1光敏电阻特性

1光敏电阻特性 学生姓名: 学 号: 学 院: 专 业: 目: 光电报警器设计 指导教师: 职称: 李永红 指导教师: 职称: 中北大学 课程设计任务书 学年 第 一 学期 学 院: 专 业: 学 生 姓 名: 学 号: 课程设计题目: 光电传感器实验的设计与实践 ——光敏电阻特性 起 迄 日 期: 课程设计地点: 指 导 教 师: 系 主 任: 课 程 设 计 任 务 书 1(设计目的: 针对电子信息科学与技术专业的综合要求，在前序验证性认知实验基础上，进行更高层次的命题设计实验，综合设计实验对于提高学生的电子素质和科学实验能力非常重要，是电子技术人才培养成长的必由之路。目的是学生将课程中所学的理论与实践紧密结合，培养独立地解决实际问题的能力。学生必须独立完成一个选题的设计任务。 2(设计内容和要求(包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等): 设计要求: 1、学习光敏电阻(包括亮电阻和暗电阻)的基本工作原理并完成对其的测量; 2、掌握光敏电阻的光照特性、伏安特性和时间响应特性等基本特征并完成对其特性的测 量; 3、通过学习，能够运用光敏电阻器件进行光电检测。 3(设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、 实物样品等〕: 1) 设计说明书符合要求; 2) 相应器件的工作原理; 3) 系统工作原理图(测量电路和特性曲线); 4) 参考文献原文不少于3篇。 课 程 设 计 任 务 书 4(主要参考文献: 1.孟丽凡，蓝金辉.传感器原理与应用.北京:电子工业出版社，2007 2.曾光宇，张志伟，张存林.光电检测技术.北京:清华大学出版社，2005 3.李科杰.现在传感技术.北京:电子工业出版社，2005 5(设计成果形式及要求: 设计说明书及相关电路图 6(及进度: 2011年 12月19日 ~ 2011年12 月 23日:查资料 12 月24 日 ~ 12月 31日:在指导教师指导下设计方案 2012年1月 1 日 ~ 1 月5 日:学生完成实验，指导教师辅导 完成课程设计说明书 1月 6 日 : 答辩 系主任审查意见: 签字: 年 月 日 1. 课程设计目的: 通过光敏电阻特性的参数测量实验，学习光敏电阻的基本工作原理;掌握光敏电阻的光照特性、时间响应特性和伏安特性等基本特性。达到能够选用光敏电阻器件进行光电检测方面课题设计的目的。 2. 实验仪器: 1) GDS-?型光电实验平台主机系统; 2) LED光源及其夹持装置各一个; 3) 光敏电阻探测器及其夹持装置各一个; 4) 磁性座二只; 5) 连接线20条; 6) 示波器探头2条; 3. 实验原理: 某些物质吸收了光子的能量后，产生本征吸收或杂质吸收，从而改变了物质电导率的现象称为物质的光电导效应。利用具有光电导效应的材料(如硅、锗等本征半导体与杂质半导体，硫化镉、硒化镉、氧化铅等)可以制成电导(或电阻)随入射光度量变化器件，称为光电导器件或光敏电阻。 当光敏电阻受光照射时，其阻值将发生变化。光照越强，它的电阻值越低。因此，可以通过一定的电路得到输出信号随光的变化而改变的电压或电流信号。测量信号电压或电流很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值(亮电阻)急剧减少，因此电路中电流迅速增加。便可获得光敏电阻随光或时间变化的特性，即光敏电阻的特性参数。 通过本节实验，要求深入掌握“光电技术”第2章2.2节所讲授的关于光敏电阻光照特性、伏安特性和时间响应特性等内容。 实验中所涉及的变换电路应参考“光电技术”第2章2.2节所讲授的光敏电阻变换电路。 4. 实验内容: 1、 光敏电阻暗电阻和亮电阻的测量; 2、 光敏电阻光照特性测量; 3、 光敏电阻伏安特性测量; 4、 光敏电阻时间响应特性测量 5. 实验步骤: 一、暗电阻的测量 从GDS-?