光电二极管特性参数的测量及原理应用

如图，光 ， ： 功率为 P 的光照射到光敏电 阻上，假设光全部被吸收
则光敏层单位时间所吸收 的光量子数密度 N 应为
N
=
P hνbdl
（1）
光敏层每秒产生的电子数密度 Ge 为：Ge = ηN
（2）
η为有效量子效率，表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为：
单位时间内光电转换产生的有效电子空穴对数
P
（14）
可以看出，弱光照下的半导体材料的电导与光功率 P 成线性关系。光照度越大，电导越大， 电阻的阻值越小。
将式（14）两边微分得：
dg
=
ηqτµ dP hνl2
（15）
由此可得半导体材料在弱光照射下的光电导灵敏度： Sg
dg = dP
ηqτµλ = hcl2
（16）
可见，在弱光照射下的半导体材料的光电导灵敏度与光电导材料两电极间的长度 l 的平方 成反比，为与材料性质有关的常数。电导随光照量变化越大的光敏电阻就越灵敏。
二. 实验原理 某些物质吸收了光子的能量产生本征吸收或杂质吸收，从而改变了物质电导率的现象称为
物质的光电导效应。光电导效应只发生在某些半导体材料中，金属没有光电导效应。光敏电阻 是基于光电导效应工作的元件。光敏电阻具有体积小，坚固耐用，价格低廉，光谱响应范围宽 等优点。广泛应用于微弱辐射信号的探测领域。由于光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件， 只要把它当作电阻值随光照度而变化的可变电阻器对待即可，使用时既可加直流电压，也可以 加交流电压。因此光敏电阻在电子电路、仪器仪表、光电控制、计量分析以及光电制导、激光 外差探测等领域中获得了十分广泛的应用。
在一定外加电压下，光敏电阻的光电流与光通量之间的关系称为光照特性。光敏电阻阻值 随光照的增加而减小。当照度很低时，光敏电阻的光照特性近似为线性关系，斜率大致相同。 随光照度的增高，光照特性从线性渐变到非线性。当照度变得很高时，曲线近似为抛物线性。
图 2 光敏电阻的光照特性曲线
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第 4页
②在强光照射下
+ pi ) = ηN
− K f(∆n∆p
+ ∆pni
+ ∆npi ) （8）
下面分为弱光与强光照射两种情况讨论式（8）：
①在弱光照射下
光生载流子浓度Δn 远小于热激发电子浓度 ni，光生空穴浓度Δp 远小于热激发空穴的浓 度 pi，并考虑到本征吸收的特点，Δn=Δp，式（8）可简化为
d∆n dt
= ηN
实验内容 测量三种内光电效应器件（光敏电阻、光电池、光电二极管）的特性参数。
注意事项 a) 做实验请关灯，以达到良好的测量效果。 b) 拆卸数据线时不要用力硬拽，拆不下来请转个角度拆。 c) 请在自己的实验桌上做实验，不要到别的实验桌旁干扰同事做实验，更不要动他人的 仪器。 d) 请勿触摸光学镜片的表面。 e) 测量时不要碰导线，否则数据不稳定。更不能用力拉扯导线，导致接头脱落。 f) 实验完毕关闭所有电源开关。
注意：由于经常旋转偏振器的转盘，螺丝可能脱扣。即使两只转盘上的 0°刻度线与标线对齐，
并不代表真实情况是这样。可以转动其中一只偏振器的刻度盘，当光电流最大时，视作两偏振
片的光轴夹角为 0°，然后再依次转 15°。
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第 6页
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第 7页
五. 数据记录与绘图
表 1 不同光照下加在光敏电阻两端的电压与流过它的电流的关系
（2）光路同轴等高调节：将所有的器件调到同一高度，光束穿过各器件的中心。
（3）在光敏电阻前立一张硬纸片。一边滑动透镜 L2，一边观察纸上的光斑，使光斑聚成尽可 能小的光点。如果聚光效果仍不够好，可以在滑动透镜 L2 的同时，稍微滑动透镜 L1，以达到 良好的聚光效果。
（4）撤掉硬纸片，将光敏电阻的黑色扇形挡板转开，露出光敏电阻黄色转盘上的小孔，观察
工作总结实验报告
光电池/光敏电阻/光电二极管特性参数的测量
