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感测课程设计
目录
光电二极管和光敏电阻的特性研究II
引言III
1设计目的-1-
2设计原理-1-
2.1光电二极管的结构-1-
2.2光电二极管工作原理-1-
2.3光敏电阻的结构-2-
2.4光敏电阻的工作原理-2-
2.5光电二极管特性-3-
2.5.1光照特性-3-
2.5.2伏安特性-4-
2.6光敏电阻特性-5-
2.6.1伏安特性-5-
2.6.2光照特性-5-
3设计仪器：
-6-
4.设计步骤：
-6-
5.设计数据记录与处理：
-6-
5.1光电二极管：
-6-
5.2光敏电阻:
-8-
6.设计结论与分析：
-8-
7．设计总结-9-
8.参考文献：
-9-
光电二极管和光敏电阻的特性研究
摘要：
该实验应用变量控制法和等效替代法，对光电二极管特性、光敏电阻特性、光敏电阻光照特性进行了研究，验证了光电二极管的光电特性和光敏电阻的光照特性。
利用THQC-1型典型传感元件实验箱和光电模块能够观测光电二极管的强度和光电流的关系。
另外利用THQC-1型典型传感元件实验箱和光电模块还能够将光敏电阻受到的光照强度变化简单的转化为发光二极管静态驱动电流变化，照射光频率由发光二极管决定，在实验中不改变。
这样便可将实验中难控制和测量的光照条件用电流变化表示出来，使光敏电阻阻值随光照强度的变化可测量。
关键词：
光电二极管; 光敏电阻；结构；原理；特性
引言
光电二极管是利用PN结单向导电性的结型光电器件，当受到光照射时会产生光电流。
具有响应速度快、精巧、坚固、良好的温度稳定性和低工作电压的优点，因而得到了广泛的应用。
本实验设计了光敏电阻阻值与输入光信号强度关系特性测定实验，对光敏电阻特性进行分析。
光敏电阻具有光电导效应，受到光照射后阻值发生变化，是一种基于光电效应的光电传感器。
它的灵敏度高，光谱响应范围宽，重量轻，机械强度高，耐冲击，抗过载能力强，耗散功率大，以及寿命长、体积小、性能稳定、价格低等特点，广泛应用于控制路灯自动点熄电路、照相机自动曝光电路、照度计、冲床自动断电器和家用电器中。
本实验设计了光敏电阻阻值与输入光信号强度关系特性测定实验，对光敏电阻特性进行分析。
对光电二极管和光敏电阻的特性进行研究有助于更深刻地了解光电二极管和光敏电阻，促进其用途的继续发展。
本实验是实验室开设的实验内容，有助于培养学生的综合能力和研究能力。
1设计目的
1、学习掌握光电二极管和光敏电阻的原理
2、学习掌握光电二极管和光敏电阻的基本特性
3、了解光电二极管和光敏电阻应用差异
4、掌握光电二极管和光敏电阻特性测试的方法
5、了解光电二极管和光敏电阻的基本应用
2设计原理
2.1光电二极管的结构
光电二极管结构与一般二极管类似。
PN结安装在管的顶部，便于接受光照。
外壳上有以透镜制成的窗口以使光线集中在敏感面上，为了获得尽可能大的光生电流，PN结的面积比一般二极管要大。
为了光电转换效率高，PN结的深度比一般二极管浅。
光电二极管结构示意图光电二极管图形符号光电二极管基本电路
图一
2.2光电二极管工作原理
光电二极管是利用PN结单向导电性的结型光电器件，当受到光照射时会产生光电流。
它可工作在两种状态。
大多数情况下工作在反向偏压状态。
在这种情况下，当无光照时，处于反偏的二极管工作在截止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流，即暗电流。
反向电流小的原因是在PN结中，P型中的电子和N型中的空穴（少数载流子）很少。
当光照射在PN结上时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子空穴对，使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，在外加反偏电压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，形成了光电流，反向电流随光照强度增加而增加。
另一种工作状态是在光电二极管上不加电压，利用PN结受光照强度增加而增加。
N结受光照时产生正向电压的原理，将其作为微型光电池用。
这种工作状态一般用作光电检测。
光电二极管常用的材料有硅、锗、锑化铟、砷化铟等，使用最广泛的是硅、锗光电二极管。
图为光电流信号转换电路，Vo=IpR，Ip为光电流，R是反馈电阻。
图二
2.3光敏电阻的结构
光敏电阻又称光导管，它的的结构很简单，通常由光导层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成。
在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，称为光导层。
半导体的两端装有金属电极，为了提高灵敏度光敏电阻的电极一般采用梳状图案。
金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。
为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。
光敏电阻器通常都制成薄片结构，以便吸收更多的光能，在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示。
2.4光敏电阻的工作原理
光敏电阻是利用半导体的内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。
所谓内光电效应是指半导体材料在光线辐射作用下改变其导电率的一种光电效应，而外光电效应是指金属表面受光照后发射电子的一种现象。
半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。
当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子—空穴对的出现使电阻率变小。
光照愈强，光生电子—空穴对就越多，阻值就愈低。
当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。
入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小。
