光敏電阻特性測量儀

一、實驗目的

1．了解光敏電阻的基本原理及特性。

2．了解LED發光二極管的驅動電流和輸出光功率的關係；

3．掌握光敏電阻應用方法。

二、實驗設備

1．THQGM―1型光敏電阻特性實驗儀；

2．雙蹤示波器。

三、實驗原理

1．光敏電阻：

光敏電阻又稱光導管，它的工作原理是基於光電導效應：在無光照時，光敏電阻具有很高的阻值，在有光照時，當光子的能量大於材料禁帶寬度，價帶中的電子吸收光子能量後躍遷到導帶，激發出可以導電的電子—空穴對，使電阻降低；光線愈強，激發出的電子—空穴對越多，電阻值越低；光照停止後，自由電子與空穴複合，導電性能下降，電阻恢複原值。光敏電阻幾乎都是用半導體材料製成的光電器件。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，若在兩端加一電壓，則電路中的電流隨光強弱而變化，這種現象在非接觸式光電控製中十分有用。使用時既可加直流電壓，也可加交流電壓，光敏電阻的暗電阻一般為兆歐級，亮電阻在千歐以下。

圖1為光敏電阻的原理結構。它是塗於玻璃底板上的一薄層半導體物質，半導體的兩端裝有電極，金屬電極與引出線端相連接，光敏電阻就通過引出線端接入電路。為了防止周圍介質的影響，在半導體光敏層上覆蓋了一層漆膜，漆膜的成分應使它在光敏層最敏感的波長範圍內透射率最大。其時間常數一般在毫秒級，光敏電阻具有特性穩定、壽命長、價格低等優點。

     圖1

光敏電阻通常用在陶瓷或矽襯底上沉積一層半導體材料CdS或CdSe製成。外覆一層透明樹脂構成光學透鏡用於光的聚焦，CdS或CdSe半導體材料在無光照射狀態下，自由載流子很少，當受光照射時，載流子增加，電阻減小。其值與所用材料和製作工藝等相關，伴隨著電阻的改變，其光響應時間也會改變。光敏電阻對不同的光波長，其靈敏度也不同。CdS的峰值響應波長在600nm附近 ，CdSe的峰值響應波長在750nm附近。

光敏電阻的特性：

（1）光譜特性

光敏電阻對不同波長的光，光譜靈敏度不同，而且不同種類光敏電阻峰值波長也不同。光敏電阻的光譜靈敏度和峰值波長與所采用的材料、摻雜濃度有關。圖2為硫化鎘、硫化鉛硫化鉈光敏電阻的光譜特性曲線。由圖可見，硫化鎘光敏電阻可見光區域，接近人的視覺特性；而硫化鉛在紅外區域。

圖2   光敏電阻的光譜靈敏度

（2）伏安特性

     在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關係，稱為伏安特性。硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線如圖3所示，由曲線可知，在給定的偏壓下，光照度越大，光電流也越大，在一定的光照度下，電壓越大，光電流也越大，且沒有飽和現象。但是不能無限製地提高電壓，任何光敏電阻都有最大額定功率，最高工作電壓和最大額定電流，超過最大工作電壓和最大額定電流，都可能導致光敏電阻永久性損壞。耗散功率500mW

圖3   光敏電阻的伏安特性

（3）響應時間和頻率特性

在階躍脈衝光照射下，光敏電阻的光電流要經曆一段時間才達到最大飽和值，光照停止後，光電流也要經曆一段時間才下降到零。這是光電導的弛豫現象，通常用響應時間來描述。響應時間又分為上升時間、和下降時間、，如圖4所示。

圖4   光敏電阻的響應時間

常用時間常數來描述響應時間的長短。光敏電阻的時間常數在數量級。實驗表明：光敏電阻的響應時間與前曆時間有關，在暗處防置時間越長，響應時間越長；響應時間也與照度有關，照度越大，響應時間越短。由於不同材料光敏電阻有不同的響應時間，因而它們的頻率特性也不相同。圖5表示不同材料光敏電阻的頻率特性，即相對光譜靈敏度與照度調製頻率的關係曲線。

