物理實驗(下)光敏電阻的特性研究

1、光敏電阻的特性研究摘要:本實驗利用LED燈、信號發(fā)生器和示波器等設備,對光敏電阻的暗電阻特性,不同光強下的伏安特性,不同電壓下的光電特性以及光敏電阻的頻率特性進行研究和驗證。關鍵詞:光敏電阻,暗電阻,暗電流,光強,伏安特性,光電特性,頻率特性。Abstract:This experiment is about to research and confirm some characteristics of photoresistances, including the characteristic of dark resistance, volt-ampere characteristic un

2、der different light intensities, photoelectric characteristic under different voltages and frequency characteristic, using LED light, signal generator and oscillograph and so on. Keywords:photoresistance, dark resistance, dark current, light intensity, volt-ampere characteristic, photoelectric chara

3、cteristic, frequency characteristic.引言光敏電阻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;入射光強,電阻減小,入射光弱,電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換(將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化,在日常生產(chǎn)生活當中有廣泛的應用。一、實驗目的:本實驗用光強計、信號發(fā)生器、示波器等設備,對光敏電阻在不同光強下的伏安特性、一定電壓下的光電特性和光敏電阻的頻率特性等進行測量、驗證和研究。二、實驗儀器:光具座及支架,小燈泡,LED燈,光敏電阻,光強計(H1006182,電壓表,電阻箱(090344,直流穩(wěn)壓電源(QJ2002A,導線,

4、示波器(H0906313,信號發(fā)生器(SG1010A。三、實驗原理:1、光敏電阻的工作原理光照下物體的導電率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光效應。當內(nèi)光效應發(fā)生時,固體材料吸收的能量使部分價帶電子遷移到導帶,同時在價帶中留下空穴。這樣由于材料中載流子個數(shù)增加,使材料的電導率增加,電導率的改變量為 在(1式中,e為電荷電量,p為空穴濃度的改變量,n為電子濃度的改變量,表示遷移率。當兩端加上電壓U后,光電流為: 式中A為與電流垂直的表面,d為電極間的間距。在一定的光照下,為恒定的值,因而光電流和電壓呈線性關系。光敏電阻是采用半導體材料制作,利用內(nèi)光電效應工作的光電元件。它在光線的作用下其阻值往往變小,這種現(xiàn)象稱

5、為光導效應。因此,光敏電阻又稱光導管。在黑暗環(huán)境里,光敏電阻的電阻值很高;當受到光照時,只要光子能量大于半導體材料的禁帶寬度,則價帶中的電子吸收一個光子的能量可以躍遷至導帶,并在價帶中產(chǎn)生一個帶正電荷的空穴,這種由光照產(chǎn)生的電子空穴對增加了半導體材料中載流子的數(shù)目,使其電阻率變小,從而造成光敏電阻阻值下降。光照越強,阻值越低。入射光消失后,由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對將逐漸復合,光敏電阻的阻值也就逐漸恢復原值。在光敏電阻兩端的金屬電極之間加上電壓,其中便有電流通過,受到適當波長的光線照射時,電流就會隨光強的增加而變大,從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒有極性,純粹是一個電阻器件,使用時既可加直流電壓,

6、也可以加交流電壓。2、光敏電阻的主要參數(shù)暗電阻:光敏電阻在不受光照射時的阻值稱為暗電阻,此時流過的電流稱為暗電流。亮電阻:光敏電阻在受光照時的電阻稱為亮電阻,此時流過的電流稱為亮電流。光電流:亮電流與暗電流之差。3、光敏電阻的基本特性(1伏安特性:在一定照度下,流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端電壓的關系。在光照一定時,電壓增大,光電流也增大,靈敏度也隨之增大,但因為光敏電阻都有最大額定功率,超過最高工作電壓和最大額定電流,會導致光敏電阻電壓電流曲線發(fā)生變化,也可能導致光敏電阻的永久性破壞。 圖一:光敏電阻的伏安特性曲線(2光照特性光電流隨著照度的變化而改變的規(guī)律稱為光照特性。不同類型的光敏電阻

