光敏電阻基本特性及主要參數(shù)的測試

1、 光敏電阻特性測試及分析 南京理工大學(xué)紫金學(xué)院光電綜合實驗室 光敏電阻主要參數(shù)及基本特性的測試一、工作原理光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。當(dāng)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(dǎo)帶，成為自由電子，同時產(chǎn)生空穴，電子空穴對的出現(xiàn)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(dāng)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(fù)合，電阻也逐漸恢復(fù)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(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變

2、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(guān)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(guān)系。根據(jù)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(dǎo)彈制導(dǎo)、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(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。3可見光光敏電阻器：包括硒、硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘、砷化

3、鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等。主要用于各種光電控制系統(tǒng)，如光電自動開關(guān)門戶，航標(biāo)燈、路燈和其他照明系統(tǒng)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(shù)器，煙霧報警器，光電跟蹤系統(tǒng)等方面。二、實驗?zāi)康?、學(xué)習(xí)掌握光敏電阻工作原理2、學(xué)習(xí)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(yīng)用三、實驗內(nèi)容1、光敏電阻的暗電阻、亮電阻、光電阻測試實驗（基本參數(shù)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(shù)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

4、測試）四、測試儀器的技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)原理1、 儀器的測量精度：電壓：0.01V電流：0.01mA2、 光學(xué)參數(shù)偏振片口徑：35mm3、 導(dǎo)軌長度： 980mm4、 結(jié)構(gòu)原理：結(jié)構(gòu)如圖（一）所 示，在導(dǎo)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(nèi)。打開光源，調(diào)整光源，使平行光均勻入射到偏振片上，調(diào)整接收器使它們處于同一光軸。旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)手輪改變?nèi)肷涞浇邮掌鞯墓鈴?。根?jù)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(guān)系；在一定工作電壓下，測量光敏電阻的照度與光電流的關(guān)系。 1 2 3 4 5

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(diào)整目測調(diào)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(jié)構(gòu),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(dǎo)與暗電導(dǎo)之差為光電導(dǎo)，光電導(dǎo)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

6、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(dāng)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(yīng)置電位器阻值為最大，打開電源后緩慢調(diào)小阻值，使發(fā)光管逐步發(fā)光并至最亮，

7、當(dāng)發(fā)光管達到最高亮度時不應(yīng)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(diào)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(shù)據(jù)記入下表，據(jù)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(guān)系。按照圖(

8、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(jié)果填入表格并作出V/I曲線。偏壓/光照度150300450600750900背景光3V      6V      9V12V5.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(guān)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(zhuǎn)手輪改變?nèi)肷涞浇邮掌鞯墓鈴姟８鶕?jù)光敏電阻特性：在一

9、定照度下測量光敏電阻的電壓與光電流的關(guān)系；在一定工作電壓下，測量光敏電阻的照度與光電流的關(guān)系。將所測數(shù)據(jù)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(dǎo)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(fēng)加溫，電烙鐵切不可直接接觸器件)后的伏安特性曲線?；颍褐糜诎倒鈼l件下，打開高亮度光源燈光，調(diào)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

10、變化。7. 光敏電阻的頻率特性:當(dāng)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)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(shù)光敏電阻的時延都較大，因此不能用在要求快速響應(yīng)的場合，這是光敏電阻的一個缺陷。六、光敏電阻的應(yīng)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(fù)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(fù)載電阻器又是VT2的基極限流電阻器。因此，當(dāng)VT1基極輸入微弱的電流（0.1mA），可以控制末級VT2較強

11、電流驅(qū)動電動機運轉(zhuǎn)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(dǎo)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(fù)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(chǎn)生強光照射后的疲勞現(xiàn)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

12、、發(fā)光二極管工作電流大，因此設(shè)計電路時各元件參數(shù)介于兩者之間，圖中參數(shù)供參考。在圖9繼電器電路中，F(xiàn)為銜鐵，D為常閉觸點，E為常開觸點。當(dāng)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(guān)S換成干簧管開關(guān)、雙金屬復(fù)片開關(guān)，就可以進行磁控和熱控自動控制了。繼電器觸點可以根據(jù)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(qū)動交流電用電器。（R1的阻值可選在210K之間）3光控開關(guān)和報警電路 圖（8）光控開關(guān)和報警電路及局部示意圖當(dāng)光照度增加時，光敏電阻cds阻值減小，當(dāng)光照度達到某一

13、門限值以上時，VT1發(fā)射極電位上升使VT2飽和導(dǎo)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(dāng)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(qū)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(dǎo)通從而使音樂片發(fā)出音響。若希望提高電路對光照反應(yīng)靈敏度，可加大RP1或R1的阻值。音樂集成電路KD153由產(chǎn)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，