5-6、光敏电阻、光敏二极管的特性研究（精选）.doc

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