光敏電阻基本特性及主要參數的測試.doc

光敏電阻特性測試及分析 南京理工大學紫金學院光電綜合實驗室 光敏電阻主要參數及基本特性的測試一、工作原理光敏電阻器是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；半導體的導電能力取決于半導體導帶內載流子數目的多少。當光敏電阻受到光照時，價帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導帶，成為自由電子，同時產生空穴，電子空穴對的出現使電阻率變小。光照愈強，光生電子空穴對就越多，阻值就愈低。當光敏電阻兩端加上電壓后，流過光敏電阻的電流隨光照增大而增大。入射光消失，電子-空穴對逐漸復合，電阻也逐漸恢復原值，電流也逐漸減小。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉換（將光的變化轉換為電的變化）光敏電阻的主要參量有暗電阻，亮電阻、光譜范圍、峰值波長和時間常量等?；咎匦杂蟹蔡匦?、光照特性、光譜特性等。伏安特性是指在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓和光電流之間的關系。光照特性是指在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流與光通亮的關系。根據光敏電阻的光譜特性，可分為三種光敏電阻器：1紫外光敏電阻器：對紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等，用于探測紫外線。2紅外光敏電阻器：主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛。銻化銦等光敏電阻器，廣泛用于導彈制導、天文探測、非接觸測量、人體病變探測、紅外光譜，紅外通信等國防、科學研究和工農業(yè)生產中。3可見光光敏電阻器：包括硒、硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等。主要用于各種光電控制系統，如光電自動開關門戶，航標燈、路燈和其他照明系統的自動亮滅，自動給水和自動停水裝置，機械上的自動保護裝置和“位置檢測器”，極薄零件的厚度檢測器，照相機自動曝光裝置，光電計數器，煙霧報警器，光電跟蹤系統等方面。二、實驗目的1、學習掌握光敏電阻工作原理2、學習掌握光敏電阻的基本特性3、掌握光敏電阻特性測試的方法4、了解光敏電阻的基本應用三、實驗內容1、光敏電阻的暗電阻、亮電阻、光電阻測試實驗（基本參數測試）2、光敏電阻的暗電流、亮電流、光電流測試實驗（基本參數測試）3、光敏電阻的光譜特性測試實驗（特性測試）4、光敏電阻的伏安特性測試實驗（特性測試）四、測試儀器的技術參數及結構原理1、 儀器的測量精度：電壓：0.01V電流：0.01mA2、 光學參數偏振片口徑：35mm3、 導軌長度： 980mm4、 結構原理：結構如圖（一）所 示，在導軌上安置四個磁力滑座，分別將光源、起偏器、 減偏器、接收器插入滑座內。打開光源，調整光源，使平行光均勻入射到偏振片上，調整接收器使它們處于同一光軸。旋轉偏振器的手輪刻度為零時通過的光能最強、刻度為90時通過的光能最弱。通過旋轉手輪改變入射到接收器的光強。根據光敏電阻特性：在一定照度下測量光敏電阻的電壓與光電流的關系；在一定工作電壓下，測量光敏電阻的照度與光電流的關系。 1 2 3 4 5 1光源 2起偏器 3減偏器 4線性穩(wěn)壓電源 5接收器 （ 圖一）5、儀器接線表6、儀器的調整目測調節(jié)光源、各偏振片、接收器、的中心軸大致等高，并處于同一軸線上，使出射光能均勻照射到光敏電阻并使光電流輸出最大。五、實驗步驟1、測試光敏電阻的暗電阻、亮電阻、光電阻觀察光敏電阻的結構,用遮光罩將光敏電阻完全掩蓋,用萬用表測得的電阻值為暗電阻R暗,移開遮光罩，在環(huán)境光照下測得的光敏電阻的阻值為亮電阻，亮電導與暗電導之差為光電導，光電導越大，則靈敏度越高。在光電器件模板的試件插座上接入另一光敏電阻，試作性能比較分析。2、光敏電阻的暗電流、亮電流、光電流按照圖(3)接線，電源可從+2+8V間選用，分別在暗光和正常環(huán)境光照下測出暗電流Id和亮電流IL,則光電流Ip=IL-Id，光電流越大則靈敏度越高。分別測出兩種光敏電阻的亮電流，并和暗電做性能比較。3光敏電阻的光譜特性：用不同的材料制成的光敏電阻有著不同的光譜特性，見圖（2）光敏電阻的光譜特性曲線。 圖（2）幾種光敏電阻的光譜特性當不同波長的入射光照到光敏電阻的光敏面上，光敏電阻就有不同的靈敏度。更改發(fā)光光源，用高亮度LED（紅、黃、綠、藍、白）作為光源，其工作電源可選用直流穩(wěn)壓電源的正電源。所選限流電阻用1K100K的可變電位器，首先應置電位器阻值為最大，打開電源后緩慢調小阻值，使發(fā)光管逐步發(fā)光并至最亮，當發(fā)光管達到最高亮度時不應再減小限流電阻阻值,確定限流電阻阻值后不再改變。