光敏传感器的光电特性实验20130619(2)

大学物理实验

图１a 光敏电阻的伏安特性曲线 图１b 光敏电阻的光照特性曲线

光敏电阻的光照特性则如图１b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１b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２a为硅光电池的伏安特性曲线。在一定光照度下，硅光电池的伏安特性呈非线性。

图２a 硅光电池的伏安特性曲线 图２b 硅光电池的光照特性曲线 *图２b中 1： 开路电压 2： 短路电流

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：

I Iph ID I

eV

Iexp ph0

nkBT

1

（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为波尔兹曼常熟，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，当光电池被短路时，结电压V为0，从而有：

ISC I

h （4） p

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，负载电阻过大，则线性会变坏。

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：

VOC

nkBT ISCln 1 qI 0

（5）

图２b为硅光电池的光照特性曲线。开路电压与光照度之间为对数关系，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。

（3）光敏二极管和光敏三极管

光敏二极管的伏安特性相当于向下平移了的普通二极管，光敏三极管的伏安特性和光敏二极管的伏安特性类似，如图３a，３b所示。但光敏三极管的光电流比同类型的光敏二极管大好几十倍，零偏压时，光敏二极管有光电流输出，而光敏三极管则无光电流输出。原因是它们都能产生光生电动势，只因光电三极管的集电结在无反向偏压时没有放大作用，所以此时没有电流输出（或仅有很小的漏电流）。

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图３a 光敏二极管的伏安特性曲线 图３b 光敏三极管的伏安特性曲线

光敏二极管的光照特性亦呈良好线性，这是由于它的电流灵敏度一般为常数。而光敏三极管在弱光时

灵敏度低些，在强光时则有饱和现象，这是由于电流放大倍数的非线性所至，对弱信号的检测不利。故一般在作线性检测元件时，可选择光敏二极管而不能用光敏三极管。

图４a 光敏二极管的光照特性曲线 图４b 光敏三极管的光照特性曲线

【实验方案】

一、组建定标电路

实验仪器所有的光敏传感器的特性测量所用光源强度均为相对光照强度，是利用硅光电池的短路电流与光照强度的线性关系来对比测量待测传感器的特性。每一个待测传感器旁都装有一个硅光电池，与待测传感器同时得到相同的照度。实验设计的光照度为参考值，由定标系统的数字电压表进行定标。

图５定标电路图

其中，R为取样电阻，由于硅光电池的内阻很大，当R取50~100欧姆时，回路电流仍可近似看成短路电流。电压表所显示的电压值就称为定标电压值。

二、搭建测量电路

在组建好定标电路之后就可以对相应的光敏传感器进行特性测量。其中不同的传感器测量电路也不尽相同。分别如下： 1、光敏电阻、光敏二极管和三极管的特性测试电路

图６

2、硅光电池的特性测试

仪器面板示意图如图所示，开关K指向“1”时，电压表测量开路电压UOC，开关指向“2”时，Rx1短路，电压表测量R1电压UR1。

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图７

【实验仪器】

FD-LS－Ａ光敏传感器光电特性实验仪，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光源、电阻箱、数字电压表等组成。 【内容及要求】

本实验共包括四种传感器，其中光敏电阻为必做，其余同学们根据自己兴趣从中选择1~2个传感器自行测量。 1、光敏电阻的伏安特性测试

（a）按实验仪面板示意图６接好实验线路，基准参考硅光电池接相对照度处的硅光电池接口，输出接定标系统的数字电压表。光源用标准钨丝灯将检测用光敏电阻 装入待测点，连结+2--+12V电源，光源电压0--24V电源（可调）。

（b）先将可调光源调至一定的光照度， 每次在一定的光照条件下，测出加在光敏电阻上电压 为+2V；+4V；+6V；+8V；+10V；+12V时电阻R1两端的电压UR，从而得到6个光电流数据

Iph

URU UR

，同时算出此时光敏电阻的阻值，即Rg cc。以后调节相对光强重复上

1.00k IPh

述实验（要求至少在三个不同照度下重复以上实验）。

（c）根据实验数据画出光敏电阻的伏安特性曲线。 2、光敏电阻的光照特性测试

（a）按实验仪面板示意图(图６)接好实验线路，基准参考硅光电池接相对照度处的硅光电池接口，输出接定标系统的数字电压表。光源用标准钨丝灯将检测用光敏电阻 装入待测点，连结+2--+12V电源，光源电压0--24V电源（可调）。

（b）从UCC=0开始到UCC=12V，每次在一定的外加电压下测出光敏电阻在相对光照度从“弱光”到逐步增强的光电流数据，即：

Iph

Ucc URUR

，同时算出此时光敏电阻的阻值，即：Rg

IPh1.00K

。这里要求至少测出15个不同照度下的光电流数据，尤其要在

弱光位置选择较多的数据点，以使所得到的数据点能够绘出完整的光照特性曲线。 （c）根据实验数据画出光敏电阻的光照特性曲线。

3、光敏二极管的伏安特性和光照特性测试

表格和要求与光敏电阻表格类似（请同学们自画表格），注意测量时用反向电源测量反向特性。 4、光敏三极管的伏安特性和光照特性测试

表格和要求与光敏电阻表格类似（请同学们自画表格） 5、硅光电池的伏安特性测试

(a) 按照图７所示连接好实验线路，其中电阻箱为外置电阻箱(从0 调至5000 ),由实验者自行连接到电路中。光源用标准钨丝灯，将待测硅光电池装入待测点，光源电压+0—24V(可调)。

(b) 先将可调光源的光强调至一定的照度，每次在一定的照度下，调节可调电阻箱的阻值，然后测出一组硅光电池的光电压U0和取样电阻R1两端的电压UR1,则光电流

Iph

UR

(50.00 为取样电阻的阻值)，这里要求至少测出15个数据点，以绘出完整的伏安特性曲线。,以后逐步

50.00

选择不同的光照度（至少２个），重复上述实验。

(c)根据实验数据画出硅光电池的一族伏安曲线。 6、硅光电池的光照度特性测试

(a) 实验线路见图７，将10k和100欧姆的电阻短接，只留R1作为取样电阻。

(b) 先将可调光源调至一定的照度下，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Isc

UR

（近似值，

50.00

50.00 为取样电阻），以后逐步改变可调光源的照度（8～10次），重复测出开路电压和短路电压。

(ｃ)根据实验数据画出硅光电池的光照特性曲线。 【注意事项】