物理实验(下)光敏电阻的特性研究.docx

光敏电阻的特性研究摘要：本实验利用LED灯、信号发生器和示波器等设备，对光敏电阻的暗电阻特性，不同光强下的伏安特性，不同电压下的光电特性以及光敏电阻的频率特性进行研究和验证。关键词：光敏电阻，暗电阻，暗电流，光强，伏安特性，光电特性，频率特性。Abstract：This experiment is about to research and confirm some characteristics of photoresistances , including the characteristic of dark resistance, volt-ampere characteristic under 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 characteristic, frequency characteristic.引言光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化），在日常生产生活当中有广泛的应用。一、实验目的：本实验用光强计、信号发生器、示波器等设备，对光敏电阻在不同光强下的伏安特性、一定电压下的光电特性和光敏电阻的频率特性等进行测量、验证和研究。二、实验仪器：光具座及支架，小灯泡，LED灯，光敏电阻，光强计（H1006182），电压表，电阻箱（090344），直流稳压电源（QJ2002A），导线，示波器（H0906313），信号发生器（SG1010A）。三、实验原理：1、光敏电阻的工作原理光照下物体的导电率改变的现象称为内光效应。当内光效应发生时，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 在（1）式中，e为电荷电量，Dp为空穴浓度的改变量，Dn为电子浓度的改变量，m表示迁移率。当两端加上电压U后，光电流为： 式中A为与电流垂直的表面，d为电极间的间距。在一定的光照下，Ds为恒定的值，因而光电流和电压呈线性关系。光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件。它在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应。因此，光敏电阻又称光导管。在黑暗环境里，光敏电阻的电阻值很高；当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量可以跃迁至导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照越强，阻值越低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。2、光敏电阻的主要参数暗电阻：光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。亮电阻：光敏电阻在受光照时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。光电流：亮电流与暗电流之差。3、光敏电阻的基本特性(1) 伏安特性：在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端电压的关系。在光照一定时，电压增大，光电流也增大，灵敏度也随之增大，但因为光敏电阻都有最大额定功率，超过最高工作电压和最大额定电流，会导致光敏电阻电压电流曲线发生变化，也可能导致光敏电阻的永久性破坏。图一：光敏电阻的伏安特性曲线(2) 光照特性光电流随着照度的变化而改变的规律称为光照特性。不同类型的光敏电阻的光照特性不同。图二：光敏电阻的光照特性曲线(3) 频率特性当光敏电阻受到脉冲光照时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，光照突然消失时，光电流也不立刻为零。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来表示。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。大多数的光敏电阻的时间常数都较大，这是它的缺点之一。不同的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。图三为硫化镉和硫化铅两种不同材料的光敏电阻的频率特性，及相对灵敏度KI与光强变换率f之间的关系曲线。图三：光敏电阻的频率特性曲线四、实验内容：1、观测光敏电阻的暗电阻和暗电流。（要求：环境光强小于0.1lux）（1）光敏电阻在100lux光照下，观察撤除光源10s、60s后，光敏电阻阻值的变化。（2）半定量地测量光敏电阻的暗电阻和暗电流。2、测量100lux光照下，光敏电阻的亮电阻、亮电流、光电流。3、研究在不同光强下，光敏电阻的伏安特性。4、研究在一定电压下，光敏电阻的光电特性。5、研究光敏电阻的频率特性。五、实验步骤：1、光敏电阻在100lux光照下，观察撤除光源10s、60s后，光敏电阻阻值的变化。（1）连接电路：电路的连接方式如图四所示图四：测量光敏电阻暗电流的电路图（2）测量电阻：调节光敏电阻到灯泡之间的距离，直到用光强计测量其表面的光强为100lux为止，撤除光源10s、60s，测量并记录直流电压源的电压U、可变电阻的阻值R、电压表的示数U1。2、半定量地测量光敏电阻的暗电阻和暗电流。（1）连接电路：按照图四的方式连接电路，并用光强计测量，确定光敏电阻所处环境的光强小于0.1lux。（2）测量暗电阻、暗电流：改变电压U或者可变电阻R使得加在光敏电阻两端的电压改变，记录直流电压源的电压U、可变电阻的阻值R、电压表的示数U1。