型实验平台备件箱中取出光敏电阻实验装置，并将光敏电阻探测器实验装置11 的引线连接到实验平台上的半导体光电传感器插孔内，并用导线将光敏电阻及测量电表连接成如图2-1所示电路，电路中的电流表用实验平台主机提供的数字微安表，电源也使用由实验平台提供的数字电压表，可调电源应该用平台上提供的12V电源、电位器、电阻与三极管等元器件自行设计装调出可调电压的电源。 实验时，应该首先测量光敏电阻的暗电阻。测量时千万不要打开光敏电阻实验装置的保护窗盖，必须使它始终处于暗室状态才能测出它的真实暗电阻，否则由于光敏电阻的惯性与前历效应使你在实验阶段无法测出准确的暗电阻。 -1所示的测量电路测出它的暗电流d，它与电源电压bb之比的倒按着如图2IU数即为光敏电阻的暗电阻Rd。将所测得的电源电压Ubb值与电流Id值分别填入表2-1，得到光敏电阻暗电阻的阻值。 表2-1光敏电阻暗电阻的测量 二、亮电阻的测量 光敏电阻的亮电阻测量装置如图2-2所示，测量电路依然如图2-1所示。当光敏电阻在一定的光照下(可以用数字照度计事先测出LED光源在不同电流下的照度值确定)，测得的电流IP与电源电压Ubb(测量亮电阻时为确定值如12V)之比的倒数为光敏电阻的亮电阻阻值RL。将所测得的电源电压Ubb值与电流IP填入表2-2，利用测量数据计算光敏电阻的亮电阻值。并在图2-3中画出亮电阻的特性曲线。 三、光敏电阻光照特性的测量 利用GDS-?型光电综合实验平台，按图2-1所示的测量电路连接便可以进行光敏电阻光照特性的测量实验。实验前，先将发光二极管用数字照度计进行标定，得到发光管电流If与受光面照度Ev间的对应关系。然后，将光敏电阻的光敏面置于照度计标定过的受光面上。通过改变发光管电流If获得不同光照度Ev所对应的阻值Rp。将If与阻值Rp或(照度Ev与阻值Rp)用直角坐标系画出，该曲线即为光敏电阻的光照特性曲线。 四、光敏电阻的伏安特性及其测量 利用GDS-?型光电综合实验平台提供的硬件资源与示波输入端口很容易构成光敏电阻伏安特性的测量系统。光敏电阻的伏安特性是光敏电阻在一定光照下加在光敏电阻两端的电压U与流过的电流Ip间的关系曲线。由于光敏电阻的本质是电阻，因此，伏安特性曲线应为直线。 先将发光二极管光源与GDS-?型光电实验平台的电源连接起来，并用照度计测出光敏面的照度，并作记录;再将光敏电阻探头的光敏面安装到受照面上，用连接线将光敏电阻和电源、测量仪表连接成如图2-1所示的测量电路。改变电源电压，得到一族U与Ip间的关系值，在如图2-3所示直角坐标系下画出U—Ip特性曲线，即为光敏电阻的伏安特性曲线。 图2-4 锯齿波与阶梯波扫描波形图 当然，利用光电实验平台提供的如图2-4所示的锯齿波扫描电压与同步阶梯波可以很方便地测出光敏电阻的伏安特性曲线。测量方式为在如图2-1 所示的电路中用锯齿波扫描电压代替电源，用阶梯波给LED 光源提供阶梯光照到光敏电阻上，用锯齿波做X 轴扫描，用流过光敏电阻的电流在外接固定电阻上产生的电压为Y 轴就可以测出它的伏安特性曲线，如图2-5 所示。 图2-5 光敏电阻的伏安特性 实验时，应该先用平台提供的LED 光源与被测光敏电阻实验装置与连接导线和元器件构成测量电路。 五、时间响应特性及其测量 光敏电阻是半导体光电器件中时间响应特性最强(或惯性最大)的器件，掌握它的测量方法有利于正确应用这类器件，同时也为测量其他光电器件的时间响应奠定基础。 1. 时间响应特性 参考“光电技术”第2 章2.2 节中光敏电阻时间响应特性的内容，掌握光敏电阻在弱辐射与强辐射条件下光敏电阻时间响应的不同。 (1) 弱辐射条件下的时间响应 设入射辐射如图2-6 上方的方波所示光脉冲，其辐射通量Φ e 表示为 光敏电阻的光电导率Δ σ 和光电流Ie 随时间变化的规律为如图2-6 下方所示的输出波形，其变化规律为: 式中Δ σ0 与Ie0 分别为弱辐射作用下的光电导率和光电流的稳态值。 显然，当t >>τ r 时，Δ σ =Δ σ0，Ie =I e0;当t =τ r 时，Δ σ =0.63Δ ，=0.63e0;τr 定义为光敏电阻的上升时间常数，即光敏电阻的光电σ0I I 流上升到稳态值IΦ e0 的63%所需要的时间。 