光敏电阻实验.docx

中国石油大学 智能仪器 实验报告 成 绩： 班级： 姓名： 同组者： 教师： 光敏电阻实验【实验目的】1、 了解光敏电阻的工作原理；2、 掌握光敏电阻的光电特性，光谱响应特性，频率特性等基本特性；3、 理解光敏电阻的一般应用。【实验原理】光敏电阻是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻，对光线十分敏感，它的电阻值能随着外界光照强弱（明暗）变化而变化它在无光照射时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小光敏电阻通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成的，如图1所示。可见光波段和大气透过的几个窗口都有适用的光敏电阻，利用光敏电阻制成的光控开关在我们日常生活中随处可见,广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的亮度自动调节,照相机的自动曝光 图1 光敏电阻结构图控制等）及各种测量仪器中。在光照作用下能使物体的电导率改变的现象称为内光电效应本实验所用的光敏电阻就是基于内光电效应的光电元件当内光电效应发生时，固体材料吸收的能量使部分价带电子迁移到导带，同时在价带中留下空穴。这样由于材料中载流子个数增加，使材料的电导率增加，电导率的改变量为 （1） 在（1）式中，e为电荷电量，为空穴浓度的改变量，为电子浓度的改变量，表示迁移率。当两端加上电压U后，光电流为： （2）式中A为与电流垂直的表面，d为电极间的间距。在一定的光照度下，为恒定的值，因而光电流和电压成线性关系。光敏电阻的伏安特性如图2所示，不同的光照度可以得到不同的伏安特性，表明电阻值随光照度发生变化。光照度不变的情况下，电压越高，光电流也越大，而且没有饱和现象。当然，与一般电阻一样光敏电阻的工作电压和电流都不能超过规定的最高额定值。 图2 光敏电阻的伏安特性曲线 图3 光敏电阻的光电特性曲线当光电器件电极上的电压一定时，光电流与入射到光电器件上的光照强度之间的关系称为光照特性。光敏电阻的光照特性则如图3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3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。光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。图4为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。 对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。 图4 光敏电阻的光谱特性 图5 光敏电阻的频率特性实验证明，光敏电阻的光电流对光照强度的变化有一定的响应时间，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。光敏电阻自光照停止到光电流下降至原值的63%时所经过的时间称为光敏电阻的时间常数。大多数的光敏电阻时间常数都较大， 这是它的缺点之一。 不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数（毫秒数量级）， 因而它们的频率特性也就各不相同。 图5为硫化镉和硫化铅两种不同材料的光敏电阻的频率特性，即相对灵敏度KI与光强变化频率f之间的关系曲线。此外，光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。总之，光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点，所以应用广泛。【实验装置】SET-GX型光电传感器特性实验箱；示波器【实验内容】一、光敏电阻的光电特性1. 将白炽灯光源的连接线接到仪器面板右下角光源输出位置。在白炽灯光源上的两个安装孔中分别插入光敏电阻和照度计探头。2. 将光敏电阻和电流表分别接入光敏电阻单元中的相应位置，接电流表时注意正负，即构成下图6所示的电路。mA+Vcc图63. 打开仪器主电源及照度计，光源开关暂时不开。记下电流表的读数（暗电流），并将数据填入表1。4. 按下光源开关，调节调光旋钮，每隔5Lx记录电流表读数，直至电流表达到满偏，并绘制相应的表格。5. 根据表格中的数据做出照度-电流曲线。二、光敏电阻的光谱响应特性1. 将白炽灯光源的连接线接到仪器面板右下角光源输出位置，在光源光谱三棱镜支架上放好三棱镜，将光敏电阻传感器插入光谱盒后面的传感器安装孔。2. 开启电源及光源开关，调节调光旋钮至最大，调整三棱镜及光谱盒位置，使光谱盒内成一条竖直的色带，如不准可适当调节透镜及狭缝位置。3. 将光敏电阻接入光敏电阻单元的相应位置，电流表不接。输出Vo接电压表。4. 转动光谱支架调整螺母，使传感器透光狭缝处于红外外测，并使输出最小，光谱指针指在红外区域。5. 记下此时电压表读数，填入表2中。6. 转动调整螺母，使透光狭缝慢慢进入有效光谱区域,从电压表数字开始变化起,参考光谱分布图每隔一定的记下一数值,直到紫外外侧.并观察光谱指示发光管的变化。7. 做出波长-电压响应曲线。8. 根据该曲线,对照光谱分布图可得出该光敏电阻光谱响应及峰值波长的大致范围。三、光敏电阻的应用研究（一）光敏电阻做光敏开关1. 将白炽灯光源的连接线接到仪器面板右下角光源输出位置，将光敏电阻传感器插入白炽灯光源上的传感器安装孔。2. 将光敏电阻接入光敏电阻单元相应位置，电流表不接。输出Vo接电压表。输出指示开关置于照度指示。3. 开启电源及光源开关，调节调光旋钮，逐渐增大光强，观察光敏电阻单元上的LED灯的变化如何。（二）光敏电阻做色度敏感开关1. 在光源光谱三棱镜支架上放好三棱镜，调整三棱镜及光谱盒位置，使光谱盒内成一条竖直的色带，如不准可适当调节透镜及狭缝位置。2. 将光敏电阻传感器放入光谱盒后面的传感器安装孔中，接线不变。光敏电阻单元上的输出指示开关置于光谱指示，调节光强至最大，观察不同波长的光照对光敏电阻的影响。3. 转动光谱支架，调整螺母使传感器透光狭缝进入光谱带红光一侧。转动调整螺母，在光谱带内移动狭缝，并注意光敏电阻单元上的LED灯的闪亮。描述该现象，并说明该现象说明了什么？【数据记录及处理】表1光照度/Lx051015202530354045电流/mA01.101.802.402.913.333.804.344.674.98由表1数据做出照度-电流曲线，如下图：在光照度较小时（小于50Lx），电流和照度很好的满足了线性关系。表2波长（um）0.78近红外0.78红0.622橙0.597黄0.577绿0.492蓝电 压（V）0.1730.5890.7590.6820.5560.163 由表2数据做出波长-电压响应曲线，如下图： 该光敏电阻峰值波长的大致在0.600um左右。 实验现象：（1） 光敏电阻做光敏开关：LED灯逐渐变亮。（2） 光敏电阻做色度敏感开关：传感器透光狭缝由光谱带红光一侧进入，旋转至光谱带蓝光一侧，光敏电阻单元上的LED灯先变亮，在橙黄区域亮度达到最大，之后变暗。该现象说明该光敏电阻对橙黄颜色的光比较敏感。【思考题】 1. 如何控制光源照射到光敏电阻上的光强的大小？通过改变加在光源两端的电压大小，改变光源的明亮程度；通过改变透光狭缝的大小，改变光源照射到光敏电阻上的光强。2. 讨论光敏电阻主要应用在什么场合。常见的光敏电阻材料，如半导体硫化镉，用在相机的测光表，路灯（达到一定的暗度，路灯会点