光电检测实验指导部分教材.docx
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光电检测实验指导部分教材
实验一光敏电阻特性实验
实验原理:
利用具有光电导效应的半导体材料制成的光敏传感器叫光敏电阻，又称为光导管。
是一种均质的半导体光电器件,其结构如图1-1所示。
光敏电阻采用梳状结构是由于在间距很近的电阻之间有可能采用大的灵敏面积,提高灵敏度。
光敏电阻应用得极为广泛，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：
在上式中，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：
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1-2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，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1-2光敏电阻的伏安特性曲线图1-3光敏电阻的光照特性曲线
光敏电阻的光照特性则如图1-3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1-3类似。
由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不适宜作测量型的线性敏感元件，在自动控制中光敏电阻常用作开关量的光电传感器。
图1-4几种光敏电阻的光谱特性
实验所需部件:
稳压电源、光敏电阻、负载电阻（选配单元）、电压表、各种光源、遮光罩、激光器、光照度计（做光照特性测试，由用户自备或选配）
实验步骤:
1.测试光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电阻
观察光敏电阻的结构,用遮光罩将光敏电阻完全掩盖,用万用表欧姆档测得的电阻值为暗电阻R暗,移开遮光罩，在环境光照下测得的光敏电阻的阻值为亮电阻R亮，暗电阻与亮电阻之差为光电阻，光电阻越大，则灵敏度越高。
在光电器件模板的试件插座上接入另一光敏电阻，试作性能比较分析。
2.光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流
按照图1-5接线，分别在暗光及有光源照射下测出输出电压暗和U亮，电流L暗=U暗/R,亮电流L亮=U亮/R，亮电流与暗电流之差称为光电流，光电流越大则灵敏度越高。
3.光敏电阻的伏安特性测试
按照图1-5接线，电源可从直流稳压电源+2~+12V间选用，每次在一定的光照条件下，测出当加在光敏电阻上电压为+2V；+4V；+6V；+8V；+10V；+12V时电阻R两端的电压UR，和电流数据
，同时算出此时光敏电阻的阻值，并填入以下表格，根据实验数据画出光敏电阻的伏安特性曲线。
图1-5光敏电阻的测量电路
光敏电阻伏安特性测试数据表（暗光）
工作电压
2
4
6
8
10
12
UR（伏）
电阻（欧姆）
电流
光敏电阻伏安特性测试数据表（正常环境光照）
电压（伏）
2
4
6
8
10
12
UR（伏）
电阻（欧姆）
电流
光敏电阻伏安特性测试数据表（有光源照射）
电压（伏）
2
4
6
8
10
12
UR（伏）
电阻（欧姆）
电流
4.光敏电阻的光照特性测试
按照图1-5接好实验线路，负载电阻R选定1K，光源用高亮度卤钨灯，（实验者可仔细调节光源控制旋钮，得到不同的光源亮度），每确定一种亮度后改变测试电路工作电压从0V-12V.
从电源电压UCC=2V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”到逐步增强的电流数据，即：
，同时求出此时光敏电阻的阻值，即：
。
这里要求尽量多的测点（不少于15个）不同照度下的电流数据，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较为完整的光照特性曲线。
光敏电阻光照特性测试数据表（电压：
）
照度
UR（伏）
光电流
光敏电阻光照特性测试数据表（电压：
）
照度
UR（伏）
光电流
光敏电阻光照特性测试数据表（电压：
）
照度
UR（伏）
光电流
┅┅
根据以上实验数据画出光敏电阻的一组光照特性曲线。
5.光敏电阻的光谱特性：
用不同的半导体材料制成的光敏电阻有着不同的光谱特性，见图1-4。
当不同波长的入射光照到光敏电阻的光敏面上，光敏电阻就有不同的灵敏度。
按照图1-5接线,其工作电源可选用直流稳压电源的负电源，用高亮度LED（红、黄、绿、蓝、白）作为光源，发光电源可选用直流稳压电源的正电源。
发光管的接线可参照图1-6。
限流电阻用选配单元上的1K~100K档电位器，首先应置电位器阻值为最大，开启电源后缓慢调小阻值，使发光管逐步发光并至最亮，当发光管达到最高亮度时不应再改变限流电阻阻值,依次将各发光管接入光电器件模板上的发光管插座。