指 导 人：朱小姐 实验类型：工作检验及年终总结 实验地点：搏盛科技光电子半导体实验室 实验目的：销售技能的考察，产品及相关知识的了解情况，年终总结 实验日期：2011 年 12 月 26 日 姓 名：陈帅 职位：销售工程师 手机号：15926350413 Email: chenshuaisz1688@163.com
I = I0 cos2 α
（22）
I0 为当两偏振片平行时的出射光强。当两偏振片之间有夹角α时，光强就按式（22）减小， 也就是起到减光效果。I 为通过偏振片后的光强。
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第 5页
实验所用光敏电阻为最常见的 CdS（硫化镉）光敏电阻。它的光谱响应特性最接近人眼 光谱光视效率，峰值响应波长为 0.52μm，在可见光波段范围内的灵敏度最高，因此，被广泛 地应用于灯光的自动控制，照相机中电子快门的自动测光等。
（11）
光激发载流子引起半导体电导率的变化为： ∆σ = ∆n0qµ = ητqµN
（12）
式中，μ为电子迁移率μn 与空穴迁移率μp 之和。
光敏电阻受光照后阻值会变小也可以这么定性理解：当内光电效应发生时，固体材料吸收
的能量使部分价带电子迁移到导带，同时在价带中留下空穴。这样材料中的载流子数目增加，
光敏电阻在不同光照度下的电阻值，将计算出的电阻值也填入表 2 中。1KΩ=1×103Ω
表 2 光敏电阻阻值与光照度的关系
α
cos2α
I (μA)
U=0V U =2V U=4V
U =6V
U=8V
U=10V
90°
0Baidu Nhomakorabea
75°
0.07
60°
0.25
45°
0.5
30°
0.75
15°
0.93
0°
1
根据表 1 中的数据，使用 Excel 或绘图软件 Origin 绘制出如图 1 所示的光敏电阻伏安特性
曲线。1μA=1×10-6A
对表 1 中的数据进行线性拟合，电脑算出直线的斜率，将斜率填入表 2 中。斜率的倒数即
实验报告 报告开头请填入姓名、职位、手机号、实验日期。 实验完成后，请将报告打印出来，在有实验数据、图表的页脚签名，然后交到朱 小姐办公 桌上。 Word 文件请以“实验报告+姓名”命名，发到朱小姐邮箱。 请在元旦节前完成。
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第 1页
光敏电阻的特性曲线测量 一. 目的要求
测量 CdS（硫化镉）光敏电阻的伏安特性和光照特性。实验要求达到： 1、使用 Excel 或绘图软件 Origin 绘制出伏安特性特性曲线 2、绘制出光照特性曲线 3、理解光敏电阻的光电特性
Δn>>ni，Δp>>pi，式（8）可以简化为：
d∆n dt
= ηN e,λ
− K f ∆n 2
（17）
1
利用初始条件 t = 0 时，Δn = 0，解微分方程得： ∆n
=
⎛ ⎜⎜ ⎝
ηN K
e,λ f
⎞ ⎟⎟ ⎠
2 tanh t τ
白色LED光源
准直透镜
式中τ =
起偏器1P1
起偏器P2
聚焦透镜 光敏元件转盘
射光照度变化的。可以测出在不同光照下加在光敏电阻两端的电压与流过它的电流的关系曲
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第 3页
线，即光敏电阻的伏安特性曲线，伏安特性曲线过零点，其斜率为某光照度下的电阻值。
图 1 不同光照下光敏电阻的伏安特性曲线
弱光照射下半导体材料的光电导 g 为： g
bd = ∆σ l
=
ητqµbd l
N
=
ητqµ hνl 2
上面板上的光电阻开关拨到“开”的位置。
（5）打开“LM07 光电池光敏电阻综合实验仪”的电源开关。面板右上角的“电压调节”旋
钮可调节“供给电压”（对光敏电阻施加的外部电压）。
（6）将两只偏振片 P1、P2 转盘上的 0°刻度线与标线对齐。打开“MT 数字检流计”的电源 开关。面板上显示的是光电流数值。如果光电流显示为 1，表示数值溢出了，请将增益旋钮逆
价带中的空穴的总复合率 R 应为： R = K f(∆n + ni )(∆p + pi )
（5）
式中，Kf 为载流子的复合几率，Δn 为导带中的光生电子浓度，Δp 为导带中的光生空穴 浓度，ni 与 pi 分别为热激发电子与空穴的浓度。
同样，热电子复合率与导带内热电子浓度 ni 及价带内空穴浓度 pi 的乘积成正比。即
概述 光电效应是指入射光子与探测器材料中的束缚电子发生相互作用，使束缚电子变成为自由
