北航光电子实验报告光敏电阻特性及应用实验报告

光敏电阻特性及应用实验报告

2016年4月18日

实验三 光敏二极管特性实验

一．实验目的：

１．熟悉光敏二极管的结构和光电转换原理。

２．掌握光敏二极管的暗电流及光电流的测试方法。

３．了解光敏二极管的特性，当光电管得工作偏压一定时，光电管输出光电流与入射光的照 度（或通量）的关系。 二．实验原理:

光敏二极管是一种光生伏特器件，用高阻 P 型硅作为基片，然后在基片表面进行掺杂形成 PN 结，N 区扩散区很浅为 1um 左右，而空间电荷区（即耗尽层）较宽，所以保证了大部分光子入射到耗尽层内，光被吸收而激发电子——空穴对，电子——空穴对在外加反向偏压的作用下，空穴流向正极，形成了二极管的反向电流即光电流。光电流通过外加负载电阻 RL 后产生电压信号输出。光敏二极管原理如图（9）所示。

在无光照的情况下，若给 P—N 结一个适当的反向电压，则反向电压加强了内建电场，使P—N 结空间电荷区拉宽，势垒增大，流过 P—N 结的电流（称反向饱和电流或暗电流）很小，它（反向电流）是由少数载流子的漂移运到形成的。当光敏二极管被光照时，满足条件 hv≧Eg 时，则在结区产生的光生载流子将被内场拉开，光生电子被拉向 N 区，光生空穴被拉向 P 区，于是在外加电场的作用下以少数载流子漂移运动为主的光电流。显然，光电流比无光照时的反向饱和电流大得多，如果光照越强，表示在同样条件下产生的光生载流子越多，光电流就越大，反之，则光电流越小。当二极管与负载电阻 RL 串联时，则在 RL 的两端便可得到随光照度变化的电压信号，从而完成了将光信号转变成电信号的转换。

光敏二极管在无光照时，在所加反向电压作用下，仍会有反向电流流过，这种电流的数值很小，称为暗电流。暗电流值是光敏二极管传感器的重要参数之一，它影响光敏二极管的光电变换质量和工作稳定性，因此希望它数值越小越好。

在无辐射作用的情况下，PN 结硅光敏二极管的正、反向特性与普通 PN 结二极管基本一样，均为图（10）所示的伏安特性曲线，当有光照时，PN 结硅光敏二极管的反向输出特性曲线如图（11）所示。图（12）所示为典型光电二极管的短路电流—光照度特性曲线。

定义光敏二极管的光谱响应为以等功率的不同单色辐射波长的光作用于光敏二极管时，其电流灵敏度或响应程度与波长的关系为光谱响应，图（13）为光敏二极管的光谱特性曲线。

光敏二极管传感器的短路光电流也是随环境温度而有微小改变的。温度上升，短路光电流也随之均增大。 三．实验所需部件：

光敏二极管、直流稳压电源、负载电阻(实验选配单元中可变电阻)、遮光罩、光源、数 字电压／频率表(自备 4 1/2 位万用表).、微安表（或自备 4 1/2 位万用表上的 200mA 档）、 照度计（自备或另购） 四．实验步骤：

１．按图（14）接线,要注意光敏二极管是工作在反向工作电压的，由于硅光敏二极管的反向电流非常小，所以应视实验情况逐步提高工作电压，如有必要可用稳压电源上的±10V 或±12V 串接。

２．光敏二极管的暗电流测试，用遮光罩盖住光敏二极管，选择合适的电路反向工作电压,选择适当的负载电阻。打开仪器电源，调节负载电阻值，微安表显示的电流值即为暗电流，或用 4 1/2 位万用表 200mV 档测得负载电阻 R 上的压降 U 暗，则暗电流 I 暗=U 暗/R。一般锗光敏二极管的暗电流要大于硅光敏二极管暗电流数十倍，可在试件插座上更换其他光敏二极管进行测试做性能比较。

３．光敏二极管的光电流测试，缓慢揭开遮光罩，观察微安表上的电流值的变化,（也可将

照度计探头置于光敏二极管同一感光处，观察当光照强度变化时光敏二极管光电流的变化）

或是用 4 1/2 位万用表 200mv 档测得 R 上的压降 U 光,光电流 I 光=U 光/R，如光电流较大，则可减小工作电压或调节加大负载电阻。

４．光敏二极管的伏安特性测试，按图(14)连接实验线路,光源选用高亮度卤素灯,分别调节至“弱光”、“中光”和“强光”三种照度，负载电阻用万用表确定阻值1K欧姆，将可调光源调至一种照度，每次在该照度下，测出加在光敏二极管上的各反向偏压与产生的光电流的关系数据，其中光电流

（1KΩ为取样电阻），在三种光照度下重复上述实验。

光敏二极管伏安特性测试数据表（照度： 中 ）

光敏二极管伏安特性测试数据表（照度： 强 ）

根据实验数据画出光敏二极管的伏安曲线。

５．光敏二极管的光照度特性测试，按图（14）接线，光源选用高亮度卤素灯，由实验者按 照从“弱-强”仔细调节光源电位器取得多种光照度 ，每选一种照度就选择 3 种反向偏 压测试记录，测出光敏二极管在相对光照度为“弱光”到逐步增强的光电流数据，其中