发光管与光敏电阻顶端可用附件中的黑色软管连接（透镜对透镜）。
分别测出光敏电阻在各种光源照射下的光电流，再用固体激光器作为光源，测得光电流，将测得的数图1-6发光管连接电路
据记入下表，据此作出两种光电阻大致的光谱特性曲线：
光源
激光
红
黄
绿
蓝
白
光电阻I
光电阻II
6.光敏电阻的温度特性:
光敏电阻与其他半导体器件一样,性能受温度影响较大.随着温度的升高电阻值增大,灵敏度下降。
请按图（5）测试电路，分别测出常温下和加温（可用电烙铁靠近加温或用电吹风加温，电烙铁切不可直接接触器件）后的伏安特性曲线。
注意事项:
实验时请注意不要超过光电阻的最大耗散功率PMAX,PMAX=LU
光源照射时灯胆及灯杯温度均很高，请勿用手触摸，以免烫伤。
实验时各种不同波长光源选用的高亮度LED在不发光时均为透明材料封装，查看颜色及亮度均可从其顶端透镜前观察。
用做光源时也应将透镜发光点对准光敏器件。
实验二光敏电阻的应用-----暗光亮灯电路
实验原理:
图2-1所示即为“光敏灯控”实验单元内的实际电路,在放大电路中,当光照度下降时晶体管T基极电压升高，T导通,集电极负载LED流过的电流增大,LED发光,这是一个暗通电路.。
实验所需部件:
光敏电阻、光敏灯控电路（也可自行用实验选配单元接线）、发光二极管、电压表
实验步骤:
1.按照仪器面板所示，将光敏电阻对应接入“光敏灯控”单元的“光敏入”，“发光管”端口与工作台上实验模板上的发光管相接。
调节“暗光控制”电位器，，使在实验室光照环境下发光管不亮。
2.然后改变光照条件，分别用白纸、带色的纸和遮光罩改变光敏电阻的光照，当光照变暗到一定程度时发光管跳亮。
这就是日常所用的暗光街灯控制电路的原理。
图2-1光敏灯控电路
3.根据图2-1暗通电路原理,试设计一个亮通控制电路.
实验三光敏二极管特性实验
实验原理:
光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。
光敏二极管的伏安特性相当于向下平移了的普通二极管，无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。
当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。
光敏二极管结构见图3-1。
实验所需部件:
光敏二极管、稳压电源、负载电阻（实验选配单元中可变电阻）、遮光罩、光源、电压表（自备41/2位万用表）.、微安表（或自备41/2位万用表上的200mA图3-1光敏二极管原理
档）、照度计（自备或另购）
实验步骤:
按图3-2接线,要注意光敏二极管是工作在反向工作电压的。
由于硅光敏二极管的反向电流非常小，所以应视实验情况逐步提高工作电压，如有必要可用稳压电源上的±10V或±12V串接。
1.暗电流测试
用遮光罩盖住光电器件模板,选择合适的电路反向工作电压,选择适当的负载电阻。
打开仪器电源，调节负载电阻值，微安表显示的电流值即为暗电流，或用41/2位万用表200mV档测得负载电阻R上的压降U暗，则暗电流L暗=U暗/R。
一般锗光敏二极管的暗电流要大于硅光敏二极管暗电流数十倍。
可在试件插座上更换其他光敏二极管进行测试做性能比较。
2.光电流测试:
缓慢揭开遮光罩，观察微安表上的电流值的变化,（也可将照度计探头置于光敏二极管同一感光处，观察当光照强度变化时光敏二极管光电流的变化）或是用41/2位万用表200mv档测得R上的压降U光,光电流L光=U光/R。
如光电流较大，则可减小工作电压或调节加大负载电阻。
3.伏安特性测试实验
按图3-2连接实验线路,光源选用高亮度卤素灯,分别调节至“弱光”、“中光”和“强光”三种照度。
负载电阻用万用表确定阻值1K欧姆。
图3-2光敏二极管测试电路
将可调光源调至一种照度，每次在该照度下，测出加在光敏二极管上的各反向偏压与产生的光电流
的关系数据，其中光电流
（1KΩ为取样电阻），在三种光照度下重复上述实验。
光敏二极管伏安特性测试数据表（照度：
弱）
电压（伏）
2
4
6
8
10
12
UR（伏）
电阻（欧姆）
光电流
光敏二极管伏安特性测试数据表（照度：
中）
电压（伏）
2
4
6
8
10
12
UR（伏）
电阻（欧姆）
光电流
光敏二极管伏安特性测试数据表（照度：
强）
电压（伏）
2
4
6
8
10
12
UR（伏）
电阻（欧姆）
光电流
根据实验数据画出光敏二极管的伏安曲线。
图3-3光敏二极管的伏安特性曲线
4.光照度特性测试
实验电路见图3-2。
光源选用高亮度卤素灯，由实验者按照从“弱-强”仔细调节光源电位器取得多种光照度，每选一种照度就选择3种反向偏压测试记录，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
（1K
为取样电阻）。
光敏二极管光照特性测试数据表（电压：
）
照度
UR（伏）
光电流
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