电子的效应。光电效应分为内光电效应与外光电效应两类。入射光子引起探测器材料表面发射 电子的效应称为外光电效应。入射光子激发的载流子（电子或空穴）仍保留在材料内部的效应 称为内光电效应。
内光电效应器件有光电导探测器（例如光敏电阻）、光生伏特器件（光电池、光电二极管、 光电三极管）。
四. 实验步骤、测量内容
三种光敏电阻的光谱响应特性
（1）将发光二极管的底座锁定螺丝顺时针拧紧，固定在滑轨上。打开发光二极管的电源盒背
面的开关，将电源盒面板上的旋钮顺时针旋到底（即光照度开到最大）。将透镜 L1 滑动到距离 发光二极管 9 厘米处（L1 透镜的焦距），将底座的锁定螺丝顺时针拧紧在滑轨上。
η=
单位时间内入射光量子数
（3）
理想情况下，入射一个光量子产生一对电子空穴，η=1。实际上，η <1。
光敏层内电子总产生率应为热电子产生率 Gt 与光电子产生率 Ge 之和：
Ge + Gt = ηN + rt
（4）
在热平衡状态下，半导体的热电子产生率 Gt 与热电子复合率 rt 相平衡。导带中的电子与
片。
光源为发光二极管，它具有效率高、体积小、耗电少、寿命长等优点，且改变电源电压可
以改变 LED 灯亮度。为了充分利用光源，在光源后放置了透镜 L1，这样点光源经透镜 L1 为出 射平行光，再经棱镜 L2 聚焦到光敏电阻上。为了减少环境光的影响，将光敏电阻置于遮光筒
内，遮光筒开有一小孔，供发光二极管的光照入。 光照度的变化通过转动偏振片 P1 和 P2 的夹角达到减光效果，由马吕斯定律：
材料的电导率也就增加。
当光敏电阻两端加上电压 U 后，光电流为：
A I ph = d ∆σU
（13）
A 为与电流垂直的截面积，d 为电极间的距离。
由式（12）与式（13）可知：在一定照度下，光敏电阻两端所加电压与光电流为线性关系，
伏安特性曲线符合欧姆定律。光敏电阻具有与普通电阻相似的伏安特性，但它的电阻值是随入
光是否照进小孔。将导线的一端插入转盘上“光敏电阻”背面的插口。背面有三个插口，要插
入到“光敏电阻”正背后的那个插口。插入即可，不必旋转。导线另一端连接到“LM07 光电
池光敏电阻综合实验仪”电控箱面板上的“光电阻”接口，将“MT 数字检流计”电控箱背面
的导线接到“LM07 光电池光敏电阻综合实验仪”电控箱面板上的“光电流”接口，将电控箱
为强光照作用下载流子的平均寿命。
ηK f N e,λ
（18）
在强光照情况下，半导体材料的光电导与光功率为抛物线关系：
数字检流计 1
g
=
qµ
⎛ ⎜⎜ ⎝
ηbd hνK fl
3
⎞ ⎟⎟
2
P
⎠
1 2
（19）
1
LM07电器箱
两边微分得：
dg
=
1 2
qµ
⎛ ⎜⎜
⎝
ηbd hνK fl3
⎞2 ⎟⎟ ⎠
P
−
1
2dP
− K f ∆n(ni
+ pi )
（9）
利用初始条件 t = 0 时，Δn = 0，解微分方程得： ∆n = ητN(1 − e −tτ )
（10）
式中τ=1/Kf(ni+pi)，称为载流子的平均寿命。 由式（10）可见，光激发载流子浓度随时间按指数规律上升，当 t >>τ时，载流子浓度Δ
n 达到稳态值Δn0，即达到动态平衡状态： ∆n0 = ητN
（20）
1
半导体材料在强光照射下的光电导灵敏： Sg
=
dg dP
=
1 2
qµ⎜⎜⎝⎛
ηbd hνK fl3
⎞2 ⎟⎟ ⎠
P
−
1 2
（21）
在强光照射下半导体材料的光电导灵敏度不仅与材料的性质有关而且与光照度有关，是非
线性的。从图 2 可以看出，光照度越高，光电导灵敏度越低。
三. 实验装置 仪器设备主要有：导轨、光具座、LED 光源、CdS 光敏电阻、电源箱、数字检流计、硬纸
时针旋到最小。将“供给电压”从 10V→8V→6V→4V→2V→0V 依次递减，把相应的光电流
数值填入表 1 中。
（7）旋转两偏振片中的一只，每次转 15°，直到两偏振片的光轴夹角为 90°。每次转角度后，
将“供给电压”从 10V→8V→6V→4V→2V→0V 依次递减，把相应的光电流数值填入表 1 中。
签名:
第 2页
rt = K f ni pi
（6）
在热平衡状态载流子的产生率应与复合率相等。即
ηN + K f ni pi = K f(∆n + ni )(∆p + pi )
（7）
在非平衡状态下，载流子的时间变化率应等于载流子的总产生率与总复合率的差：
d∆n dt
= ηN
+ K f ni pi
− K f(∆n + ni )(∆p