形成微小的反向电流 即暗电流 反向电流小的原因是在PN结中 P型中的电子和N型中的空穴 少数载流子 很少 当光照射在PN结上时 PN结附近受光子轰击 吸收其能量而产生电子空穴对 使P区和N区的少数载流子浓度 三 实验原理 续 1 原理与结构 光电二极管 光电二极管是利用PN结单向导电性的结型光电器件 结构与一般二极管类似 PN结安装在管的顶部 便于接受光照 外壳上有以透镜制成的窗口以使光线集中在敏感面上 为了获得尽可能大的光生电流 PN结的面积比一般二极管要大 为了光电转换效率高 PN结的深度比一般二极管浅 光电二极管可工作在两种状态 大多数情况下工作在反向偏压状态 在这种情况下 当无光照时 处于反偏的二极管工作在截止状态 这时只有少数载流子在反向偏压的作用下 渡越阻挡层形成微小的反向电流 即暗电流 反向电流小的原因是在PN结中 P型中的电子和N型中的空穴 少数载流子 很少 当光照射在PN结上时 PN结附近受光子轰击 吸收其能量而产生电子空穴对 使P区和N区的少数载流子浓度 三 实验原理 续 1 原理与结构 光电二极管 大大增加 在外加反偏电压和内电场的作用下 P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区 N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区 从而使通过PN结的反向电流大为增加 形成了光电流 反向电流随光照强度增加而增加 另一种工作状态是在光电二极管上不加电压 利用PN结受光照强度增加而增加 N结受光照时产生正向电压的原理 将其作为微型光电池用 这种工作状态一般用作光电检测 光电二极管常用的材料有硅 锗 锑化铟 砷化铟等 使用最广泛的是硅 锗光电二极管 光电二极管具有响应速度快 精巧 坚固 良好的温度稳定性和低工作电压的优点 因而得到了广泛的应用 上图为光电流信号转换电路 Vo IpR Ip为光电流 R是反馈电阻 结构 管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体 光导体吸收光子而产生的光电效应 只限于光照的表面薄层 虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去 但扩散深度有限 因此光电导体一般都做成薄层 为了获得高的灵敏度 光敏电阻的电极一般采用梳状图案 符号 2 光敏电阻的伏安特性光敏电阻在一定的入射照度下 光敏电阻的电流I与所加电压U之间的关系称为光敏电阻的伏安特性 改变照度则可以得到一族伏安特性曲线 它是传感器应用设计时选择电参数的重要依据 下面是某种光敏电阻的一族伏安特性曲线 可以看出 光敏电阻是一个纯电阻 其伏安特性线性良好 在一定照度下 电压越大光电流越大 但必须考虑光敏电阻的最大耗散功率 超过额定电压和最大电流都可能导致光敏电阻的永久性损坏 3 光照特性光敏传感器的光谱灵敏度与入射光强之间的关系称为光照特性 有时光敏传感器的输出电压或电流与入射光强之间的关系也称为光照特性 下面是某种光敏电阻的光照特性 可以看出光敏电阻的光照特性呈非线性 一般不适合作线性检测元件 四 实验仪器 光电实验模板 双踪示波器 直流电源 音频振荡器 万用表 五 实验内容与步骤 实验步骤 1 将主控箱的0 20mA恒流源调节到最小 2 把0 20mA恒流源的输出和光电模块上的恒流输入连接起来 以驱动LED光源 3 1 光电二极管实验 将恒流源从0开始每隔2mA记录一次 填入下列相应的表格 光电二极管的强度指示在光电模块的右边数显上 3 2 光敏电阻实验 由于光敏电阻光较弱时变化较大 所以在0 2mA之间 每隔0 5mA记录一次 以后每隔2mA做一次实验 测得的数据填入下列相应表格 光敏电阻的大小用万用表测量光电模块上的光敏电阻输出端 1 光电二极管 2 光敏电阻 六 实验的结果与分析 表1 光敏电阻伏安特性测量Tab 注1 光照25 00Mv 12V R1 1k U光敏 U电源 U1 I光敏 U1 R1 注 可用计算机软件绘制 表 2光敏电阻光照特性Tab 注2 U电源 6 0V 10V R1 1K I光敏 U1 R1 注 可用计算机软件绘制 七 实验注意事项 注意要将主控箱上恒流输出的正负端和光电模块上的正负端对应接好 否则 光发送端将不能发光 八 思考题 1 当将光电二极管作为光探测器时应注意那些问题 2 讨论光敏电阻主要应用在什么场合 九 实验报告要求 1 根据实验数据做出光敏电阻和光电二极管的特性曲线图 2 简述光敏电阻和光电二极管的基本特性