光敏传感器的光电特性研究

(FB815型光敏传感器光电特性实验仪)

凡是将光信号转换为电信号的传感器称为光敏传感器，也称为光电式传感器，它可用于检测直接由光照明度变化引起的非电量，如光强、光照度等；也可间接用来检测能转换成光量变化的其它非电量，如零件直径、表面粗糙度、位移、速度、加速度及物体形状、工作状态识别等。光敏传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因而在工业自动控制及智能机器人中得到广泛应用。

光敏传感器的物理基础是光电效应，通常分为外光电效应和内光电效应两大类，在光辐射作用下电子逸出材料的表面，产生光电子发射现象，则称为外光电效应或光电子发射效应。基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。另一种现象是电子并不逸出材料表面的，则称为是内光电效应。光电导效应、光生伏特效应都是属于内光电效应。好多半导体材料的很多电学特性都因受到光的照射而发生变化。因此也是属于内光电效应范畴，本实验所涉及的光敏电阻、光敏二极管等均是内光电效应传感器。

通过本设计性实验可以帮助学生了解光敏电阻、光敏二极管的光电传感特性及在某些领域中的应用。

【实验原理】 1．光电效应：

（1）光电导效应：

当光照射到某些半导体材料上时，透过到材料内部的光子能量足够大，某些电子吸收光子的能量，从原来的束缚态变成导电的自由态，这时在外电场的作用下，流过半导体的电流会增大，即半导体的电导会增大，这种现象叫光电导效应。它是一种内光电效应。

光电导效应可分为本征型和杂质型两类。前者是指能量足够大的光子使电子离开价带跃入导带，价带中由于电子离开而产生空穴，在外电场作用下，电子和空穴参与电导，使电导增加。杂质型光电导效应则是能量足够大的光子使施主能级中的电子或受主能级中的空穴跃迁到导带或价带，从而使电导增加。杂质型光电导的长波限比本征型光电导的要长的多。

（2）光生伏特效应：

在无光照时，半导体Pn结内部有自建电场。当光照射在Pn结及其附近时，在能量足够大的光子作用下，在结区及其附近就产生少数载流子（电子、空穴对）。载流子在结区外时，靠扩散进入结区；在结区中时，则因电场E的作用，电子漂移到n区，空穴漂移到P区。结果使n区带负电荷，P区带正电荷，产生附加电动势，此电动势称为光生电动势，此现象称为光生伏特效应。

2．光敏传感器的基本特性：

光敏传感器的基本特性则包括：伏安特性、光照特性等。

伏安特性：光敏传感器在一定的入射光照度下，光敏元件的电流I与所加电压U之间的关系称为光敏器件的伏安特性。改变照度则可以得到一族伏安特性曲线。它是传感器应用设计时的重要依据。

掌握光敏传感器基本特性的测量方法，为合理应用光敏传感器打好基础。本实验主要是研究光敏电阻、光敏二极管的基本特性。 （1）光敏电阻：

利用具有光电导效应的半导体材料制成的光敏传感器称为光敏电阻。目前光敏电阻应用的极为广泛，其工作过程为，当光敏电阻受到光照时，发生内光电效应，光敏电阻电导率的改变量为：

????p?e??p??n?e??n （1）

在（1）式中，e为电子电荷量，?p为空穴浓度的改变量，?n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：

Iph?A????U （2） d式中A为与电流垂直的表面积，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5a所示，不同的光强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。

(2）光敏二极管：

光敏二极管的伏安特性相当于向下平移了的普通二

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极管，如图7a所示。零偏压时，光敏二极管有光电流输出。光敏二极管的光照特性亦呈良好线性，如图7c。光敏二极管的的电流灵敏度一般为常数。一般在作线性检测元件时，选择光敏二极管。

实验（一）光敏电阻的伏安特性测试

【实验目的】

１．了解内光效应。

２．通过实验掌握光敏电阻工作原理。

３．了解光敏电阻的基本特性，测出它的伏安特性曲线曲线。

【实验仪器】

FB815型光敏传感器光电特性设计性实验仪，万用电表一只，导线若干。

【实验步骤】

1、按实验仪面板示意图8接好实验线路，光源用标准钨丝灯。将检测用光敏电阻 装入待测点，连结?2V~?12V电源，光源电压0~12V电源（可调）。

2、 先将可调光源调至一定的光照度， 每次

在一定的光照条件下，测出电源电压为：

?2V, ?4V, ?6V, ?8V, ?10V, ?12V时电阻R1两端的电压UR，从而得到6个光电流数据

Iph?UR，同时算出此

1.00kΩ时光敏电阻的阻值，即Rg?Ucc?UR。以后调节相对光强重复上述实验（要求至少在

IPh三个不同照度下重复以上实验）。

2

3、根据实验数据画出光敏电阻的一族伏安特性曲线。

表1 光敏电阻伏安特性测试数据表（照度：173Lux） 电源电压（V） R1电压UR1（V） 光电流Iph(A) 光敏电压U0（V） 光敏电阻Rg(?) 2 4 6 8 10 12 表2 光敏电阻伏安特性测试数据表（照度：861Lux） 电源电压（V） R1电压UR1（V） 光电流Iph(A) 光敏电压U0（V） 光敏电阻Rg(?) 2 4 6 8 10 12 表3 光敏电阻伏安特性测试数据表（照度：2350Lux） 电源电压（V） R1电压UR1（V） 光电流Iph(A) 光敏电压U0（V） 光敏电阻Rg(?)

2 4 6 8 10 12 实验（二）光敏二极管的光照度特性测试

【实验目的】

１．了解光敏二极管的工作原理。

２．了解硅光敏二极管的基本特性，并测出它的光照特性曲线。

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【实验仪器】

FB815型光敏传感器光电特性设计性实验仪，万用电表一只，导线若干。

【实验步骤】

1、按实验仪面板示意图１０接好实验线路。 2、选择一定的偏压，每次在一定的偏压下测出光敏二极管在相对光照度为“弱光”到逐步增强的光电流数据，其中Iph?UR（1.00kΩ1.00kΩ为取样电阻）。这里要求至少测出3个不同的反偏电压下的数据。 3、根据实验数据画出光敏二极管的一族光照特性曲线。

表1光敏二极管光照特性测试数据表（电压：-4V） 照度(Lux) 1.1 30.5 173 328 548 861 1258 1774 2350 UR (V) 光电流(A) 表2 光敏二极管光照特性测试数据表（电压：-8V） 照度(Lux) 1.1 30.5 173 328 548 861 1258 1774 2350 UR (V) 光电流(A) 表3 光敏二极管光照特性测试数据表（电压：-12V） 照度(Lux) 1.1 30.5 173 328 548 861 1258 1774 2350 UR (V) 光电流(A)

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