圖5   光敏電阻的頻率特性

2.LED的工作原理：

當某些半導體材料形成的PN結加正向電壓時,空穴與電子在PN結複合時將產生特定波長的光，發光的波長與半導體材料的能級間隙有關。發光波長可由下式確定：

                            (1)

式（1）中h為普朗克常數，c為光速。在實際的半導體材料中能級間隙有一個寬度，因此發光二極管發出光的波長不是單一的，其發光波長半寬度一般在25～40nm左右，隨半導體材料的不同而有差別。發光二極管輸出光功率P與驅動電流I的關係由下式決定：

                            (2)

式2中，為發光效率，是光子能量，是電荷常數。

式（2）表明LED輸出光功率與驅動電流呈線性關係，當電流較大時由於PN結不能及時散熱，輸出光功率可能會趨向飽和。本實驗用一個驅動電流可調的紅色超高亮度發光二極管作為實驗用光源。係統采用的發光二極管驅動和調製電路如圖6所示。信號調製采用光強度調製的方法，發送光強度調節器用來調節流過LED的靜態驅動電流，從而改變發光二極管的發射光功率。設定的靜態驅動電流調節範圍為0～20毫安，對應麵板上的光發送強度驅動顯示值為0～2000單位。正弦調製信號經電容、電阻網絡及運放跟隨隔離後耦合到放大環節，與發光二極管靜態驅動電流迭加後使發光二極管發送隨正弦波調製信號變化的光信號，如圖7所示，變化的光信號可用於測定光敏電阻的頻率響應特性。

圖 6. 發送光的設定驅動和調製電路框圖。

圖 7. LED發光二極管的正弦信號調製原理

3．光敏電阻的應用方式

光敏電阻可以有各種應用方式，圖（8）所示光敏電阻以一個電阻R1串取，R1固定不變，當光照增加時，光敏電阻Rm減小，更多的電流流過R1兩端，輸出電壓增加，圖（9）所示光敏電阻用於可變頻率振蕩器，振蕩器頻率依賴於入射光強度。當光增加，Rm減小，振蕩器頻率增加。圖（10）所示光敏電阻作為一放大倍數可變的增益電阻。當入射光強改變時，Rm變化，輸出電壓Vo改變，VO的值為

圖（11）所示光敏電阻用於發光管的控製。當入射光強改變時，Rm變化，改變燈的狀態。

圖8

圖 9

圖 10

圖 11

四、實驗內容與步驟

1．光敏電阻阻值與輸入光信號強度關係特性測定

打開儀器電源，調節發光二極管靜態驅動電流，其調節範圍為0～20mA，將功能轉換開關分別打到關，將光敏電阻輸出斷連接到圖5所示電路位置，將電壓放大器輸出端連接到數字電壓表頭的輸入端，分別測定光敏電阻阻值與輸入光信號關係。記錄數據並在同一張方格紙上作圖。

2．光敏電阻的頻率響應

將功能轉換開關分別打到開，在LED偏置電流為5mA與10mA下，在信號輸入端加正弦調製信號，使LED發送調製的光信號，保持輸入正弦信號的幅度不變，調節信號發生器頻率，用示波器觀測並測定記錄發送光信號的頻率變化時，光敏電阻輸出信號幅度的變化，比較光敏電阻在不同光強度下的實驗結果，分析原因。

3．光敏電阻作為可控電位器

將光敏電阻輸出斷連接到圖3所示電路位置，分壓器輸出端連接到數字電壓表頭的輸入端，從0～20mA調節發光二極管靜態驅動電流，實驗測定光敏電阻分壓器輸出電壓隨輸入光強的關係曲線。

4．光敏電阻可控振蕩器

將光敏電阻輸出斷連接到圖4所示電路位置，將振蕩器輸出端連接到示波器，從0～20mA調節發光二極管靜態驅動電流，實驗測定光敏電阻振蕩器輸出頻率隨輸入光強的關係曲線。

5．光敏電阻可控開關

將光敏電阻輸出斷連接到圖6所示電路位置，從0～20mA調節發光二極管靜態驅動電流，實驗測定當LED燈開關時輸入光強值，分析其開關特性。

五、思考題

1．光敏電阻的值為何與入射光波長有關？

2．光敏電阻光控開關開和關時的輸入光強值是否一樣，為何要做的不一樣？