物理实验下光敏电阻的特性研究.docx
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物理实验下光敏电阻的特性研究
光敏电阻的特性研究
摘要:
本实验利用LED灯、信号发生器和示波器等设备,对光敏电阻的暗电阻特性,不同光强下的伏安特性,不同电压下的光电特性以及光敏电阻的频率特性进行研究和验证。
关键词:
光敏电阻,暗电阻,暗电流,光强,伏安特性,光电特性,频率特性。
Abstract:
Thisexperimentisabouttoresearchandconfirmsomecharacteristicsofphotoresistances,includingthecharacteristicofdarkresistance,volt-amperecharacteristicunderdifferentlightintensities,photoelectriccharacteristicunderdifferentvoltagesandfrequencycharacteristic,usingLEDlight,signalgeneratorandoscillographandsoon.
Keywords:
photoresistance,darkresistance,darkcurrent,lightintensity,volt-amperecharacteristic,photoelectriccharacteristic,frequencycharacteristic.
引言
光敏电阻是利用半导体的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;入射光强,电阻减小,入射光弱,电阻增大。
光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换(将光的变化转换为电的变化),在日常生产生活当中有广泛的应用。
一、实验目的:
本实验用光强计、信号发生器、示波器等设备,对光敏电阻在不同光强下的伏安特性、一定电压下的光电特性和光敏电阻的频率特性等进行测量、验证和研究。
二、实验仪器:
光具座及支架,小灯泡,LED灯,光敏电阻,光强计(H1006182),电压表,电阻箱(090344),直流稳压电源(QJ2002A),导线,示波器(H0906313),信号发生器(SG1010A)。
三、实验原理:
1、光敏电阻的工作原理
光照下物体的导电率改变的现象称为内光效应。
当内光效应发生时,固体材料吸收的能量使部分价带电子迁移到导带,同时在价带中留下空穴。
这样由于材料中载流子个数增加,使材料的电导率增加,电导率的改变量为
在
(1)式中,e为电荷电量,p为空穴浓度的改变量,n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。
在一定的光照下,为恒定的值,因而光电流和电压呈线性关系。
光敏电阻是采用半导体材料制作,利用内光电效应工作的光电元件。
它在光线的作用下其阻值往往变小,这种现象称为光导效应。
因此,光敏电阻又称光导管。
在黑暗环境里,光敏电阻的电阻值很高;当受到光照时,只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度,则价带中的电子吸收一个光子的能量可以跃迁至导带,并在价带中产生一个带正电荷的空穴,这种由光照产生的电子—空穴对增加了半导体材料中载流子的数目,使其电阻率变小,从而造成光敏电阻阻值下降。
光照越强,阻值越低。
入射光消失后,由光子激发产生的电子—空穴对将逐渐复合,光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。
在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压,其中便有电流通过,受到适当波长的光线照射时,电流就会随光强的增加而变大,从而实现光电转换。
光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。
2、光敏电阻的主要参数
暗电阻:
光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流称为暗电流。
亮电阻:
光敏电阻在受光照时的电阻称为亮电阻,此时流过的电流称为亮电流。
光电流:
亮电流与暗电流之差。
3、光敏电阻的基本特性
(1)伏安特性:
在一定照度下,流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端电压的关系。
在光照一定时,电压增大,光电流也增大,灵敏度也随之增大,但因为光敏电阻都有最大额定功率,超过最高工作电压和最大额定电流,会导致光敏电阻电压电流曲线发生变化,也可能导致光敏电阻的永久性破坏。
图一:
光敏电阻的伏安特性曲线
(2)光照特性
光电流随着照度的变化而改变的规律称为光照特性。
不同类型的光敏电阻的光照特性不同。
图二:
光敏电阻的光照特性曲线
(3)频率特性
当光敏电阻受到脉冲光照时,光电流要经过一段时间才能达到稳定值,光照突然消失时,光电流也不立刻为零。
即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性,这种惰性通常用时间常数来表示。
光敏电阻自光照停止到光电流下降至原值的63%时所经过的时间称为光敏电阻的时间常数。
大多数的光敏电阻的时间常数都较大,这是它的缺点之一。