7、的光照特性不同。 圖二:光敏電阻的光照特性曲線(3頻率特性當光敏電阻受到脈沖光照時,光電流要經(jīng)過一段時間才能達到穩(wěn)定值,光照突然消失時,光電流也不立刻為零。即光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的惰性,這種惰性通常用時間常數(shù)來表示。光敏電阻自光照停止到光電流下降至原值的63%時所經(jīng)過的時間稱為光敏電阻的時間常數(shù)。大多數(shù)的光敏電阻的時間常數(shù)都較大,這是它的缺點之一。不同的材料的光敏電阻具有不同的時間常數(shù)(毫秒數(shù)量級,因而它們的頻率特性也就各不相同。圖三為硫化鎘和硫化鉛兩種不同材料的光敏電阻的頻率特性,及相對靈敏度KI與光強變換率f之間的關系曲線。 圖三:光敏電阻的頻率特性曲線四、實驗內(nèi)容:1、觀測光敏電阻

8、的暗電阻和暗電流。(要求:環(huán)境光強小于0.1lux(1光敏電阻在100lux光照下,觀察撤除光源10s、60s后,光敏電阻阻值的變化。(2半定量地測量光敏電阻的暗電阻和暗電流。2、測量100lux光照下,光敏電阻的亮電阻、亮電流、光電流。3、研究在不同光強下,光敏電阻的伏安特性。4、研究在一定電壓下,光敏電阻的光電特性。5、研究光敏電阻的頻率特性。五、實驗步驟:1、光敏電阻在100lux光照下,觀察撤除光源10s、60s后,光敏電阻阻值的變化。(1連接電路:電路的連接方式如圖四所示 圖四:測量光敏電阻暗電流的電路圖(2測量電阻:調(diào)節(jié)光敏電阻到燈泡之間的距離,直到用光強計測量其表面的光強為100

9、lux為止,撤除光源10s、60s,測量并記錄直流電壓源的電壓U、可變電阻的阻值R、電壓表的示數(shù)U1。2、半定量地測量光敏電阻的暗電阻和暗電流。(1連接電路:按照圖四的方式連接電路,并用光強計測量,確定光敏電阻所處環(huán)境的光強小于0.1lux。(2測量暗電阻、暗電流:改變電壓U或者可變電阻R使得加在光敏電阻兩端的電壓改變,記錄直流電壓源的電壓U、可變電阻的阻值R、電壓表的示數(shù)U1。3、測量一定光強下,光敏電阻的伏安特性。(1連接電路:按照圖四的方式連接電路,用光強計測量光敏電阻表面的光強,并做記錄。(2測量亮電阻、亮電流和光電流:改變電壓U或者R使得加在光敏電阻兩端的電壓改變,記錄直流電壓源的電

10、壓U、可變電阻的阻值R、電壓表的示數(shù)U1。(3改變光敏電阻與燈泡之間的距離,重復操作(1和(2。4、測量一定電壓下,光敏電阻的光電特性。(1連接電路: 按照圖四的方式連接電路,用光強計測量光敏電阻表面的光強,并做記錄。(2測量該光強下不同電壓對應的亮電流:控制直流電壓源提供的U不變,通過調(diào)節(jié)可變電阻的阻值R使得電壓表的示數(shù)分別為1V、2V、4V、6V和8V,記錄下對應的R值。(3改變光敏電阻與燈泡之間的距離,重復操作(1和(2。5、測量光敏電阻的頻率特性。(1連接電路:按照圖五的方式連接電路。 圖五:測量光敏電阻頻率特性的電路圖(2測量反應時間:LED 燈的信號為10V 的方波,改變不同的頻率

11、,從示波器的熒光屏上讀出光敏電阻的時間常數(shù)。(3測量不同光強下的頻率特性:改變LED 信號源的頻率,從示波器的熒光屏上讀出光敏電阻兩端電壓的變化U 。(4改變改變其受到的光強,即光敏電阻的位置,重復(3。注意:1、在測量光敏電阻的暗電阻和暗電流時,雖然用遮光布將光敏電阻罩住,并且光強計測量到的光強小于0.1lux ,但是外界的光強變化依然對光敏電阻的阻值產(chǎn)生影響,比如人的走動等,所以測量時應減少走動,等待電壓表的數(shù)值穩(wěn)定后再做記錄。2、在測量一定電壓下光敏電阻的光電特性的時候,由于測量光強比較麻煩費時間,所以實驗當中采用,同一位置上測量不同電壓下的亮電流的方法,取代固定電壓后改變光強測亮電流的