3、测量一定光强下，光敏电阻的伏安特性。（1）连接电路：按照图四的方式连接电路，用光强计测量光敏电阻表面的光强，并做记录。（2）测量亮电阻、亮电流和光电流：改变电压U或者R使得加在光敏电阻两端的电压改变，记录直流电压源的电压U、可变电阻的阻值R、电压表的示数U1。（3）改变光敏电阻与灯泡之间的距离，重复操作（1）和（2）。4、测量一定电压下，光敏电阻的光电特性。（1）连接电路: 按照图四的方式连接电路，用光强计测量光敏电阻表面的光强，并做记录。（2）测量该光强下不同电压对应的亮电流：控制直流电压源提供的U不变，通过调节可变电阻的阻值R使得电压表的示数分别为1V、2V、4V、6V和8V，记录下对应的R值。（3）改变光敏电阻与灯泡之间的距离，重复操作（1）和（2）。5、测量光敏电阻的频率特性。（1）连接电路：按照图五的方式连接电路。图五：测量光敏电阻频率特性的电路图（2）测量反应时间：LED灯的信号为10V的方波，改变不同的频率，从示波器的荧光屏上读出光敏电阻的时间常数。（3）测量不同光强下的频率特性：改变LED信号源的频率，从示波器的荧光屏上读出光敏电阻两端电压的变化U。（4）改变改变其受到的光强，即光敏电阻的位置，重复（3）。注意：1、在测量光敏电阻的暗电阻和暗电流时，虽然用遮光布将光敏电阻罩住，并且光强计测量到的光强小于0.1lux，但是外界的光强变化依然对光敏电阻的阻值产生影响，比如人的走动等，所以测量时应减少走动，等待电压表的数值稳定后再做记录。2、在测量一定电压下光敏电阻的光电特性的时候，由于测量光强比较麻烦费时间，所以实验当中采用，同一位置上测量不同电压下的亮电流的方法，取代固定电压后改变光强测亮电流的方法。3、由于光敏电阻的暗电流很小，所以实验当中采用了亮电流取代光电流的处理方法。六、实验数据的处理和分析：1、撤除光源10s、60s后的暗电阻实验数据：光敏电阻受到的光强为100lux，其它数据如表一所示。t/sU/VRU1/VU-U1/VIan/ARan109.13200006.752.380.00011956722.69609.13200006.732.40.0001256083.331012.08200008.663.420.00017150643.276012.08200008.73.380.00016951479.29表一、撤除光源10s、60s后的暗电阻实验现象：撤除光源后，电压表的示数U1（即光敏电阻两端的电压）迅速上升，然后趋于一个固定值，基本上保持不变。分析：当光敏电阻受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量可以跃迁至导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将逐渐复合，材料中的载流子数目逐渐减少，电导率逐渐降低，光敏电阻的阻值逐渐增大，最终趋于恢复原值。实验当中经历10s、60s后，光敏电阻的阻值已恢复暗电阻的状态，所以电阻值基本相同。2、暗电阻和暗电流实验数据：光强计显示光强为0lux，其它数据如表二所示。URU1U2IRg2.35900001.031.321.46667E-0570227.274.27900001.812.462.73333E-0566219.516.02900002.523.53.88889E-05648007.57900003.114.464.95556E-0562757.858.67900003.535.145.71111E-0561809.3410.1900004.076.030.00006760746.2710.1700004.635.477.81429E-0559250.4610.1500005.344.760.000095256092.4410.1300006.483.620.00012066753701.6610.1100008.421.680.00016850119.05表二、暗电阻和暗电流图六、暗电阻和暗电流分析：光敏电阻是一种PN结结构，PN中通过的电流为（其中，在实验时温度没有大的变化，可以认为是常数，为PN结的反向饱和电流，也为常数），所以光敏电阻的暗电阻为，暗电阻与通过的暗电流成反比，从图像当中可以看出，大致的变化趋势是正确的。3、100lux下光敏电阻的亮电阻，亮电流，光电流URU1U2I亮U1暗U2暗I暗R亮I光4.13100001.073.060.0003063.680.450.0000453496.7320.0002616.31100001.624.690.0004695.590.720.0000723454.1580.0003977.58100001.945.640.0005646.740.840.0000843439.7160.000489.62100002.457.170.0007178.511.110.0001113417.0150.00060610.44100002.657.790.0007799.191.250.0001253401.7970.00065411.68100002.968.720.00087210.261.420.0001423394.4950.0007312.34100003.129.220.00092210.81.540.0001543383.9480.00076813.77100003.4810.290.00102912.021.750.0001753381.9240.00085414.46100003.6510.810.00108112.611.850.0001853376.5030.00089615.42100003.8811.540.00115413.412.010.0002013362.2180.000953表三、100lux下光敏电阻的亮电阻，亮电流，光电流分析：可以看出，在同一光照下，电阻会随着电压变化而发生变化，电流也会相应发生变化。