不同的材料的光敏电阻具有不同的时间常数(毫秒数量级),因而它们的频率特性也就各不相同。
图三为硫化镉和硫化铅两种不同材料的光敏电阻的频率特性,及相对灵敏度KI与光强变换率f之间的关系曲线。
图三:
光敏电阻的频率特性曲线
四、实验内容:
1、观测光敏电阻的暗电阻和暗电流。
(要求:
环境光强小于0.1lux)
(1)光敏电阻在100lux光照下,观察撤除光源10s、60s后,光敏电阻阻值的变化。
(2)半定量地测量光敏电阻的暗电阻和暗电流。
2、测量100lux光照下,光敏电阻的亮电阻、亮电流、光电流。
3、研究在不同光强下,光敏电阻的伏安特性。
4、研究在一定电压下,光敏电阻的光电特性。
5、研究光敏电阻的频率特性。
五、实验步骤:
1、光敏电阻在100lux光照下,观察撤除光源10s、60s后,光敏电阻阻值的变化。
(1)连接电路:
电路的连接方式如图四所示
图四:
测量光敏电阻暗电流的电路图
(2)测量电阻:
调节光敏电阻到灯泡之间的距离,直到用光强计测量其表面的光强为100lux为止,撤除光源10s、60s,测量并记录直流电压源的电压U、可变电阻的阻值R、电压表的示数U1。
2、半定量地测量光敏电阻的暗电阻和暗电流。
(1)连接电路:
按照图四的方式连接电路,并用光强计测量,确定光敏电阻所处环境的光强小于0.1lux。
(2)测量暗电阻、暗电流:
改变电压U或者可变电阻R使得加在光敏电阻两端的电压改变,记录直流电压源的电压U、可变电阻的阻值R、电压表的示数U1。
3、测量一定光强下,光敏电阻的伏安特性。
(1)连接电路:
按照图四的方式连接电路,用光强计测量光敏电阻表面的光强,并做记录。
(2)测量亮电阻、亮电流和光电流:
改变电压U或者R使得加在光敏电阻两端的电压改变,记录直流电压源的电压U、可变电阻的阻值R、电压表的示数U1。
(3)改变光敏电阻与灯泡之间的距离,重复操作
(1)和
(2)。
4、测量一定电压下,光敏电阻的光电特性。
(1)连接电路:
按照图四的方式连接电路,用光强计测量光敏电阻表面的光强,并做记录。
(2)测量该光强下不同电压对应的亮电流:
控制直流电压源提供的U不变,通过调节可变电阻的阻值R使得电压表的示数分别为1V、2V、4V、6V和8V,记录下对应的R值。
(3)改变光敏电阻与灯泡之间的距离,重复操作
(1)和
(2)。
5、测量光敏电阻的频率特性。
(1)连接电路:
按照图五的方式连接电路。
图五:
测量光敏电阻频率特性的电路图
(2)测量反应时间:
LED灯的信号为10V的方波,改变不同的频率,从示波器的荧光屏上读出光敏电阻的时间常数。
(3)测量不同光强下的频率特性:
改变LED信号源的频率,从示波器的荧光屏上读出光敏电阻两端电压的变化ΔU。
(4)改变改变其受到的光强,即光敏电阻的位置,重复(3)。
注意:
1、在测量光敏电阻的暗电阻和暗电流时,虽然用遮光布将光敏电阻罩住,并且光强计测量到的光强小于0.1lux,但是外界的光强变化依然对光敏电阻的阻值产生影响,比如人的走动等,所以测量时应减少走动,等待电压表的数值稳定后再做记录。
2、在测量一定电压下光敏电阻的光电特性的时候,由于测量光强比较麻烦费时间,所以实验当中采用,同一位置上测量不同电压下的亮电流的方法,取代固定电压后改变光强测亮电流的方法。
3、由于光敏电阻的暗电流很小,所以实验当中采用了亮电流取代光电流的处理方法。
六、实验数据的处理和分析:
1、撤除光源10s、60s后的暗电阻
实验数据:
光敏电阻受到的光强为100lux,其它数据如表一所示。
t/s
U/V
R
U1/V
U-U1/V
Ian/A
Ran
10
9.13
20000
6.75
2.38
0.000119
56722.69
60
9.13
20000
6.73
2.4
0.00012
56083.33
10
12.08
20000
8.66
3.42
0.000171
50643.27
60
12.08
20000
8.7
3.38
0.000169
51479.29
表一、撤除光源10s、60s后的暗电阻
实验现象:
撤除光源后,电压表的示数U1(即光敏电阻两端的电压)迅速上升,然后趋于一个固定值,基本上保持不变。
分析:
当光敏电阻受到光照时,只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度,则价带中的电子吸收一个光子的能量可以跃迁至导带,并在价带中产生一个带正电荷的空穴,这种由光照产生的电子—空穴对增加了半导体材料中载流子的数目,使其电阻率变小,从而造成光敏电阻阻值下降。
入射光消失后,由光子激发产生的电子—空穴对将逐渐复合,材料中的载流子数目逐渐减少,电导率逐渐降低,光敏电阻的阻值逐渐增大,最终趋于恢复原值。
实验当中经历10s、60s后,光敏电阻的阻值已恢复暗电阻的状态,所以电阻值基本相同。
2、暗电阻和暗电流
实验数据:
光强计显示光强为0lux,其它数据如表二所示。
U
R
U1
U2
I
Rg
2.35
90000
1.03
1.32
1.46667E-05
70227.27
4.27
90000
1.81
2.46
2.73333E-05
66219.51
6.02
90000
2.52
3.5
3.88889E-05
64800
7.57
90000
3.11
4.46
4.95556E-05
62757.85
8.67
90000
3.53
5.14
5.71111E-05
61809.34
10.1
90000
4.07
6.03
0.000067
60746.27
10.1
70000
4.63
5.47
