光敏电阻特测定实验及分析.doc

光敏电阻特性测定实验及分析何乾伟1 张钰2摘要：随着电子技术的不断发展，光敏电阻作为一种重要的电子元件，由于其具有灵敏度高、反应速度快、体积小和可靠性好等特点而不断被开发，但科学研究以及市场应用对光敏电阻的性能要求也越来越高。首先简单介绍了光敏电阻的工作原理及主要参数，然后针对光敏电阻的伏安特性和光照特性的测量需要进行了实验设计，完成了对光敏电阻暗电阻、亮电阻、灵敏度、光谱特性、响应时间和频率特性等参数的测量，并分析其中的规律。关键词：光敏电阻 特性 分析 实验 0引言光敏电阻是利用材料或器件的电导率会随外加光源的改变而变化的性质制作的一种不同于普通定值电阻的可变电阻。由于其灵敏度高、反应速度快、体积小和可靠性好等原因，被广泛运用于各种光控电路之中。作为一种重要的电子元件，光敏电阻具有许多特性参数。光敏电阻在无光照的条件下电阻一般很大，当存在光照时，其电阻便会大大下降。本文针对光敏电阻的伏安特性和光照特性的测量需要进行了实验设计，完成了对光敏电阻暗电阻、亮电阻、灵敏度、光谱特性、响应时间和频率特性等参数的测量，并分析其中的规律，为以后对光敏电阻的研究提供了资料。1光敏电阻的工作原理及主要参数1.1光敏电阻的工作原理材料或器件受到光照时电导率发生变化的现象称为内光效应。当光源存在时，发生内光效应，材料或器件吸收的能量使部分价带电子变迁到导带，与此同时，在价带中便形成了空穴，由于载流子个数的增加，材料或器件的导电率也随之增加。光源消失后，由光子激发产生的电子空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也将恢复原值。光敏电阻的制作材料为半导体，它是利用内光效应原理而制作的光电元件。在光照条件下阻值一般会减小，这种现象称之为光导效应。光敏电阻是一个可变电阻器件，没有极性，在直流电和交流电压下都可以正常工作。1.2主要参数暗电流：在一定温度下，光敏电阻不受光照时，通过的电流称为暗电流。亮电流：在一定温度下，光敏电阻受到光照时，通过的电流称为亮电流。光电流：在相同外在和内在条件下，亮电流与暗电流之差称为光电流。灵敏度：灵敏度是指光敏电阻的暗电阻和亮电阻的相对变化值。1.3光敏电阻的特性光谱特性：光敏电阻对各种波长的单色光光源具有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与单色光光源波长的关系称为光敏电阻的光谱特性。频率特性：当光敏电阻受到具有一定频率的脉冲光照射时，光电流要经过一小段时间才能稳定。光照突然消失时，光电流也要经过一小段时间才能变成零。也就是光敏电阻光电流的变化有一定的滞后，这种滞后用时间常数来表示。时间常数定义为光敏电阻从光照停止时所拥有的光电流，下降到原有电流值63%所经过的时间。2 实验内容与步骤2.1光敏电阻的光谱特性的测试实验元件主要有小灯泡、滤光片、电压表、万用表、光敏电阻、开关和电源，该实验需要在黑暗的条件下完成，以避免外界光源对实验的影响。图1为光谱特性测试实验的电路图。图1 光谱特性测试实验的电路图1，光敏电阻2，电压表 3，小灯泡 4，万用表 5，电源 6，开关7，滤光片实验步骤：（1）按图1连接电路；（2）断开开关S，在黑暗环境中用万用表测量光敏电阻的暗电阻； （3）在灯泡外围加上波长为365nm的滤光片，为光敏电阻提供波长为365nm的单色光，调节灯泡两端电压和灯泡与光敏电阻之间的距离，使光照度为10Lux，用万用表测量亮电阻，记录数据； （4）分别换用405nm、436nm、546nm、577nm的滤光片重复步骤（3）。2.2 光敏电阻的频率特性的测试实验元件主要有光敏电阻、LED灯、信号发生器、示波器、变阻箱、开关和电源，LED灯和信号发生器用于产生脉冲光，示波器用于显示光敏电阻两端电压随时间的变化。图2 为频率特性试电路图。图2 频率特性测试实验电路图1，LED灯2，示波器 3，光敏电阻 4，函数发生器 5，电源 6，开关7，变阻箱实验步骤：（1）连接电路：按图2的方式连接好电路； （2）测量反应时间：调整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的两端电压的变化U； （4）改变光敏电阻受到的光强，重复步骤（3）。3数据分析与结论3.1光谱特性数据分析电阻 波长365nm405nm436nm546nm577nm暗电阻25.7K光强10Lux亮电阻（K）0.4020.3051.7209.4401.250相对灵敏度0.01560.01190.06690.36730.0486表2 频率特性测试实验数据图3 相对灵敏度与光波长的关系图3为相对灵敏度与光波长的关系。由图3可以看出，在同一光强下，光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度；随着光敏电阻接收到的单色光的波长的增加，光敏电阻的相对灵敏度总体趋势为先增大后减小，并在波长为546nm左右的单色光照射时达到最大值。3.2频率特性数据分析（1）时间常数 LED灯的信号源为方形波，幅度为10V，频率依次为20Hz、40Hz、100Hz。（实验数据如下表）表3为时间常数记录表。频率（Hz）2040100电压上升至63%所用的时间t1（ms）321.2电压上升至63%所用的时间t1（ms）1.20.80.4表3 时间常数由表3可以看出：相同频率下，电压下降至63%所用的时间比上升至63%所用的时间短，说明载流子的产生比复合快。频率增大时，t1和t2都变小。光强不变时，反应时间常数不变。但由于信号波的频率变大，周期变小，导致光敏电阻两端的电压没有到达最大值就开始下降，所以t1和t2都变小了。（2）光敏电阻两端电压的变化幅度U随频率的变化表4 光敏电阻两端电压变化幅度U随频率的变化的实验数据图4 光敏电阻两端电压变化幅度U随频率的变化表4为光敏电阻两端电压变化幅度U随频率的变化的实验数据，图4为光敏电阻两端电压变化幅度U随频率的变化由表4和图4可以看出：同一光强下，U随频率的增大而变小；当频率f趋近于无穷大时，U趋于零。光强一定时，光敏电阻的反应时间常数是一定的，当信号源的频率变大，周期变短，光敏电阻两端的电压还没到最大值就开始下降，所以测得U变小。 不同光强的数据线不重合，但光强的影响较小。在信号源频率相同时，照射光强越强，载流子产生速度越快，光敏电阻两端的电压变化U变大。结束语光敏电阻是被广泛应用于各行各业的光电转化元件，现代电子技术的发展对光敏电阻在性能上提出了越来越高的要求，对光敏电阻基础的研究、工作原理的深入挖掘以及对光敏电阻的特性研究可以为光敏电阻今后的发展起指导性作用。参考文献1 舒泰，王瑞平，孙向红.光敏电阻特性的研究J西安科技学院学报，2000，（04）.2 张斌，李文启，易小