（1K为取样电阻）。

６. 光敏二极管的光谱特性测试，不同的半导体材料制成的光敏二极管有着不同的光谱特性，见图（13），当不同波长的入射光照到光敏二极管的光敏面上，光敏二极管就有不同的灵敏度。照图（14）接线, 其工作电源可选用直流稳压电源的负电源，用高亮度 LED（红、黄、绿、蓝、白）作为光源，发光电源可选用直流稳压电源的正电源。发光管的接线可参照图（7）。限流电阻用选配单元上的 1K～100K 档电位器，首先应置电位器阻值为最大，开启电源后缓慢调小阻值，使发光管逐步发光并至最亮，当发光管达到最高亮度时不应再改变限流电阻阻值,依次将各发光管接入光电器件模板上的发光管插座。发光管与光敏二极管顶端可用附件中的黑色软管连接（透镜对透镜），分别测出光敏二极管在各种光源照射下的光电流，再用固体激光器作为光源，测得光电流，将测得的数据记入下表，据此作出两种光电阻大致的光谱特性曲线：

因时间原因，没有测量完整，故绘图也不完整。

７. 光敏二极管的温度特性测试，光敏二极管与其他半导体器件一样,性能受温度影响较大.随着温度的升高电阻值增大,灵敏度下降。请按图(14)测试电路，分别测出常温下和加温(可用电烙铁靠近加温或用电吹风加温，电烙铁切不可直接接触器件)后的伏安特性曲线。 五．注意事项：

１．本实验中暗电流测试最高反向工作电压受仪器电压条件限制为±12V（24V），硅光敏二极管暗电流很小，虽然提高了反向电压，但还是有可能不易测得。测试光电流时要缓慢地改变光照度，以免测试电路中的微安表指针打表，如微安表量程不够大，可选用万用表的 200mA 电流档。

实验四 红外光敏管的应用——红外检测

一．实验目的：

１．了解红外光敏管的实际应用。 二．实验原理：

本实验为一种当有光照射时切断电路，无光照射时接通电路的暗通型光电控制器电路，当光照消失（无光照）时，红外光敏管导通，处理电路中的晶体管 T 基极电压升高，T 导通,集电极负载 LED 流过的电流增大,LED 发光管发光。 三．实验所需部件：

红外光敏二极管、红外光敏三极管（红外接收管）、红外检测电路单元、红外发射管、光源、其他热源、LED 发光二极管、数字电压／频率表 四．实验步骤：

１．按照仪器面板所示，将红外光敏二极管接入红外检测电路“红外光敏”输入端口，单元电路上的“发光管”端口接“发光二极管Ⅰ”作为电路输出状况显示之用，接入时注意元件极性，输出端 Vo 接数字电压表 20V 档。

２．确认无误后，开启仪器电源，在实验室光照环境下发光管不亮。

３．然后改变光照条件，分别用白纸、带色的纸和遮光罩改变红外光敏二极管的光照，当光照变暗到一定程度时发光管变亮，这就是日常所用的暗光控制电路的原理。 ４．将红外光敏二极管换为红外光敏三极管， 重复上述实验步骤，比较结果。 五．思考题：

１．设计一个暗通型电路，当有红外光源照射红外光敏管时切断电路，当有不透明物体位于光源与光敏管之间时接通电路——发光管变亮（此即“红外防入侵系统”和“电梯门防夹人光幕”原理）。画出电路图，并利用实验仪上的器件实现它。

六.注意事项：

１．光敏管接入时极性要正确！ （1）光敏二极管的极性判断方法：

① 电阻测量法：用万用表 1k 档，测正向电阻约 10kΩ左右。在无光照情况下，反向电阻 应为∞，反向电阻不是∞，说明漏电流大；有光照时，反向电阻应随光照增强而减小，阻值小至几 kΩ或 1kΩ以下。

② 电压测量法：用万用表1V档（无1V档可用1．5V或3V档），红表笔接光敏二极管的“十”极，黑表笔接“-”极，在光照情况下，其电压应与光照度成比例，一般可达0．2

～

0．4V。

③ 短路电流测量法：用万用表 50mA 或 500mA 电流档，红表笔接光敏二极管的“十”极，黑表笔接“-”极，在白炽灯下（不能用日光灯），应随光照的增强，其电流随之增加。短路电流，可达数十 mA～数百 mA。 （2）光敏三极管的极性判断方法：

① 电阻测量法：用万用表 1k 档，黑表笔接光敏三极管（N-P-N 型）的发射极，红表笔接集电极。无光照时，指针微动并接近∞；有光照时，应随光照的增强，其电阻变小，可达 1kΩ以下。若红表笔接光敏三极管的发射极，黑表笔接集电极，无光照时，电阻为∞；有光照时，电阻为∞或指针微动。 ② 电流测量法：将电流表串在电路中，用 50mA 及 0．5mA 电流档，电路工作电压为 10V，无光照时，电流应小于 0．3mA；有光照时，应随光照的增强电流增大，在零点几 mA几 mA 间变化。满足上面的一条或一条以上则可判别出是光敏二极管还是光敏三极管。 2． 因红外发射管的发射光谱是不可见光，所以如以红外发射管作为光源照射电路不动作可能是光功率偏小，或者是红外发射与红外接收光敏管光谱特性不太一致，光敏接收管光电流小而使电路不动作。

３．设计电路选用时注意事项：光敏二极管的光电流小，输出特性线性度好，响应时间快；光敏三极管的光电流大，输出特性线性度较差，响应时间慢。一般要求灵敏度高，工作频率低的开关电路，选用光敏三极管，而要求光电流与照度成线性关系或要求在高频率下工作时，应采用光敏二极管。一般光敏三极管的负载电阻，是光敏二极管负载电阻的1／1０。无论光敏二极管或光敏三极管，它们不仅对红外线敏感，对较强的日光和灯光也有作用，当光照过强时会使放大电路输出饱和而失控，应加红色有机玻璃滤光，以减少环境光所造成的影响。