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1、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
2、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
3、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
4、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。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
5、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
6、极管。图4 光敏二极管的光照特性曲线1、光敏电阻的特性测试图51.1 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U，从而得到6个光电流数据，同时算出此时光R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
7、性测试数据表（照度： ）电压（伏）24681012U （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）24681012U （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）24681012U （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U =0开始到U =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CC CC的光电流数据，即：，同时算出此时光
8、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： ）照度照度U （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63.1 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
9、（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）24681012U （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）24681012U （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）24681012U （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： ）照度照度U （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。
