7光电二极管和光敏电阻的特性研究

+5 R
三、实验原理(续）
Vo
1.原理与结构：
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。
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
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。
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 。
+5 R
三、实验原理(续）
Vo
1.原理与结构：
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。
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。
+5 R
三、实验原理(续）
Vo
1.原理与结构：
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
注1：光照25.00 Mv(12V)；R1=1kΩ；U光敏=U电源U1；I光敏=U1/R1
光敏电阻伏安特性
5 4
3 I光敏/mA 2
1 0
0
2
4
6
U光敏/V
注：可用计算机软件绘制
表.2光敏电阻光照特性 Tab.
光照/mV
U1/V
I光敏/mA
5.00(0.00)
0.48
0.48
10.00(3.00)
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
I（mA） V(mv)
（2）光敏电阻
I（mA） R
六.实验的结果与分析
表1.光敏电阻伏安特性测量 Tab.
U电源/V
U1/V
U光敏/V
2.0
0.84
1.16
4.0
1.68
2.32
6.0
2.57
3.43
8.0
3.42
4.58
10.0
4.30
5.70
I光敏/mA 0.84 1.68 2.57 3.42 4.30
1.05
1.05
15.00(6.00)
Байду номын сангаас
1.63
1.63
20.00(9.00)
2.15
2.15
25.00(12.00)
2.58
2.58
30.00(15.00)
2.93
2.93
35.00(18.00)
3.24
3.24
40.00(21.00)
3.49
3.49
45.00(24.00)
3.71
3.71
注2：U电源=6.0V(10V)；R1=1KΩ；I光敏 =U1/R1
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。
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。
+5 R
三、实验原理(续） Vo
1.原理与结构：
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
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。
4 3 I光敏/mA 2 1 0
0
光敏电阻光照特性
10
20
30
40
50
光照/mV
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。
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。