停止辐射时，入射辐射通量Φ e 与时间的关系为 同样，可以推导出停止辐射情况下的光电导率和光电流随时间的变化规律 当t =τ f时，Δ σ0 下降到Δ σ =0.37Δ σ0，I e0 下降到I =0.37I e0;当t >>τ f 时，Δ σ0 与I e0 均下降到0;可见，在辐射停止后，光敏电阻的光电流下降到稳态值的37%所需要的时间称为光敏电阻的下降时间常数，记为τ f。 显然，光敏电阻在弱辐射作用下的上升时间常数τ r与下降时间常数τ f 近似相等。 (2)强辐射条件下的时间响应 如图2-7 所示为较强的辐射通量Φ e (图的上方)脉冲作用于光敏电阻上时的输出波形(图的下方波形)，无论对本征型还是杂质型的光敏电阻，光激发载流 子的变化规律由式(2-6) 表示。设入射辐射为方波脉冲 光敏电阻电导率的变化规律为 其光电流的变化规律为 显然，当t>>τ 时，Δ σ =Δ σ0，Ie =I e0;当t=τ 时， Δ σ =0.76Δ σ0，Ie=0. 76 Ie0。在强辐射入射时，光敏电阻的光电流上升到稳态值的67%所需要 r 定义为强辐射作用下的上升时间常数。 的时间τ 当停止辐射时，由于光敏电阻体内的光生电子和光生电荷需要通过复合才能恢复到辐射作用前的稳定状态，而且随着复合的进行，光生载流子数密度在减小，复合几率在下降，所以，停止辐射的过渡过程要远远大于入射辐射的过程。停止辐射时光电导率和光电流的变化规律可表示为 2. 时间响应的测量 ? 常规测量方式 常规测量光敏电阻时间响应特性的方法是用示波器同步测量脉冲光源的发光脉冲与光敏电阻电路输出信号脉冲间的时间延迟。 常规测量方法的测量电路如图2-8 所示。由发光二极管(LED)及其驱动电路提供快速开关的辐射光源，它将产生脉冲辐射(方波辐射)。在方波辐射的作用下，光敏电阻的阻值将发生变化，由偏置电阻b构成的变换电路将光敏电阻的阻值变R 化变成输出电压o的变化。观测光敏电阻变换电路输出信号脉冲随入射辐射的时U 间变化规律，便可以测量出它的时间响应特性。 bb=12V。用示波器测量输出信号o与入射辐射源波形的时间变化测量时，取UU 波形，从而测得光敏电阻随入射辐射的变化规律(即时间响应)。 显然，图2-8中的电阻Re值的大小控制着LED发出光的强弱，改变Re值，可获得不同的辐射通量Φe作用下光敏电阻表现出的时间响应特性。因此，通过手动开关与Re阻值的改变，便可以观测到如图2-6所示的光敏电阻在弱辐射与强辐射情况下的时间响应特性。 实验中，要注意电阻Re值的选择，电阻Re值较大时，电流Ie较小，LED发出的光很弱，光敏电阻处于微弱辐射作用的情况，而Re值较小，Ie较大，入射到光敏电阻上的照度将使光敏电阻处于强辐射状态。 采用手动控制光源的开关，或将脉冲加到光源的信号控制端都能够得到开关方式快速变化的强、弱两种脉冲辐射，用示波器或其他测量手段都可以方便地观测到光敏电阻在弱、强两种辐射情况下的时间响应特性。 手动测量法应将实验所得数据画出响应曲线，如果画在直角坐标架(如图2-9所示)上，其横轴应为时间坐标轴，从输入输出波形曲线可以清楚地看出响应特性，它们的两个极限情况就是微弱辐射作用与强辐射作用下的两种时间响应特性曲线。 6.实验结果 1.暗电阻的测量 测量次数 电源电压U(v) 电流I(mA) 暗电阻R(Ω) 计算公式 1 5 0 无穷 R=U/I 2 10 0 无穷 3 12 0 无穷 4 15 0 无穷 2 亮电阻测量 测量次数 电源电压入射光照强度 电流I(mA) 亮电阻 计算公式 U(v) E(lm) R(Ω) 1 12 100 1.95 6(15 R=U/I 2 12 120 5.5 2(18 3 12 140 6.5 1.85 4 12 160 7.04 1.70 5 12 180 8.02 1.50 6 12 200 8.30 1.45 3光敏电阻的光照特性 入射光照强度E(lm) 100 120 140 160 180 200 电流I(mA) 1.95 5.5 6.5 7.04 8.02 8.30 4光敏电阻的伏安特性 5光敏电阻的时间相应特性 7.心得 通过本次试验加深了对光敏电阻的了解，增加了试验动手和数据分析处理的能力。当光敏电阻受光照射时，其阻值将发生变化。光照越强，它的电阻值越低。因此，可以通过一定的电路得到输出信号随光的变化而改变的电压或电流信号。