光敏电阻特性测试及分析
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南京理工大学紫金学院光电综合实验室
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光敏电阻主要参数及基本特性的测试
一、工作原理
光敏电阻器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；半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子—空穴对的出现使电阻率变小。光照愈强，光生电子—空穴对就越多，阻值就愈低。当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小。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）
光敏电阻的主要参量有暗电阻，亮电阻、光谱范围、峰值波长和时间常量等。基本特性有伏安特性、光照特性、光谱特性等。伏安特性是指在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压和光电流之间的关系。光照特性是指在一定外加电压下，光敏电阻的光电流与光通亮的关系。
根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：
1．紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。
2．红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。
3．可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。
二、实验目的
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1、学习掌握光敏电阻工作原理 2、学习掌握光敏电阻的基本特性 3、掌握光敏电阻特性测试的方法 4、了解光敏电阻的基本应用
三、实验内容
1、光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电阻测试实验（基本参数测试） 2、光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流测试实验（基本参数测试） 3、光敏电阻的光谱特性测试实验（特性测试） 4、光敏电阻的伏安特性测试实验（特性测试）
四、测试仪器的技术参数及结构原理
1、仪器的测量精度：
电压：0.01V 电流：0.01mA
2、光学参数
偏振片口径：35mm
3、导轨长度： 980mm 4、结构原理：
结构如图（一）所 示，在导轨上安置四个磁力滑座，分别将光源、起偏器、 减偏器、接收器插入滑座內。打开光源，调整光源，使平行光均匀入射到偏振片上，调整接收器使它们处于同一光轴。旋转偏振器的手轮刻度为零时通过的光能最强、刻度为90°时通过的光能最弱。通过旋转手轮改变入射到接收器的光强。根据光敏电阻特性：在一定照度下测量光敏电阻的电压与光电流的关系；在一定工作电压下，测量光敏电阻的照度与光电流的关系。
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1 2 3 4 5
1光源 2起偏器 3减偏器 4线性稳压电源 5接收器
（ 图一）
5、仪器接线表
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6、仪器的调整
目测调节光源、各偏振片、接收器、的中心轴大致等高，并处于同一轴线上，使出射光能均匀照射到光敏电阻并使光电流输出最大。
五、实验步骤
1、测试光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电阻
观察光敏电阻的结构,用遮光罩将光敏电阻完全掩盖,用万用表测得的电阻值为暗电阻R暗,移开遮光罩，在环境光照下测得的光敏电阻的阻值为亮电阻，亮电导与暗电导之差为光电导，光电导越大，则灵敏度越高。在光电器件模板的试件插座上接入另一光敏电阻，试作性能比较分析。 2、光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流
按照图(3)接线，电源可从+2~+8V间选用，分别在暗光和正常环境光照下测
出暗电流Id和亮电流IL,则光电流Ip=IL-Id，光电流越大则灵敏度越高。分别测出两种光敏电阻的亮电流，并和暗电做性能比较。 3．光敏电阻的光谱特性：
用不同的材料制成的光敏电阻有着不同的光谱特性，见图（2）光敏电阻的光谱特性曲线。
图（2）几种光敏电阻的光谱特性
当不同波长的入射光照到光敏电阻的光敏面上，光敏电阻就有不同的灵敏度。 更改发光光源，用高亮度LED（红、黄、绿、蓝、白）作为光源，其工作电源可选用直流稳压电源的正电源。所选限流电阻用1K～100K的可变电位器，首先应置电位器阻值为最大，打开电源后缓慢调小阻值，使发光管逐步发光并至最亮，当发光管达到最高亮度时不应再减小限流电阻阻值,确定限流电阻阻值后不再改变。依次将各发光管接入光电器件模板上的发光管插座，（各种光源的发光亮度
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可用照度计测得并可调节发光管电路使之光照度一致）。发光管与光敏电阻顶端可用一个黑色软管连接。分别测出光敏电阻在各种光源照射下的光电流，再用固体激光器作为光源，测得光电流，将测得的数据记入下表，据此作出两种光电阻大致的光谱特性曲线：