7.81429E-05
59250.46
10.1
50000
5.34
4.76
0.0000952
56092.44
10.1
30000
6.48
3.62
0.000120667
53701.66
10.1
10000
8.42
1.68
0.000168
50119.05
表二、暗电阻和暗电流
图六、暗电阻和暗电流
分析:
光敏电阻是一种PN结结构,PN中通过的电流为
(其中
,在实验时温度没有大的变化,可以认为
是常数,
为PN结的反向饱和电流,也为常数),所以光敏电阻的暗电阻为
,暗电阻与通过的暗电流成反比,从图像当中可以看出,大致的变化趋势是正确的。
3、100lux下光敏电阻的亮电阻,亮电流,光电流
U
R
U1
U2
I亮
U1暗
U2暗
I暗
R亮
I光
4.13
10000
1.07
3.06
0.000306
3.68
0.45
0.000045
3496.732
0.000261
6.31
10000
1.62
4.69
0.000469
5.59
0.72
0.000072
3454.158
0.000397
7.58
10000
1.94
5.64
0.000564
6.74
0.84
0.000084
3439.716
0.00048
9.62
10000
2.45
7.17
0.000717
8.51
1.11
0.000111
3417.015
0.000606
10.44
10000
2.65
7.79
0.000779
9.19
1.25
0.000125
3401.797
0.000654
11.68
10000
2.96
8.72
0.000872
10.26
1.42
0.000142
3394.495
0.00073
12.34
10000
3.12
9.22
0.000922
10.8
1.54
0.000154
3383.948
0.000768
13.77
10000
3.48
10.29
0.001029
12.02
1.75
0.000175
3381.924
0.000854
14.46
10000
3.65
10.81
0.001081
12.61
1.85
0.000185
3376.503
0.000896
15.42
10000
3.88
11.54
0.001154
13.41
2.01
0.000201
3362.218
0.000953
表三、100lux下光敏电阻的亮电阻,亮电流,光电流
分析:
可以看出,在同一光照下,电阻会随着电压变化而发生变化,电流也会相应发生变化。
4、不同光强下的伏安特性
光强
U
R
U1
U2
I
R亮
50
3.15
20000
0.62
2.53
0.000127
4901.186
4.25
20000
0.83
3.42
0.000171
4853.801
5.18
20000
1.01
4.17
0.000209
4844.125
6.69
20000
1.3
5.39
0.00027
4823.748
7.85
20000
1.52
6.33
0.000317
4802.528
8.52
20000
1.65
6.87
0.000344
4803.493
9.29
20000
1.8
7.49
0.000375
4806.409
11.15
20000
2.15
9
0.00045
4777.778
12.19
20000
2.35
9.84
0.000492
4776.423
14.29
20000
2.74
11.55
0.000578
4744.589
100
2.66
20000
0.43
2.23
0.000112
3856.502
3.52
20000
0.57
2.95
0.000148
3864.407
4.79
20000
0.77
4.02
0.000201
3830.846
5.56
20000
0.89
4.67
0.000234
3811.563
6.21
20000
1
5.21
0.000261
3838.772
7.19
20000
1.15
6.04
0.000302
3807.947
8.67
20000
1.38
7.29
0.000365
3786.008
9.77
20000
1.56
8.21
0.000411
3800.244
11.51
20000
1.83
9.68
0.000484
3780.992
13.03
20000
2.07
10.96
0.000548
3777.372
200
3.18
20000
0.35
2.83
0.000142
2473.498
4.25
20000
0.47
3.78
0.000189
2486.772
6.18
20000
0.69
5.49
0.000275
2513.661
7.19
20000
0.8
6.39
0.00032
2503.912
8.78
20000
0.98
7.8
0.00039
2512.821
9.7
20000
1.08
8.62
0.000431
2505.8
11.3
20000
1.26
10.04
0.000502
2509.96
12.74
20000
1.42
11.32
0.000566
2508.834
13.55
20000
1.51
12.04
0.000602
2508.306
14.51
20000
1.61
12.9
0.000645
2496.124
500
3.48
20000
0.24
3.24
0.000162
1481.481
4.89
20000
0.34
4.55
0.000228
1494.505
