光敏电阻特性

光敏电阻特性

【实验目的】

1.

了解光敏电阻的基本特性。2.测量光敏电阻的伏安特性曲线和光照特性曲线。

【实验仪器】

DH-CGOP1光电传感器实验仪1套（包括灯泡盒，光敏电阻LDR ，九孔板实验箱,1K 电阻）；DH-VC3直流恒压源1台；万用表1块；导线若干

【实验原理】

光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件。它在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。

用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，然后接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子一空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电导率增加，电导率的改变量为

p n pe ne σμμ∆=∆+∆\*MERGEFORMAT (1)

式中e 为电荷电量，∆p 为空穴浓度的改变量，∆n 为电子浓度的改变量，μp 为空穴的迁移率，μn 为电子的迁移率。当光敏电阻两端加上电压U 后，光电流为

ph A I U d σ=∆\*MERGEFORMAT (2)

其中A 为与电流垂直的截面积，d 为电极间的距离。由和可知，光照一定时，光敏电阻两端所加电压与光电流为线性关系，呈电阻特性。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子一空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。

在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。

1.伏安特性

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组伏安特性曲线，它是传感器应用设计时选择参数的重要依据。某种光敏电阻的伏安特性曲线如图1所示。

从图1的伏安特性曲线可以看出，光敏电阻类似一个纯电阻，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。

图1光敏电阻的伏安特性曲线

2.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，它也是光敏传感器应用设计一时选择参数的重要依据之一。某种光敏电阻的光照特性如图2所示。

图2光敏电阻的光照特性

从上述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。

【实验内容与步骤】

实验中对应的光照强度均为相对光强，可以通过改变点光源电压或改变点光源到光敏电

阻之间的距离来调节相对光强。光源电压的调节范围在0～12V ，光源和传感器之间的距离调节有效范围为：0～200mm ，实际距离为50～250mm 。

1.光敏电阻伏安特性测试实验

按图3接好实验线路，将光源用大功率LED 光源和检测用光敏电阻置测试架中，电阻盒以及转接盒插在九孔板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供。

通过改变光源电压或调节光源到光敏电阻之间的距离以提供一定的光强，每次在一定的光照条件下，测出加在光敏电阻上电压U 为+2V 、+4V 、+6V 、+8V 、+10V 时5个光电流数据，即

1.00R U I K =Ω同时算出此时光敏电阻的阻值R U U Rp I -=以后逐步调大相对光强重复上述实验，进行5～6次不同光强实验数据测量，将所测得的结果填入表格1。

根据实验数据画出光敏电阻的一组伏安特性曲线。U

+2V —+12V 图3光敏电阻伏安特性测试电路

2.光敏电阻的光照特性测试实验

（1）按图3接好实验线路，将光源用大功率LED 光源和检测用光敏电阻置测试架中，电阻盒以及转接盒插在九孔板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供。

（2）从U=O 开始到U=12V ，每次在一定的外加电压下测出光敏电阻在相对光照强度从

“弱光”到逐步增强的光电流数据，即

1.00R U I K =Ω，同时算出此时光敏电阻的阻值，即：R U U Rp I -=。

（3）根据实验数据画出光敏电阻的一组光照特性曲线。

LDR

Rp 光敏电阻

R U R

U 1.00K

【数据处理】

1.填写光敏电阻的伏安特性测试数据

表1光敏电阻的伏安特性测试数据

光源电压10V 光照度479Lux 光源电压10V 光照度479Lux

U(V)U LDR(V)I ph(mA)U LDR(V)I ph(mA)

2

4

6

8

10

12

2.填写光敏电阻的光照特性测试数据

表2光敏电阻的光照特性测试数据

U（V）24681012光源电压(V)光照度(Lux)I ph(mA)I ph(mA)I ph(mA)I ph(mA)I ph(mA)I ph(mA) 46

520

650

7103

8188

9311

10479

10.5591

11701

11.5834

12982

3.根据数据画出光敏电阻的伏安特性曲线和光照特性曲线。

【思考题】

1.验证光照强度与距离的平方成反比(提示：实验装置近似为点光源)。

2.什么叫光敏电阻的光谱特性以及频率特性?如何研究?（当不同波长的入射光照到光敏电阻的光敏面上，光敏电阻就有不同的灵敏度。）

【知识拓展】

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。

光敏传感器的物理基础是光电效应，即光敏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。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、硅光电池等。

光敏电阻是利用物体的导电率会随着外加光照的影响而改变的性质而制作的一种特殊电阻。制造光敏电阻的材料主要有金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体材料，在可见光范围内，常用的光敏电阻是硫化镉（CdS）。光敏器件的基本特性包括：伏安特性、光照特性、光谱特性、频率特性以及温度特性等。本实验主要研究光敏电阻的伏安特性和光照特性。

光敏电阻的基本特性及其主要参数

1.暗电阻、亮电阻

光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，或暗阻。此时流过的电流称为暗电流。光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻或亮阻。此时流过的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。

显然，光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。

2.伏安特性