4、不同光强下的伏安特性光强URU1U2IR亮503.15200000.622.530.0001274901.1864.25200000.833.420.0001714853.8015.18200001.014.170.0002094844.1256.69200001.35.390.000274823.7487.85200001.526.330.0003174802.5288.52200001.656.870.0003444803.4939.29200001.87.490.0003754806.40911.15200002.1590.000454777.77812.19200002.359.840.0004924776.42314.29200002.7411.550.0005784744.5891002.66200000.432.230.0001123856.5023.52200000.572.950.0001483864.4074.79200000.774.020.0002013830.8465.56200000.894.670.0002343811.5636.212000015.210.0002613838.7727.19200001.156.040.0003023807.9478.67200001.387.290.0003653786.0089.77200001.568.210.0004113800.24411.51200001.839.680.0004843780.99213.03200002.0710.960.0005483777.3722003.18200000.352.830.0001422473.4984.25200000.473.780.0001892486.7726.18200000.695.490.0002752513.6617.19200000.86.390.000322503.9128.78200000.987.80.000392512.8219.7200001.088.620.0004312505.811.3200001.2610.040.0005022509.9612.74200001.4211.320.0005662508.83413.55200001.5112.040.0006022508.30614.51200001.6112.90.0006452496.1245003.48200000.243.240.0001621481.4814.89200000.344.550.0002281494.5056.08200000.435.650.0002831522.1247.17200000.56.670.0003341499.258.43200000.597.840.0003921505.10210.22200000.729.50.0004751515.78911.49200000.8110.680.0005341516.85412.85200000.911.950.0005981506.27613.99200000.9813.010.0006511506.53314.99200001.0513.940.0006971506.45610003.26200000.143.120.000156897.43594.94200000.224.720.000236932.20346.45200000.286.170.000309907.61757.61200000.337.280.000364906.59348.52200000.378.150.000408907.97559.31200000.418.90.000445921.348310.65200000.4710.180.000509923.379212.15200000.5311.620.000581912.220313.55200000.5912.960.000648910.493814.57200000.6413.930.000697918.880115002.461002.230.230.0023969.56524.261003.860.40.0049655.281004.780.50.0059566.091005.510.580.00589507.511006.790.720.0072943.05568.661007.830.830.0083943.373510.421009.41.020.0102921.568612.7310011.471.260.0126910.317514.2110012.811.40.01491518.3510016.61.750.0175948.571419.8910018.021.870.0187963.636420001.331001.190.140.00148503.011002.660.350.00357604.891004.330.560.0056773.21436.661005.880.780.0078753.84628.451007.441.010.0101736.633711.331009.961.370.0137727.007313.5110011.871.640.0164723.780515.7210013.821.90.019727.368418.4310016.412.020.0202812.376219.7510017.851.90.019939.473730002.341002.040.30.0036804.311003.750.560.0056669.64296.811005.910.90.009656.66679.011007