12、方法。3、由于光敏電阻的暗電流很小,所以實驗當中采用了亮電流取代光電流的處理方法。六、實驗數(shù)據(jù)的處理和分析:1、撤除光源10s 、60s 后的暗電阻實驗數(shù)據(jù):光敏電阻受到的光強為100lux ,其它數(shù)據(jù)如表一所示。 表一、撤除光源10s 、60s 后的暗電阻實驗現(xiàn)象:撤除光源后,電壓表的示數(shù)U1(即光敏電阻兩端的電壓迅速上升,然后趨于一個固定值,基本上保持不變。分析:當光敏電阻受到光照時,只要光子能量大于半導體材料的禁帶寬度,則價帶中的電子吸收一個光子的能量可以躍遷至導帶,并在價帶中產(chǎn)生一個帶正電荷的空穴,這種由光照產(chǎn)生的電子空穴對增加了半導體材料中載流子的數(shù)目,使其電阻率變小,從而造成光敏電

13、阻阻值下降。入射光消失后,由光子激發(fā)產(chǎn)生的10 12.08 20000 8.66 3.42 0.000171 50643.27 6012.08200008.73.380.00016951479.29電子空穴對將逐漸復合,材料中的載流子數(shù)目逐漸減少,電導率逐漸降低,光敏電阻的阻值逐漸增大,最終趨于恢復原值。實驗當中經(jīng)歷10s 、60s 后,光敏電阻的阻值已恢復暗電阻的狀態(tài),所以電阻值基本相同。 2、暗電阻和暗電流實驗數(shù)據(jù):光強計顯示光強為0lux ,其它數(shù)據(jù)如表二所示。 表二、暗電阻和暗電流 圖六、暗電阻和暗電流分析:光敏電阻是一種PN 結結構,PN 中通過的電流為TV V s kT qVs k

14、T qVs eI e I e I I =-=1(其中qkT V T =,在實驗時溫度沒有大的變化,可6.02 90000 2.52 3.5 3.88889E-05 648007.57 90000 3.11 4.46 4.95556E-05 62757.858.67 90000 3.53 5.14 5.71111E-05 61809.34 10.1 90000 4.07 6.03 0.000067 60746.27 10.1 70000 4.63 5.47 7.81429E-05 59250.46 10.1 50000 5.34 4.76 0.0000952 56092.44 10.1 3000

15、0 6.48 3.62 0.000120667 53701.66 10.1100008.421.680.00016850119.05以認為T V 是常數(shù),s I 為PN 結的反向飽和電流,也為常數(shù),所以光敏電阻的暗電阻為IV VI R T g =-1(,暗電阻與通過的暗電流成反比,從圖像當中可以看出,大致的變化趨勢是正確的。3、100lux 下光敏電阻的亮電阻,亮電流,光電流 6.31 10000 1.62 4.69 0.000469 5.59 0.72 0.000072 3454.158 0.0003977.58 10000 1.94 5.64 0.000564 6.74 0.84 0.00

16、0084 3439.716 0.00048 9.62 10000 2.45 7.17 0.0007178.51 1.11 0.000111 3417.015 0.000606 10.44 10000 2.65 7.79 0.0007799.19 1.25 0.000125 3401.797 0.000654 11.68 10000 2.96 8.72 0.000872 10.26 1.42 0.000142 3394.495 0.00073 12.34 10000 3.12 9.22 0.000922 10.8 1.54 0.000154 3383.948 0.000768 13.77 100

17、00 3.48 10.29 0.001029 12.02 1.75 0.000175 3381.924 0.000854 14.46 10000 3.65 10.81 0.001081 12.61 1.85 0.000185 3376.503 0.000896 15.42100003.8811.540.00115413.412.010.0002013362.2180.000953表三、100lux 下光敏電阻的亮電阻,亮電流,光電流分析:可以看出,在同一光照下,電阻會隨著電壓變化而發(fā)生變化,電流也會相應發(fā)生變化。4、不同光強下的伏安特性光強 U R U1 U2 I R 亮 503.15 200