光源/光电流 光敏电阻I 光敏电阻Ⅱ 激光 红 黄 绿 蓝 白
4. 光敏电阻的伏安特性:
在一定光照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系。按照图(3)分别测得偏压为3V、6V、9V、12V时的光电流，并尝试高照射光源的光强，测得给定偏压时光强度的提高与光电流增大的情况。
图（3）光敏电阻的测量电路
将所测得的结果填入表格并作出V/I曲线。
偏压/光照度 150 300 450 600 750 900 背景光 3V 6V 9V 12V 5.光敏电阻的光电特性：
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在一定的电压作用下，光敏电阻的光电流与照射光通量的关系为光电特性。见图（4）所示。
图（4）光敏电阻的光电特性
通过旋转手轮改变入射到接收器的光强。根据光敏电阻特性：在一定照度下测量光敏电阻的电压与光电流的关系；在一定工作电压下，测量光敏电阻的照度与光电流的关系。将所测数据记入下表：
光通量/光电流 12V偏压（修改？） 光通量1 光通量2 光通量3 光通量4 光通量。。。
6. 光敏电阻的温度特性:
光敏电阻与其他半导体器件一样,性能受温度影响较大.随着温度的升高电阻值增大,灵敏度下降。请按图(3)测试电路，分别测出常温下和加温(可用电烙铁靠近加温或用电吹风加温，电烙铁切不可直接接触器件)后的伏安特性曲线。 或：置于暗光条件下，打开高亮度光源灯光，调节光源与光敏电阻的距离和照射角度，改变光敏电阻上入射光的光通量，观察光电流的变化。 7. 光敏电阻的频率特性:
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态值，光照突然消失时，光电流也不立刻为零。这说明光敏电阻有时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不相同。但多数光敏电阻的时延都较大，因此不能用在要求快速响应的场合，这是光敏电阻的一个缺陷。
六、光敏电阻的应用实例实验：
1，光电自动控制电路
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图（6）光电自动控制电路
见图（6）。VT1和VT2接成类似复合管电路形式，VT1的发射极电流也是VT
2的基极电流，R2既是VT1的负载电阻器又是VT2的基极限流电阻器。因此，当VT1基极输入微弱的电流（0.1mA），可以控制末级VT2较强电流——驱动电动机运转电流（500mA）的变化。VT1选用小功率NPN型硅管9013，hfe≈200。同前计算方法，维持两管同时饱和导通时VT1基极偏置电阻器R1约为3.3kΩ，减去光敏电阻器RG亮阻2kΩ，限流电阻器R1实取1kΩ。光敏传感器也可以采用光敏二极管，使用时要注意极性，光敏二极管的负极接供电电源正极。光敏二极管对控制光线有方向性选择，且灵敏度较高，也不会产生强光照射后的疲劳现象。 2．继电器光控电路
图（7）继电器光控电路
图（7）为继电器光控电路, 继电器K选用JRC—21F等超小型弱功率电磁继电器，线圈电压选6V，消耗功率0.36W。由于继电器线圈工作电流60mA，比玩具电动机工作电流小，比蜂鸣器、发光二极管工作电流大，因此设计电路时各元件参数介于两者之间，图中参数供参考。在图9继电器电路中，F为衔铁，D为常闭触点，E为常开触点。当有光照射光敏电阻时，继电器吸合，常开触点F－E接通，发光二极管VD1点亮，R2为限流电阻器。图9控制开关S换成干簧管开关、双
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金属复片开关，就可以进行磁控和热控自动控制了。继电器触点可以根据需要选用常开或常闭触点。由于继电器触点与传感控制电路隔离，选用JRX型继电器，其触点可以接220V交流电，直接驱动交流电用电器。（R1的阻值可选在2－10KΩ之间）
3．光控开关和报警电路
图（8）光控开关和报警电路及局部示意图
当光照度增加时，光敏电阻cds阻值减小，当光照度达到某一门限值以上时，VT1发射极电位上升使VT2饱和导通，VT2集电极电位接近于0，使音乐集成电路得到足够大的工作电流，喇叭发出音乐报警声。当光照度降到门限值以下时，VT2截止，VT2集电极电位接近于电源电压，音乐集成电路无电流，不工作。也可采用一级共发射极放大电路直接驱动音乐集成电路，但光照灵敏度会降低。在正常室光下，即使去掉RP1以增大基极电流，VT1也不会饱和，只有强光才能使VT1饱和导通从而使音乐片发出音响。若希望提高电路对光照反应灵敏度，可加大RP1或R1的阻值。音乐集成电路KD153由产生乐曲的芯片和一只NPN型三极管组成，三极管的作用是放大声音信号。音乐集成电路的电路连接图中悬空端为触发极M，该端输入一个正脉冲时，触发芯片工作，发出一段音乐；接高电平时，使芯片发出连续不断的音乐。本实验电路中M接的是高电平。电路中C为退耦电容，起滤波作用，保证电源电压稳定。
七、注意事项
(1)实验时请注意不要超过光电阻的最大耗散功率PMAX, PMAX=LV (2)光源照射时灯胆及灯杯温度均很高，请勿用手触摸，以免烫伤。
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(3)实验时对各种不同波长的光源的获取也可以采用在仪器上的光源灯泡前加装各色滤色片的办法，同时也须考虑到环境光照的影响。
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