6.08
20000
0.43
5.65
0.000283
1522.124
7.17
20000
0.5
6.67
0.000334
1499.25
8.43
20000
0.59
7.84
0.000392
1505.102
10.22
20000
0.72
9.5
0.000475
1515.789
11.49
20000
0.81
10.68
0.000534
1516.854
12.85
20000
0.9
11.95
0.000598
1506.276
13.99
20000
0.98
13.01
0.000651
1506.533
14.99
20000
1.05
13.94
0.000697
1506.456
1000
3.26
20000
0.14
3.12
0.000156
897.4359
4.94
20000
0.22
4.72
0.000236
932.2034
6.45
20000
0.28
6.17
0.000309
907.6175
7.61
20000
0.33
7.28
0.000364
906.5934
8.52
20000
0.37
8.15
0.000408
907.9755
9.31
20000
0.41
8.9
0.000445
921.3483
10.65
20000
0.47
10.18
0.000509
923.3792
12.15
20000
0.53
11.62
0.000581
912.2203
13.55
20000
0.59
12.96
0.000648
910.4938
14.57
20000
0.64
13.93
0.000697
918.8801
1500
2.46
100
2.23
0.23
0.0023
969.5652
4.26
100
3.86
0.4
0.004
965
5.28
100
4.78
0.5
0.005
956
6.09
100
5.51
0.58
0.0058
950
7.51
100
6.79
0.72
0.0072
943.0556
8.66
100
7.83
0.83
0.0083
943.3735
10.42
100
9.4
1.02
0.0102
921.5686
12.73
100
11.47
1.26
0.0126
910.3175
14.21
100
12.81
1.4
0.014
915
18.35
100
16.6
1.75
0.0175
948.5714
19.89
100
18.02
1.87
0.0187
963.6364
2000
1.33
100
1.19
0.14
0.0014
850
3.01
100
2.66
0.35
0.0035
760
4.89
100
4.33
0.56
0.0056
773.2143
6.66
100
5.88
0.78
0.0078
753.8462
8.45
100
7.44
1.01
0.0101
736.6337
11.33
100
9.96
1.37
0.0137
727.0073
13.51
100
11.87
1.64
0.0164
723.7805
15.72
100
13.82
1.9
0.019
727.3684
18.43
100
16.41
2.02
0.0202
812.3762
19.75
100
17.85
1.9
0.019
939.4737
3000
2.34
100
2.04
0.3
0.003
680
4.31
100
3.75
0.56
0.0056
669.6429
6.81
100
5.91
0.9
0.009
656.6667
9.01
100
7.81
1.2
0.012
650.8333
11.15
100
9.65
1.5
0.015
643.3333
13.15
100
11.38
1.77
0.0177
642.9379
15.25
100
13.26
1.99
0.0199
666.3317
17.08
100
14.87
2.21
0.0221
672.8507
18.16
100
15.89
2.27
0.0227
700
19.76
100
17.52
2.24
0.0224
782.1429
4000
2.97
100
2.48
0.49
0.0049
506.1224
5.06
100
4.22
0.84
0.0084
502.381
7.41
100
6.16
1.25
0.0125
492.8
8.79
100
7.3
1.49
0.0149
489.9329
10.05
100
8.32
1.73
0.0173
480.9249
11.31
100
9.36
1.95
0.0195
480
12.36
100
10.22
2.14
0.0214
477.5701
13.46
100
11.14
2.32
0.0232
480.1724
17.12
100
14.19
2.93
0.0293
484.3003
18.86
100
15.98
2.88
0.0288
554.8611
表四、不同光强下的伏安特性
图七、不同光强下的伏安特性
(1)
图八、不同光强下的伏安特性
(2)
分析:
前一段,直线斜率大于0的原因:
当光强一定,增加光敏电阻两端电压时,PN结正向偏置电压增大,内部电场强度增强,多子载流子(P区的空穴,N区的电子)的扩散运动增强,光电流增大。
后一段直线发生弯曲原因:
当UI乘积到达一定值之后,会开始下降,此
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