18、00 0.62 2.53 0.000127 4901.1864.25 20000 0.83 3.42 0.000171 4853.8015.18 20000 1.01 4.17 0.000209 4844.1256.69 20000 1.3 5.39 0.00027 4823.7487.85 20000 1.52 6.33 0.000317 4802.5288.52 20000 1.65 6.87 0.000344 4803.4939.29 20000 1.8 7.49 0.000375 4806.409 11.15 20000 2.15 9 0.00045 4777.778 12.19 20

19、000 2.35 9.84 0.000492 4776.423 14.29 20000 2.74 11.55 0.000578 4744.589 1002.66 20000 0.43 2.23 0.000112 3856.5023.52 20000 0.57 2.95 0.000148 3864.407 4.79 20000 0.77 4.02 0.000201 3830.8465.56 20000 0.89 4.67 0.000234 3811.5636.21 20000 1 5.21 0.000261 3838.7727.19 20000 1.15 6.04 0.000302 3807.9

20、478.67 20000 1.38 7.29 0.000365 3786.0089.77 20000 1.56 8.21 0.000411 3800.244 11.51 20000 1.83 9.68 0.000484 3780.992 13.03200002.0710.960.0005483777.372200 3.18 20000 0.35 2.83 0.000142 2473.4984.25 20000 0.47 3.78 0.000189 2486.7726.18 20000 0.69 5.49 0.000275 2513.6617.19 20000 0.8 6.39 0.00032

21、2503.9128.78 20000 0.98 7.8 0.00039 2512.8219.7 20000 1.08 8.62 0.000431 2505.811.3 20000 1.26 10.04 0.000502 2509.9612.74 20000 1.42 11.32 0.000566 2508.83413.55 20000 1.51 12.04 0.000602 2508.30614.51 20000 1.61 12.9 0.000645 2496.124 500 3.48 20000 0.24 3.24 0.000162 1481.4814.89 20000 0.34 4.55

22、0.000228 1494.5056.08 20000 0.43 5.65 0.000283 1522.1247.17 20000 0.5 6.67 0.000334 1499.258.43 20000 0.59 7.84 0.000392 1505.10210.22 20000 0.72 9.5 0.000475 1515.78911.49 20000 0.81 10.68 0.000534 1516.85412.85 20000 0.9 11.95 0.000598 1506.27613.99 20000 0.98 13.01 0.000651 1506.53314.99 20000 1.

23、05 13.94 0.000697 1506.456 1000 3.26 20000 0.14 3.12 0.000156 897.43594.94 20000 0.22 4.72 0.000236 932.20346.45 20000 0.28 6.17 0.000309 907.61757.61 20000 0.33 7.28 0.000364 906.59348.52 20000 0.37 8.15 0.000408 907.97559.31 20000 0.41 8.9 0.000445 921.348310.65 20000 0.47 10.18 0.000509 923.37921

24、2.15 20000 0.53 11.62 0.000581 912.220313.55 20000 0.59 12.96 0.000648 910.493814.57 20000 0.64 13.93 0.000697 918.8801 1500 2.46 100 2.23 0.23 0.0023 969.56524.26 100 3.86 0.4 0.004 9655.28 100 4.78 0.5 0.005 9566.09 100 5.51 0.58 0.0058 9507.51 100 6.79 0.72 0.0072 943.05568.66 100 7.83 0.83 0.008

25、3 943.373510.42 100 9.4 1.02 0.0102 921.568612.73 100 11.47 1.26 0.0126 910.317514.21 100 12.81 1.4 0.014 91518.35 100 16.6 1.75 0.0175 948.571419.89 100 18.02 1.87 0.0187 963.6364 2000 1.33 100 1.19 0.14 0.0014 8503.01 100 2.66 0.35 0.0035 7604.89 100 4.33 0.56 0.0056 773.2143 8.45 100 7.44 1.01 0.

