高中物理 光敏传感器特性测量实验.docx
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高中物理光敏传感器特性测量实验
实验十三光敏传感器的光电特性研究
【实验目的】
1、了解光敏电阻的基本特性，测出它的伏安特性曲线和光照特性曲线；
2、了解硅光电池的基本特性，测出它的伏安特性曲线和光照特性曲线；
3、了解硅光敏二极管的基本特性，测出它的伏安特性和光照特性曲线；
4、了解硅光敏三极管的基本特性，测出它的伏安特性和光照特性曲线。
【实验仪器】
FD-LS－Ａ光敏传感器光电特性实验仪，其工作面板如图1所示。
该实验仪由光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池四种光敏传感器及可调光源、电阻箱、数字电压表等组成。
图1FD-LS－Ａ光敏传感器光电特性实验仪工作面板
光敏传感器处的照度通过调节可调光源的电压和光源与探测器之间的距离来调节。
在一定的电源电压和光源距离下，附表1中给出了相对应的光源照度（见讲义最后）。
【实验原理】
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，它可用于检测直接引起光强度变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其它非电量，如零件直径、表面粗糙度、位移、速度、加速度及物体形状、工作状态识别等。
光敏传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因而在工业自动控制及智能机器人中得到广泛应用。
1、光电效应
光敏传感器的物理基础是光电效应，在光辐射作用下电子逸出材料的表面，产生光电子发射称为外光电效应，或光电子发射效应，基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。
电子并不逸出材料表面的则是内光电效应。
光电导效应、光生伏特效应则属于内光电效应。
即半导体材料的许多电学特性都因受到光的照射而发生变化。
光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类，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、硅光电池等。
（1）光电导效应
若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
本实验主要是研究光敏电阻、硅光电池、光敏二极管、光敏三极管四种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。
其中光敏传感器在一定的入射照度下，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。
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，它也是光敏传感器应用设计时选择参数的重要依据之一。
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。
（1）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，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我们日常生活中随处可见。
当内光电效应发生时，光敏电阻电导率的改变量为：
（1）
在
（1）式中，e为电荷电量，
为空穴浓度的改变量，
为电子浓度的改变量，
表示迁移率。
当两端加上电压U后，光电流为：
（2）
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，
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2a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，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。
图2a光敏电阻的伏安特性曲线图2b光敏电阻的光照特性曲线
光敏电阻的光照特性则如图2b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2b的结果类似。
由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不适宜作线性敏感元件，这是光敏电阻的缺点之一。
所以在自动控制中光敏电阻常用作开关量的光电传感器。
（2）硅光电池
硅光电池是目前使用最为广泛的光伏探测器之一。
它的特点是工作时不需要外加偏压，接收面积小，使用方便。
缺点是响应时间长。
图3a为硅光电池的伏安特性曲线。
在一定光照度下，硅光电池的伏安特性呈非线性。
图3a硅光电池的伏安特性曲线图3b硅光电池的光照特性曲线
*图3b中1：
开路电压2：
短路电流
当光照射硅光电池的时候，将产生一个由N区流向P区的光生电流
；同时由于PN结二极管的特性，存在正向二极管管电流
，此电流方向与光生电流方向相反。
所以实际获得的电流为：
（3）
式中V为结电压，
为二极管反向饱和电流，n为理想系数，表示PN结的特性，通常在1和2之间，
为波尔兹曼常熟，T为绝对温度。
