光敏

设计性实验 光敏电阻和硅光电池的光电特性研究

凡是将光信号转换为电信号的传感器称为光敏传感器，也称为光电式传感器，它可用于检测直接由光照明度变化引起的非电量，如光强、光照度等；也可间接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，通常分为外光电效应和内光电效应两大类。在光辐射作用下电子逸出材料的表面，产生光电子发射现象，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。另一种现象是电子并不逸出材料表面的，则称为是内光电效应。光电导效应、光生伏特效应都属于内光电效应。好多半导体材料的很多电学特性都因受到光的照射而发生变化，因此也是属于内光电效应范畴。本实验所涉及的光敏电阻和硅光电池即是内光电效应传感器。

通过本实验可以帮助学生了解光敏电阻和硅光电池的光电特性及在某些领域中的应用。

【实验目的】

1.了解光敏电阻的基本特性，测出它的光照特性曲线；

2.了解硅光电池的基本特性，测出它的光照特性曲线。

【实验仪器】

FB815型光敏传感器光电特性设计性实验仪，其结构如图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电源、电阻箱（用户自备）、数字万用表，九孔接线板与光学暗箱所组成。具体介绍如下。

1.光学暗箱(见图2)：

光学暗箱的大小为360×280×110 mm3，中间位置是九孔实验板，学生可以在上面按自己的需要搭建实验电路，在箱子的左里边有编号L1, L2, …L8的接线孔，从里面直接连到箱子左侧的外面，实验时将外用电源，测量万用表及变阻箱通过不同的接线口接入箱里的实验电路，当箱子密封以后，里面就与外界完全隔绝，工作时照明光路是置于暗箱中进行，从而消除杂散光对实验的影响。图2是暗箱结构示意图。

2 . JK--30工作电源(见图3)：

本实验仪配有JK--30工作电源，图3为专用电源面板功能分布图。主要提供两路工作电压，一路光电源输出，供白帜灯发光，电压0～12V连续可调。另一路传感器工作电源，有±2V, ±4V, ±6V, ±8V, ±10V, ±12档可选，以保证实验的不同需要。光敏传感器的照度可以通过调节光电源的电压或改变光源与传感器之间的距离来调节。

3. 其它实验配件(见图4)：

【实验原理】

1．光电效应：

（1）光电导效应：

当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结内部有自建电场。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：

光敏传感器的基本特性则包括：伏安特性、光照特性等。

伏安特性：

光敏传感器在一定的入射光照度下，光敏元件的电流与所加电压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的重要依据。

光照特性：

光敏传感器的感光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。本实验主要是研究光敏电阻和硅光电池的基本特性。

3. 光敏传感器简介

（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，其工作过程为，当光敏电阻受到光照时，发生内光电效应，光敏电阻电导率的改变量为：

（1）

在（1）式中，e为电子电荷量，Δp为空穴浓度的改变量，Δn为电子浓度的改变量，μ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积，d为电极间的间距。在一定的光照度下，Δσ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5a所示，不同的光强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。

光敏电阻的光照特性则如图5b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5b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6a为硅光电池的伏安特性曲线,图6b为硅光电池的光照特性曲线，在一定光照度下，硅光电池的伏安特性呈非线性。

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Iph；同时由于PN结二极管的特性，存在正向二极管管电流ID，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，I0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，kB为波尔兹曼常数，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:

①当光电池被短路时，结电压V=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，见图6b，负载电阻过大，则线性会变坏。

②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I=0，由（3）（4）式可得开路电压为：

（5）

开路电压与光照度之间为对数关系，见图6a，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。

【实验内容和要求】

1．光敏电阻的光照特性测试

（1）按实验仪面板示意图7接好实验线路，光源用白帜灯。将检测用光敏电阻插入插孔，连结U电源。

（2）U电源调定一电压，在此电压下测出光敏电阻在光照度逐步“由强减弱”的各孔位强光电流数据，即： 。这里要求测出12个不同照度下(对应不同孔位)的光电流数据，以使所得到的数据点能够绘出较完整的光照特性曲线。

③　根据实验数据画出光敏电阻的一簇光照特性曲线。

图7 光敏电阻光照特性测量电路

2. 硅光电池的光照特性测试

①按实验仪面板示意图8接好实验线路，光源用白帜灯。

②在相对照度已调校好的照度下，将硅光电池插入第5孔位。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），然后逐步将硅光电池插入第6孔位、第7孔位、第8孔位等等,改变照度（孔位），重复测出开路电压和短路电流。

③ 根据实验数据画出硅光电池的光照特性曲线。

图8 硅光电池光照特性测量电路

表1 光敏电阻和硅光电池光照特性测试数据表

【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）。

3. 当光源固定时，光强与距离的关系如何？

4. 应用光敏电阻设计一个应用电路，画出电路图，阐明其工作原理。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/fc2b1255f90f76c660371aa1.html