光敏元件的光电特性研究

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1、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，测岀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，其丄作面板如图1所示。该实验仪由光嫩电阻、光嫩二极管、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。*76DU上海友旦天欣才斗教仪器有限公司图1FD-LS-A光敏传感器光电特性实验仪工作而板光敏传感器处

2、的照度通过调节可调光源的电压和光源与探测器Z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（见讲义最片）。【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。光敬传感器具有非接触、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、光电效应光敬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

3、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而的则是内光电效应。光电导效应、光生伏特效应则属于内光电效应。叩半导休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人，某些电子吸收光子的能量，从原來的束缚态变成导电的口山态，这时在外电场的作用下，流过半导体的电流会增大，叩半导休的电导会增大，这种现彖叫光电导

4、效应。它是一种内光电效应。光电导效应可分为木征型和杂质型两类。询者是指能量足够人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牛空穴，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人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木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，在能量足够人的光子作用下,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7区，空

5、穴漂移到P区。结果使"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耍是研究光敏电阻、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。光敏传感器的某木特性则包括：伏安特性、光照特性等。其屮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Z间的关系称为光照特性，冇时光敏传感器的输出电压或电流与入射光强Z间的关系也称为光照特性，它也是光敏传感

6、器应用设计时选择参数的重耍依据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)光敏电阻利川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。11前，光敏电阻应川的极为广泛,可见光波段和大气透过的几个窗口都冇适用的光敏电阻。利用光敏电阻制成的光控开关在我们口常生活中随处可见。当内光电效应发生时，光敬电阻电导率的改变最为：Act=Ap-e-+A”•£(1)在(1)式屮，e为电荷电量，切为空穴浓度的改变量，心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

7、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-•般电阻一样光敏电阻的T作电压和电流都不能超过规定的最高额定值。图2a光敏电阻的伏女特性曲线图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,1111线的形状都与图2b的结果类似。由于光散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