因此，光敏电阻器的阻值随入射光线的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1-10M欧,在强光条件下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆,制作光敏电阻的材料常用硫化镉（CdS）、硒化镉（CdSe）、硫化铅（PbS）锑化铟（InSb）等。
图三光敏电阻工作原理图
图二所示为光敏电阻的工作原理。
图中，在光敏电阻的两极间加上一定电压V，当光照射在光敏电阻上时，其内部被束缚的电子吸收光子能量成为自由电子，并留下空穴。
光激发的电子——空穴对在外电场的作用下同时参与导电，从而改变了光敏电阻的导电性能。
2.5光电二极管特性
2.5.1光照特性
光电二极管在一定偏压下，当入射光的强度发生变化，通过光电二三极管的电流随之变化，即为光电二极管的光照特性。
反向偏压工作状态下，在外加电压E和负载电阻RL的很大变化范围内，光电流与入照光功率均具有很好的线性关系；在无偏压工作状态下，只有RL较小时光电流与入照光功率成正比，RL增大时光电流与光功率呈非线性关系。
图四光电二极管的光照特性
2.5.2伏安特性
在一定光照条件下，光电二极管的输出光电流与偏压的关系称为伏安特性。
光电二极管的伏安特性的数学表达式如下：
I=I0[1－exp（qV/kT）]＋IL
其中I0是无光照的反向饱和电流，V是二极管的端电压（正向电压为正，反向电压为负），q为电子电荷，k为波耳兹常数，T为PN结的温度，单位为K，IL为无偏压状态下光照时的短路电流，它与光照时的光功率成正比。
（光电二极管的伏安特性如下图所示）
图五光电二极管的伏安特性曲线
2.6光敏电阻特性
2.6.1伏安特性
光敏电阻的伏安特性如图2所示，由光电流公式得：
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。
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。
图六光敏电阻的伏安特性曲线
2.6.2光照特性
当光电器件电极上的电压一定时，光电流与入射到光电器件上的光照强度之间的关系称为光照特性。
光敏电阻的光照特性则如图4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4的结果类似。
由图可知在入射光很强或者很弱的时候光敏电阻的光电流和光照之间会呈现非线性关系。
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。
.图七光敏电阻的光照特性曲线
3设计仪器：
THQC-1型典型传感元件实验箱,光电模块，万用表，0~20mA恒流源。
4.设计步骤：
4.2.1.将主控箱的0~20mA恒流源调节到最小。
4.2.2.把0~20mA恒流源的输出和光电模块上的恒流输入连接起来，以驱动LED光源。
4.3.1、硅光电池实验：
将恒流源从0开始每隔2mA记录一次,光电二极管的强度指示在光电模块的右边数显上。
4.3.2.光敏电阻实验：
由于光敏电阻光较弱时变化较大，所以在0~2mA之间，每隔0.5mA记录一次，以后每隔2mA做一次实验。
光敏电阻的大小用万用表测量光电模块上的光敏电阻输出端。
5.设计数据记录与处理：
5.1光电二极管：
I（mA）
0.07
2.07
4.07
6.07
8.07
V（mV）
0
3.5
7.4
11.2
15
I（mA）
10.07
12.07
14.07
16.07
18.07
V（mV）
18.9
22.6
26.2
29.7
33.2
表一
图八
硅电池拟合直线方程：
y=1.8615x-0.1139R2=0.9997
非线性误差：
灵敏度：
2.0350
5.2光敏电阻:
I（mA）
0.07
0.57
1.07
1.57
2.07
4.07
6.07
R（KΩ）
687
40
22
16
12.05
7.07
5.29
I（mA）
8.07
10.07
12.07
14.07
16.07
18.07
R（KΩ）
4.35
3.76
3.36
3.07
2.85
2.67
表二
图九
6.设计结论与分析：
本设计做了光敏电阻阻值与输入光信号强度关系特性测定和光电二极管特性的研究。
通过使用THQGM-1型光敏电阻特性试验仪测出了光敏电阻阻值与输入光信号的关系，并做出其关系曲线。
由于仪器的误差和人为等因素影响，所得数据有误差，设计报告中数据为多次测量取平均值结果。
由设计结果知光电二极管的强度于所加输入电流成线性关系；光敏电阻的阻值随所加电流的增加减小。
通过本实验，我体会到光学实验和电学实验在物理实验中有紧密的联系，学会用变量控制法和等效替代法来研究一些有用的规律，加深了对光电二极管和光敏电阻特性的认识。
7．设计总结
本次设计应用变量控制法和等效替代法，对光电二极管特性、光敏电阻特性、光敏电阻光照特性进行了研究，验证了光电二极管的光电特性和光敏电阻的光照特性。
利用THQC-1型典型传感元件实验箱和光电模块能够观测光电二极管的强度和光电流的关系。
另外利用THQC-1型典型传感元件实验箱和光电模块还能够将光敏电阻受到的光照强度变化简单的转化为发光二极管静态驱动电流变化，照射光频率由发光二极管决定，在实验中不改变。
这样便可将实验中难控制和测量的光照条件用电流变化表示出来，使光敏电阻阻值随光照强度的变化可测量。
通过此次实验，我们了解到了光敏电阻，光电池，光电二极管等光电器件的结构，特性，和工作原理，认识到了光电器件在不同环境下的性质变化以及他们的基本运用，掌握了不少光电探测器件使用的知识。
在此感谢老师的指导和教诲，我们一定会继续努力学好光电探测，多动脑筋多思考，多动手多实践，认真学习理论知识，以应对社会的发展，满足企业的需要，争取做出成绩来，回馈母校，回报社会！
8.参考文献：
[1]THQC-1型典型传感元件实验箱使用说明书。
[2]秉时．光敏电阻的种类、原理、及工作特性。
外，2003，11：
48．
[3]沈学础．半导体光谱和光学性质［Ｍ］。
京：
科学出版社，2002．
[4]周红，杨卫群，沈学浩等。
光敏电阻基本特性测量实验的设计．物理实验，2003，23（11）：
9-11.
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