26、0101 736.633711.33 100 9.96 1.37 0.0137 727.007313.51 100 11.87 1.64 0.0164 723.780515.72 100 13.82 1.9 0.019 727.368418.43 100 16.41 2.02 0.0202 812.376219.75 100 17.85 1.9 0.019 939.4737 3000 2.34 100 2.04 0.3 0.003 6804.31 100 3.75 0.56 0.0056 669.64296.81 100 5.91 0.9 0.009 656.66679.01 100 7.81

27、 1.2 0.012 650.833311.15 100 9.65 1.5 0.015 643.333313.15 100 11.38 1.77 0.0177 642.937915.25 100 13.26 1.99 0.0199 666.331717.08 100 14.87 2.21 0.0221 672.850718.16 100 15.89 2.27 0.0227 70019.76 100 17.52 2.24 0.0224 782.1429 4000 2.97 100 2.48 0.49 0.0049 506.12245.06 100 4.22 0.84 0.0084 502.381

28、7.41 100 6.16 1.25 0.0125 492.88.79 100 7.3 1.49 0.0149 489.932910.05 100 8.32 1.73 0.0173 480.924911.31 100 9.36 1.95 0.0195 48012.36 100 10.22 2.14 0.0214 477.570113.46 100 11.14 2.32 0.0232 480.1724 圖七、不同光強下的伏安特性(1 圖八、不同光強下的伏安特性(2分析:前一段,直線斜率大于0的原因:當光強一定,增加光敏電阻兩端電壓時,PN 結正向偏置電壓增大,內(nèi)部電場強度增強,多子載流子(P區(qū)的

29、空穴,N區(qū)的電子的擴散運動增強,光電流增大。后一段直線發(fā)生彎曲原因:當UI乘積到達一定值之后,會開始下降,此值為額定功率。后圖各曲線額定功率取平均可求得額定功率約為420mw。4、在一定電壓下,光敏電阻的光電特性 圖九、在一定電壓下,光敏電阻的光電特性分析:Ud A I =,當控制電壓U 不變時,I 的變化趨勢與的變化趨勢相同,n p e n e p +=,隨著光強的增大,p 、n都增大,所以I 也隨著光強的增大在不斷增大。當光強很大時,PN 結當中的載流子濃度趨于飽和,隨光強的變化速率減小,I 的變化也就趨于水平,進入到飽和狀態(tài)。對于不同的電壓,U 越大,PN 結中正向電壓越大,光電流I 也

30、就越大,不同曲線相互分開。5、光敏電阻的頻率特性 (1時間常數(shù)實驗數(shù)據(jù):LED 燈的信號源為方形波,幅度為10V ,頻率依次為20Hz 、40Hz 、100Hz ,光敏電阻兩端電壓的變化對應于下圖 圖十、時間常數(shù) 相同頻率下,載流子的產(chǎn)生比復合要快:對于光敏電阻來講,當LED燈亮起,光敏電阻發(fā)生內(nèi)光電效應,載流子增多,電阻減小,兩端的電壓下降;當LED燈熄滅,電子和空穴復合,載流子減少,電阻增大,兩端電壓增大。從實驗數(shù)據(jù)可以看出,相同頻率下,t1>t2,說明載流子的產(chǎn)生所需的時間比較短,而復合所需的時間比較長。頻率增大,t1和t2在減小:解釋的方法可以用圖說明t 圖十一、頻率與時間常數(shù)的

31、關系 控制方形波的幅度以及光敏電阻到 LED 燈的距離不變，則光敏電阻上的光 強不變，反應時間常數(shù)不變。但由于信號波的頻率在不斷的變大，周期變小，導 致光敏電阻兩端的電壓還沒有到達最大值就開始下降， 所以兩端電壓的變化波形 被裁剪，t1 和 t2 都變小了。 （2）光敏電阻兩端電壓的變化幅度 D U 隨頻率的變化 實驗數(shù)據(jù)：信號方形波的幅度為 10V 光強/lux 頻率/Hz 10 20 50 100 200 400 600 800 1000 1200 1500 1800 2000 2200 2500 3000 737 363 dU/V 1.94 1.56 1.3 1.04 0.76 0.58 0.44 0.36 0.32 0.224 0.2 0.176 0.146 0.144 0.13 0.118 1.3 1.1 0.9 0.7 0.472 0.336 0.272 0.216 0.164 0.16 0.128 0.1 0.098 0.096 0.082 0.074 0.9 0.78 0.64 0.5 0.32 0.224 0.16 0.126 0.114 0.1 0.08 0.07 0.066 0.062 0.054 0.042 0.512 0.448 0.35