依次將各發(fā)光管接入光電器件模板上的發(fā)光管插座，（各種光源的發(fā)光亮度可用照度計測得并可調節(jié)發(fā)光管電路使之光照度一致）。發(fā)光管與光敏電阻頂端可用一個黑色軟管連接。分別測出光敏電阻在各種光源照射下的光電流，再用固體激光器作為光源，測得光電流，將測得的數據記入下表，據此作出兩種光電阻大致的光譜特性曲線：光源/光電流激光紅黃綠藍白光敏電阻I光敏電阻4.光敏電阻的伏安特性:在一定光照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關系。按照圖(3)分別測得偏壓為3V、6V、9V、12V時的光電流，并嘗試高照射光源的光強，測得給定偏壓時光強度的提高與光電流增大的情況。圖（3）光敏電阻的測量電路將所測得的結果填入表格并作出V/I曲線。偏壓/光照度150300450600750900背景光3V6V9V12V5.光敏電阻的光電特性：在一定的電壓作用下，光敏電阻的光電流與照射光通量的關系為光電特性。見圖（4）所示。 圖（4）光敏電阻的光電特性 通過旋轉手輪改變入射到接收器的光強。根據光敏電阻特性：在一定照度下測量光敏電阻的電壓與光電流的關系；在一定工作電壓下，測量光敏電阻的照度與光電流的關系。將所測數據記入下表：光通量/光電流光通量1光通量2光通量3光通量4光通量。12V偏壓（修改？）6.光敏電阻的溫度特性:光敏電阻與其他半導體器件一樣,性能受溫度影響較大.隨著溫度的升高電阻值增大,靈敏度下降。請按圖(3)測試電路，分別測出常溫下和加溫(可用電烙鐵靠近加溫或用電吹風加溫，電烙鐵切不可直接接觸器件)后的伏安特性曲線。或：置于暗光條件下，打開高亮度光源燈光，調節(jié)光源與光敏電阻的距離和照射角度，改變光敏電阻上入射光的光通量，觀察光電流的變化。7.光敏電阻的頻率特性:當光敏電阻受到脈沖光照時，光電流要經過一段時間才能達到穩(wěn)態(tài)值，光照突然消失時，光電流也不立刻為零。這說明光敏電阻有時延特性。由于不同材料的光敏電阻時延特性不同，所以它們的頻率特性也不相同。但多數光敏電阻的時延都較大，因此不能用在要求快速響應的場合，這是光敏電阻的一個缺陷。六、光敏電阻的應用實例實驗：1，光電自動控制電路圖（6）光電自動控制電路見圖（6）。VT1和VT2接成類似復合管電路形式，VT1的發(fā)射極電流也是VT2的基極電流，R2既是VT1的負載電阻器又是VT2的基極限流電阻器。因此，當VT1基極輸入微弱的電流（0.1mA），可以控制末級VT2較強電流驅動電動機運轉電流（500mA）的變化。VT1選用小功率NPN型硅管9013，hfe200。同前計算方法，維持兩管同時飽和導通時VT1基極偏置電阻器R1約為3.3k，減去光敏電阻器RG亮阻2k，限流電阻器R1實取1k。光敏傳感器也可以采用光敏二極管，使用時要注意極性，光敏二極管的負極接供電電源正極。光敏二極管對控制光線有方向性選擇，且靈敏度較高，也不會產生強光照射后的疲勞現象。2繼電器光控電路圖（7）繼電器光控電路圖（7）為繼電器光控電路, 繼電器K選用JRC21F等超小型弱功率電磁繼電器，線圈電壓選6V，消耗功率0.36W。由于繼電器線圈工作電流60mA，比玩具電動機工作電流小，比蜂鳴器、發(fā)光二極管工作電流大，因此設計電路時各元件參數介于兩者之間，圖中參數供參考。在圖9繼電器電路中，F為銜鐵，D為常閉觸點，E為常開觸點。當有光照射光敏電阻時，繼電器吸合，常開觸點FE接通，發(fā)光二極管VD1點亮，R2為限流電阻器。圖9控制開關S換成干簧管開關、雙金屬復片開關，就可以進行磁控和熱控自動控制了。繼電器觸點可以根據需要選用常開或常閉觸點。由于繼電器觸點與傳感控制電路隔離，選用JRX型繼電器，其觸點可以接220V交流電，直接驅動交流電用電器。（R1的阻值可選在210K之間）3光控開關和報警電路 圖（8）光控開關和報警電路及局部示意圖當光照度增加時，光敏電阻cds阻值減小，當光照度達到某一門限值以上時，VT1發(fā)射極電位上升使VT2飽和導通，VT2集電極電位接近于0，使音樂集成電路得到足夠大的工作電流，喇叭發(fā)出音樂報警聲。當光照度降到門限值以下時，VT2截止，VT2集電極電位接近于電源電壓，音樂集成電路無電流，不工作。也可采用一級共發(fā)射極放大電路直接驅動音樂集成電路，但光照靈敏度會降低。在正常室光下，即使去掉RP1以增大基極電流，VT1也不會飽和，只有強光才能使VT1飽和導通從而使音樂片發(fā)出音響。若希望提高電路對光照反應靈敏度，可加大RP1或R1的阻值。音樂集成電路KD153由產生樂曲的芯片和一只NPN型三極管組成，三極管的作用是放大聲音信號。音樂集成電路的電路連接圖中懸空端為觸發(fā)極M，該端輸入一個正脈沖時，觸發(fā)芯片工作，發(fā)出一