.811.20.012650.833311.151009.651.50.015643.333313.1510011.381.770.0177642.937915.2510013.261.990.0199666.331717.0810014.872.210.0221672.850718.1610015.892.270.022770019.7610017.522.240.0224782.142940002.971002.480.490.0049506.12245.061004.220.840.0084502.3817.411006.161.250.0125492.88.791007.31.490.0149489.932910.051008.321.730.0173480.924911.311009.361.950.019548012.3610010.222.140.0214477.570113.4610011.142.320.0232480.172417.1210014.192.930.0293484.300318.8610015.982.880.0288554.8611表四、不同光强下的伏安特性图七、不同光强下的伏安特性（1）图八、不同光强下的伏安特性（2）分析：前一段，直线斜率大于0的原因：当光强一定，增加光敏电阻两端电压时，PN结正向偏置电压增大，内部电场强度增强，多子载流子（P区的空穴，N区的电子）的扩散运动增强，光电流增大。后一段直线发生弯曲原因：当UI乘积到达一定值之后，会开始下降，此值为额定功率。后图各曲线额定功率取平均可求得额定功率约为420mw。4、在一定电压下，光敏电阻的光电特性实验数据：电源电压U为9V，其它实验数据如表五所示。U1光强RU2I亮11093007080.000266046150240000.000333333204190000.000421053405132000.000606061615104000.000769231105171000.001126761152060000.001333333206053300.001500938305034500.002318841410034800.00229885121091297070.000539707150103000.00067961220481500.00085889640557000.0012280761545000.001555556105131100.002250804152026700.002621723206023100.003030303305019100.003664921410015250.0045901644109450150.00111086415036000.00138888920428500.00175438640519930.00250878161515720.003180662105111080.00451263515209360.0053418820608080.00618811930506730.00742942141005360.0093283586109177030.00169491515014050.00213523120411200.0026785714057860.0038167946156170.00486223710514340.00691244215203680.00815217420603170.00946372230502620.01145038241002090.014354067810943310.0023094691503470.0028818442042770.0036101084051920.0052083336151520.00657894710511070.0093457941520900.0111111112060780.012820513305064.70.015455951410051.70.01934236表五、在一定电压下，光敏电阻的光电特性图九、在一定电压下，光敏电阻的光电特性分析：，当控制电压不变时，的变化趋势与的变化趋势相同，随着光强的增大，、都增大，所以也随着光强的增大在不断增大。当光强很大时，PN结当中的载流子浓度趋于饱和，随光强的变化速率减小，的变化也就趋于水平，进入到饱和状态。对于不同的电压，越大，PN结中正向电压越大，光电流也就越大，不同曲线相互分开。5、光敏电阻的频率特性（1）时间常数实验数据：LED灯的信号源为方形波，幅度为10V，频率依次为20Hz、40Hz、100Hz，光敏电阻两端电压的变化对应于下图 图十、时间常数频率（Hz）2040100电压上升至63%所用的时间t1（ms）321.2电压下降至63%所用的时间t2（ms）1.20.80.4表六、时间常数相同频率下，载流子的产生比复合要快：对于光敏电阻来讲，当LED灯亮起，光敏电阻发生内光电效应，载流子增多，电阻减小，两端的电压下降；当LED灯熄灭，电子和空穴复合，载流子减少，电阻增大，两端电压增大。从实验数据可以看出，相同频率下，t1t2，说明载流子的产生所需的时间比较短，而复合所需的时间比较长。频率增大，t1和t2在减小：解释的方法可以用图说明图十一、频率与时间常数的关系控制方形波的幅度以及光敏电阻到LED灯的距离不变，则光敏电阻上的光强不变，反应时间常数不变。但由于信号波的频率在不断的变大，周期变小，导致光敏电阻两端的电压还没有到达最大值就开始下降，所以两端电压的变化波形被裁剪，t1和t2都变小了。（2）光敏电阻两端电压的变化幅度随频率的变化实验数据：信号方形波的幅度为10V 光强/lux频率/Hz73736317976dU/V101.941.30.90.512201.561.10.780.448501.30.90.640.3521001.040.70.50.2562