短路电流是指负载电阻相对于光电池的内阻来讲是很小的时候的电流。
在一定的光照度下，当光电池被短路时，结电压V为0，从而有：
（4）
负载电阻在20欧姆以下时，短路电流与光照有比较好的线性关系，负载电阻过大，则线性会变坏。
开路电压则是指负载电阻远大于光电池的内阻时硅光电池两端的电压，而当硅光电池的输出端开路时有
，由（3）（4）式可得开路电压为：
（5）
图3b为硅光电池的光照特性曲线。
开路电压与光照度之间为对数关系，因而具有饱和性。
因此，把硅光电池作为敏感元件时，应该把它当作电流源的形式使用，即利用短路电流与光照度成线性的特点，这是硅光电池的主要优点。
（3）光敏二极管和光敏三极管
光敏二极管的伏安特性相当于向下平移了的普通二极管，光敏三极管的伏安特性和光敏二极管的伏安特性类似，如图4a，b所示。
但光敏三极管的光电流比同类型的光敏二极管大好几十倍，零偏压时，光敏二极管有光电流输出，而光敏三极管则无光电流输出。
原因是它们都能产生光生电动势，只因光电三极管的集电结在无反向偏压时没有放大作用，所以此时没有电流输出（或仅有很小的漏电流）。
图4a光敏二极管的伏安特性曲线图4b光敏三极管的伏安特性曲线
光敏二极管的光照特性亦呈良好线性，这是由于它的电流灵敏度一般为常数。
而光敏三极管在弱光时灵敏度低些，在强光时则有饱和现象，这是由于电流放大倍数的非线性所至，对弱信号的检测不利。
故一般在作线性检测元件时，可选择光敏二极管而不能用光敏三极管。
图5a光敏二极管的光照特性曲线图5b光敏三极管的光照特性曲线
【实验内容和要求】
本实验内容分为必做部分和选作部分两项内容。
一、必做部分
1、光敏电阻的特性测试
图6
1.1光敏电阻的伏安特性测试
（a）按实验仪面板示意图接好实验线路，光源用标准钨丝灯将检测用光敏电阻装入待测点，连结+2--+12V电源，光源电压0--24V电源（可调）。
（b）先将可调光源调至一定的光照度，每次在一定的光照条件下，测出加在光敏电阻上电压为+2V；+4V；+6V；+8V；+10V；+12V时电阻R1两端的电压UR，从而得到6个光电流数据
，同时算出此时光敏电阻的阻值，即
。
以后调节相对光强重复上述实验（要求至少在三个不同照度下重复以上实验）。
（c）根据实验数据画出光敏电阻的一族伏安特性曲线。
表1光敏电阻伏安特性测试数据表（照度：
）
电压（伏）
2
4
6
8
10
12
UR（伏）
电阻（欧姆）
光电流
表2光敏电阻伏安特性测试数据表（照度：
）
电压（伏）
2
4
6
8
10
12
UR（伏）
电阻（欧姆）
光电流
表3光敏电阻伏安特性测试数据表（照度：
）
电压（伏）
2
4
6
8
10
12
UR（伏）
电阻（欧姆）
光电流
1.2光敏电阻的光照特性测试
（a）按实验仪面板示意图（图6）接好实验线路，光源用标准钨丝灯将检测用光敏电阻装入待测点，连结+2--+12V电源，光源电压0--24V电源（可调）。
（b）从UCC=0开始到UCC=12V，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”到逐步增强的光电流数据，即：
，同时算出此时光敏电阻的阻值，即：
。
这里要求至少测出15个不同照度下的光电流数据，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完整的光照特性曲线。
表4光敏电阻光照特性测试数据表（电压：
）
照度
UR（伏）
光电流（安培）
表5光敏电阻光照特性测试数据表（电压：
）
照度
UR（伏）
光电流（安培）
表6光敏电阻光照特性测试数据表（电压：
）
照度
UR（伏）
光电流（安培）
（c）根据实验数据画出光敏电阻的一族光照特性曲线。
2、硅光电池的特性测试
2.1面板使用说明：
仪器面板示意图如图7所示，开关K指向“1”时，电压表测量开路电压UOC，开关指向“2”时，Rx1短路，电压表测量R1电压UR1。
2.2硅光电池的伏安特性测试
（a）按照图7所示连接好实验线路，其中电阻箱为外置电阻箱（从0
调至5000
）,由实验者自行连接到电路中。
光源用标准钨丝灯，将待测硅光电池装入待测点，光源电压+0—24V（可调）。
（b）先将可调光源的光强调至一定的照度，每次在一定的照度下，调节可调电阻箱的阻值，然后测出一组硅光电池的开路电压UOC和取样电阻R1两端的电压UR1,则光电流
（2.00
为取样电阻的阻值），这里要求至少测出15个数据点，以绘出完整的伏安特性曲线。
以后逐步选择不同的光照度（至少3个），重复上述实验。
表7硅光电池伏安特性测试数据表（照度：
）
Rx1（欧姆）
UOC（伏）
UR1（伏）
光电流（安培）
表8硅光电池伏安特性测试数据表（照度：
）
Rx1（欧姆）
UOC（伏）
UR1（伏）
光电流（安培）
表9硅光电池伏安特性测试数据表（照度：
）
Rx1（欧姆）
UOC（伏）
UR1（伏）
光电流（安培）
（c）根据实验数据画出硅光电池的一族伏安曲线。
图7
2.3硅光电池的光照度特性测试
（a）实验线路见图7，电阻箱调到0Ω。
（b）先将可调光源调至一定的照度下，测出该照度下硅光电池的开路电压Uoc和短路电流Isc数据,其中短路电流为
（近似值，
为取样电阻），以后逐步改变可调光源的照度（8～10次），重复测出开路电压和短路电压。
表10硅光电池的照度特性测试
照度
UOC（伏）
UR1（伏）
光电流（安培）
（3）根据实验数据画出硅光电池的光照特性曲线。
二、选做部分
3、光敏二极管的特性测试实验
图8
3.1光敏二极管的伏安特性测试实验
