光敏电阻光敏二极管的特性研究.docx
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光敏电阻光敏二极管的特性研究
实验十一、十二
【实验目的】
见讲义
【实验仪器】
见讲义
【实验原理】
1、光电效应
光敏传感器的物理基础是光电效应，在光辐射作用下电子逸出材料的表面，产生光电子发射称为外光电效应，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。
电子并不逸出材料表面的则是内光电效应。
光电导效应、光生伏特效应则属于内光电效应。
即半导体材料的许多电学特性都因受到光的照射而发生变化。
光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类，几乎大多数光电控制应用的传感器都是此类，通常有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等。
（1）光电导效应
若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、实验原理
（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，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。
当内光电效应发生时，光敏电阻电导率的改变量为：
（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2a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2a光敏电阻的伏安特性曲线图2b光敏电阻的光照特性曲线
光敏电阻的光照特性则如图2b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2b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。
（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极管，光敏二极管的伏安特性如图3所示。
但光敏三极管的光电流比同类型的光敏二极管大好几十倍，零偏压时，光敏二极管有光电流输出，而光敏三极管则无光电流输出。
原因是它们都能产生光生电动势，只因光电三极管的集电结在无反向偏压时没有放大作用，所以此时没有电流输出（或仅有很小的漏电流）。
图3光敏二极管的伏安特性曲线
光敏二极管的光照特性亦呈良好线性，这是由于它的电流灵敏度一般为常数。
而光敏三极管在弱光时灵敏度低些，在强光时则有饱和现象，这是由于电流放大倍数的非线性所至，对弱信号的检测不利。
故一般在作线性检测元件时，可选择光敏二极管而不能用光敏三极管。
图4光敏二极管的光照特性曲线
【实验内容和要求】
可见讲义
1、光敏电阻的特性测试
图5
1.1光敏电阻的伏安特性测试
（a）按实验仪面板示意图接好实验线路，光源用标准钨丝灯将检测用光敏电阻装入待测点，连结+2--+12V电源，光源电压0--24V电源（可调）。
（b）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，测出加在光敏电阻上电压为+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
，同时算出此时光敏电阻的阻值，即
。
以后调节相对光强重复上述实验（要求至少在三个不同照度下重复以上实验）。
（c）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：
）
电压（伏）
2
4
6
8
10
12
UR（伏）
电阻（欧姆）
光电流
表2光敏电阻伏安特性测试数据表（照度：
）
电压（伏）
2
4
6
8
10
12
UR（伏）
电阻（欧姆）
光电流
表3光敏电阻伏安特性测试数据表（照度：
）
电压（伏）
2
4
6
8
10
12
UR（伏）
电阻（欧姆）
光电流
1.2光敏电阻的光照特性测试
（a）按实验仪面板示意图（图5）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+2--+12V电源，光源电压0--24V电源（可调）。
（b）从UCC=0开始到UCC=12V，每次在一定的外加电压下测出光敏电阻在相对光照度从“弱光”到逐步增强的光电流数据，即：
，同时算出此时光敏电阻的阻值，即：
。
这里要求至少测出15个不同照度下的光电流数据，尤其要在弱光位置选择较多的数据点，以使所得到的数据点能够绘出完整的光照特性曲线。
表4光敏电阻光照特性测试数据表（电压：
）
照度
UR（伏）
光电流（安培）
表5光敏电阻光照特性测试数据表（电压：
）
照度
UR（伏）
光电流（安培）
表6光敏电阻光照特性测试数据表（电压：
）
照度
UR（伏）
光电流（安培）
（c）根据实验数据画出光敏电阻的一族光照特性曲线。
2、光敏二极管的特性测试实验
图6
3.1光敏二极管的伏安特性测试实验
（a）按仪器面板示意图（图6）连接好实验线路,光源用标准钨丝灯,将待测硅光敏二极管装入待测点,光源电源电压用+0V～+24V（可调）。
（b）将可调光源调至一定的照度，每次在一定的照度下，测出加在光敏二极管上的反偏电压与产生的光电流的关系数据，其中光电流
（
为取样电阻），以后逐步调大相对光强（3次），重复上述实验。
表6光敏二极管伏安特性测试数据表（照度：
）
电压（伏）
2
4
6
8
10
12
UR（伏）
电阻（欧姆）
光电流
表7光敏二极管伏安特性测试数据表（照度：
）
电压（伏）
2
4
6
8
10
12
UR（伏）
电阻（欧姆）
光电流
表8光敏二极管伏安特性测试数据表（照度：
）
电压（伏）
2
4
6
8
10
12
UR（伏）
电阻（欧姆）
光电流（安培）
（c）根据实验数据画出光敏二极管的一族伏安曲线。
3.2光敏二极管的光照度特性测试
（a）实验线路同图6。
（b）选择一定的反偏压，每次在一定的反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
（1.00K
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。
表14光敏二极管光照特性测试数据表（电压：
）
照度
UR（伏）
光电流（安培）
表15光敏二极管光照特性测试数据表（电压：
）
照度
UR（伏）
光电流（安培）
表16光敏二极管光照特性测试数据表（电压：
）
照度
UR（伏）
光电流（安培）
（c）根据实验数据画出一族光敏二极管的一族光照特性曲线。
聚乙烯（PE）简介
1.1聚乙烯
化学名称：
聚乙烯
英文名称：
polyethylene，简称PE
结构式：
聚乙烯是乙烯经聚合制得的一种热塑性树脂，也包括乙烯与少量α-烯烃的共聚物。
聚乙烯是五大合成树脂之一，是我国合成树脂中产能最大、进口量最多的品种。
1.1.1聚乙烯的性能
1.一般性能
聚乙烯为白色蜡状半透明材料，柔而韧，比水轻，无嗅、无味、无毒，常温下不溶于一般溶剂，吸水性小，但由于其为线性分子可缓慢溶于某些有机溶剂，且不发生溶胀。
工业上为使用和贮存的方便通常在聚合后加入适量的塑料助剂进行造粒，制成半透明的颗粒状物料。
PE易燃，燃烧时有蜡味，并伴有熔融滴落现象。
聚乙烯的性质因品种而异，主要取决于分子结构和密度，也与聚合工艺及后期造粒过程中加入的塑料助剂有关。
2.力学性能
PE是典型的软而韧的聚合物。
除冲击强度较高外，其他力学性能绝对值在塑料材料中都是较低的。
PE密度增大，除韧性以外的力学性能都有所提高。
LDPE由于支化度大，结晶度低，密度小，各项力学性能较低，但韧性良好，耐冲击。
HDPE支化度小，结晶度高，密度大，拉伸强度、刚度和硬度较高，韧性较差些。
相对分子质量增大，分子链间作用力相应增大，所有力学性能，包括韧性也都提高。
几种PE的力学性能见表1-1。
表1-1几种PE力学性能数据
性能
LDPE
LLDPE
HDPE
超高相对分子质量聚乙烯
邵氏硬度（D）
拉
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