（a）按仪器面板示意图（图8）连接好实验线路,光源用标准钨丝灯,将待测硅光敏二极管装入待测点,光源电源电压用+0V～+24V（可调）。
（b）将可调光源调至一定的照度，每次在一定的照度下，测出加在光敏二极管上的反偏电压与产生的光电流的关系数据，其中光电流
（
为取样电阻），以后逐步调大相对光强（3次），重复上述实验。
表11光敏二极管伏安特性测试数据表（照度：
）
电压（伏）
2
4
6
8
10
12
UR（伏）
电阻（欧姆）
光电流
表12光敏二极管伏安特性测试数据表（照度：
）
电压（伏）
2
4
6
8
10
12
UR（伏）
电阻（欧姆）
光电流
表13光敏二极管伏安特性测试数据表（照度：
）
电压（伏）
2
4
6
8
10
12
UR（伏）
电阻（欧姆）
光电流（安培）
（c）根据实验数据画出光敏二极管的一族伏安曲线。
3.2光敏二极管的光照度特性测试
（a）实验线路同图8。
（b）选择一定的反偏压，每次在一定的反偏压下测出光敏二极管在相对光照度为“弱光”到逐步增强的光电流数据，其中
（1.00K
为取样电阻）。
这里要求至少测出3个不同的反偏电压下的数据。
表14光敏二极管光照特性测试数据表（电压：
）
照度
UR（伏）
光电流（安培）
表15光敏二极管光照特性测试数据表（电压：
）
照度
UR（伏）
光电流（安培）
表16光敏二极管光照特性测试数据表（电压：
）
照度
UR（伏）
光电流（安培）
（c）根据实验数据画出一族光敏二极管的一族光照特性曲线。
4、光敏三极管的特性测试实验
图9
4.1光敏三极管的伏安特性测试实验
（a）按仪器面板示意图（图9）连接好实验线路，光源用标准钨丝灯，将待测光敏三极管装入待测点，光源电压用0～24V（可调）。
（b）将可调光源调至一定的照度，每次在一定光照条件下，测出加在光敏三极管的偏置电压UCE与产生的光电流IC的关系数据。
其中光电流为
（
为取样电阻），以后选择不同的照度（至少3个），重复上述实验。
表17光敏三极管伏安特性测试数据表（照度：
）
电压（伏）
2
4
6
8
10
12
UR（伏）
电阻（欧姆）
光电流
表18光敏三极管伏安特性测试数据表（照度：
）
电压（伏）
2
4
6
8
10
12
UR（伏）
电阻（欧姆）
光电流
表19光敏三极管伏安特性测试数据表（照度：
）
电压（伏）
2
4
6
8
10
12
UR（伏）
电阻（欧姆）
光电流
（c）根据实验数据画出光敏三极管的一族伏安特性曲线。
4.2光敏三极管的光照度特性测试实验
（a）实验线路如图9所示。
（b）选择一定的偏置电压，每次在一定的偏置电压下测出光敏三极管在相对光照度为“弱光”到逐步增强的光电流IC数据，其中
（
为取样电阻）。
这里要求至少测出三个反偏电压下的光照特性曲线。
表20光敏二极管光照特性测试数据表（电压：
）
照度
UR（伏）
光电流（安培）
表21光敏二极管光照特性测试数据表（电压：
）
照度
UR（伏）
光电流（安培）
表22光敏二极管光照特性测试数据表（电压：
）
照度
UR（伏）
光电流（安培）
（c）根据实验数据画出光敏二极管的一族光照特性曲线。
【思考题】
1.光敏传感器感应光照有一个滞后时间，即光敏传感器的响应时间，如何来测试光敏传感器的响应时间？
2.光照强度与距离的关系，验证光照强度与距离的平方成反比（把实验装置近似为点光源）。
【预习要求】
1.了解光电效应，知道光电效应的分类。
2.了解四种光敏传感器的工作原理，及这四种器件伏安特性和光照特性所具有的特点。
3.了解光敏传感器光电特性实验仪的使用方法，掌握四种光敏传感器伏安特性和光照特性的测试方法。
【实验报告要求】
1.书写规范、条理清楚。
2.实验数据完整准确，图表制作规范、整洁。
3.写出实验原理，清楚写明每一步实验步骤。
【附录】
*硅光电池在零偏置时，流过PN结的电流
（反相光电流），故硅光电池在零偏置无光照时，硅光电池输出电压≠0，只有使硅光电池处于负偏时，流过PN结的电流
（反相饱和电流）=0。
才能使硅光电池输出电压为零。
FD-LS-A光敏传感器光电特性实验仪相对照度参考表
光源电压/V
距离/mm
光照度/Lux
光源电压/V
距离/mm
光照度/Lux
24.00
24.00
24.00
24.00
20.00
20.00
20.00
20.00
18.00
18.00
18.00
18.00
16.00
16.00
16.00
16.00
14.00
14.00
14.00
14.00
50
100
150
200
50
100
150
200
50
100
150
200
50
100
150
200
50
100
150
200
900
300
150
100
500
160
80
50
300
100
50
35
180
65
35
20
120
40
20
12
12.00
12.00
12.00
12.00
10.00
10.00
10.00
10.00
8.00
8.00
8.00
8.00
6.00
6.00
6.00
6.00
4.00
4.00
4.00
4.00
50
100
150
200
50
100
150
200
50
100
150
200
50
100
150
200
50
100
150
200
62
20
12
6.0
30.0
10.0
5.0
3.0
10.0
4.0
2.0
1.0
3.0
0.85
0.45
0.25
0.3
0.09
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