光敏电阻特性测量仪

一、实验目的

1．了解光敏电阻的基本原理及特性。

2．了解LED发光二极管的驱动电流和输出光功率的关系；

3．掌握光敏电阻应用方法。

二、实验设备

1．THQGM―1型光敏电阻特性实验仪；

2．双踪示波器。

三、实验原理

1．光敏电阻：

光敏电阻又称光导管，它的工作原理是基于光电导效应：在无光照时，光敏电阻具有很高的阻值，在有光照时，当光子的能量大于材料禁带宽度，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，激发出可以导电的电子—空穴对，使电阻降低；光线愈强，激发出的电子—空穴对越多，电阻值越低；光照停止后，自由电子与空穴复合，导电性能下降，电阻恢复原值。光敏电阻几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，若在两端加一电压，则电路中的电流随光强弱而变化，这种现象在非接触式光电控制中十分有用。使用时既可加直流电压，也可加交流电压，光敏电阻的暗电阻一般为兆欧级，亮电阻在千欧以下。

图1为光敏电阻的原理结构。它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质，半导体的两端装有电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。其时间常数一般在毫秒级，光敏电阻具有特性稳定、寿命长、价格低等优点。

     图1

光敏电阻通常用在陶瓷或硅衬底上沉积一层半导体材料CdS或CdSe制成。外覆一层透明树脂构成光学透镜用于光的聚焦，CdS或CdSe半导体材料在无光照射状态下，自由载流子很少，当受光照射时，载流子增加，电阻减小。其值与所用材料和制作工艺等相关，伴随着电阻的改变，其光响应时间也会改变。光敏电阻对不同的光波长，其灵敏度也不同。CdS的峰值响应波长在600nm附近 ，CdSe的峰值响应波长在750nm附近。

光敏电阻的特性：

（1）光谱特性

光敏电阻对不同波长的光，光谱灵敏度不同，而且不同种类光敏电阻峰值波长也不同。光敏电阻的光谱灵敏度和峰值波长与所采用的材料、掺杂浓度有关。图2为硫化镉、硫化铅硫化铊光敏电阻的光谱特性曲线。由图可见，硫化镉光敏电阻可见光区域，接近人的视觉特性；而硫化铅在红外区域。

图2   光敏电阻的光谱灵敏度

（2）伏安特性

     在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系，称为伏安特性。硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线如图3所示，由曲线可知，在给定的偏压下，光照度越大，光电流也越大，在一定的光照度下，电压越大，光电流也越大，且没有饱和现象。但是不能无限制地提高电压，任何光敏电阻都有最大额定功率，最高工作电压和最大额定电流，超过最大工作电压和最大额定电流，都可能导致光敏电阻永久性损坏。耗散功率500mW

图3   光敏电阻的伏安特性

（3）响应时间和频率特性

在阶跃脉冲光照射下，光敏电阻的光电流要经历一段时间才达到最大饱和值，光照停止后，光电流也要经历一段时间才下降到零。这是光电导的弛豫现象，通常用响应时间来描述。响应时间又分为上升时间、和下降时间、，如图4所示。

图4   光敏电阻的响应时间

常用时间常数来描述响应时间的长短。光敏电阻的时间常数在数量级。实验表明：光敏电阻的响应时间与前历时间有关，在暗处防置时间越长，响应时间越长；响应时间也与照度有关，照度越大，响应时间越短。由于不同材料光敏电阻有不同的响应时间，因而它们的频率特性也不相同。图5表示不同材料光敏电阻的频率特性，即相对光谱灵敏度与照度调制频率的关系曲线。

图5   光敏电阻的频率特性

2.LED的工作原理：

当某些半导体材料形成的PN结加正向电压时,空穴与电子在PN结复合时将产生特定波长的光，发光的波长与半导体材料的能级间隙有关。发光波长可由下式确定：

                            (1)

式（1）中h为普朗克常数，c为光速。在实际的半导体材料中能级间隙有一个宽度，因此发光二极管发出光的波长不是单一的，其发光波长半宽度一般在25～40nm左右，随半导体材料的不同而有差别。发光二极管输出光功率P与驱动电流I的关系由下式决定：

                            (2)

式2中，为发光效率，是光子能量，是电荷常数。

式（2）表明LED输出光功率与驱动电流呈线性关系，当电流较大时由于PN结不能及时散热，输出光功率可能会趋向饱和。本实验用一个驱动电流可调的红色超高亮度发光二极管作为实验用光源。系统采用的发光二极管驱动和调制电路如图6所示。信号调制采用光强度调制的方法，发送光强度调节器用来调节流过LED的静态驱动电流，从而改变发光二极管的发射光功率。设定的静态驱动电流调节范围为0～20毫安，对应面板上的光发送强度驱动显示值为0～2000单位。正弦调制信号经电容、电阻网络及运放跟随隔离后耦合到放大环节，与发光二极管静态驱动电流迭加后使发光二极管发送随正弦波调制信号变化的光信号，如图7所示，变化的光信号可用于测定光敏电阻的频率响应特性。

图 6. 发送光的设定驱动和调制电路框图。

图 7. LED发光二极管的正弦信号调制原理

3．光敏电阻的应用方式

光敏电阻可以有各种应用方式，图（8）所示光敏电阻以一个电阻R1串取，R1固定不变，当光照增加时，光敏电阻Rm减小，更多的电流流过R1两端，输出电压增加，图（9）所示光敏电阻用于可变频率振荡器，振荡器频率依赖于入射光强度。当光增加，Rm减小，振荡器频率增加。图（10）所示光敏电阻作为一放大倍数可变的增益电阻。当入射光强改变时，Rm变化，输出电压Vo改变，VO的值为

图（11）所示光敏电阻用于发光管的控制。当入射光强改变时，Rm变化，改变灯的状态。

图8

图 9

图 10

图 11

四、实验内容与步骤

1．光敏电阻阻值与输入光信号强度关系特性测定

打开仪器电源，调节发光二极管静态驱动电流，其调节范围为0～20mA，将功能转换开关分别打到关，将光敏电阻输出断连接到图5所示电路位置，将电压放大器输出端连接到数字电压表头的输入端，分别测定光敏电阻阻值与输入光信号关系。记录数据并在同一张方格纸上作图。

2．光敏电阻的频率响应

将功能转换开关分别打到开，在LED偏置电流为5mA与10mA下，在信号输入端加正弦调制信号，使LED发送调制的光信号，保持输入正弦信号的幅度不变，调节信号发生器频率，用示波器观测并测定记录发送光信号的频率变化时，光敏电阻输出信号幅度的变化，比较光敏电阻在不同光强度下的实验结果，分析原因。

3．光敏电阻作为可控电位器

将光敏电阻输出断连接到图3所示电路位置，分压器输出端连接到数字电压表头的输入端，从0～20mA调节发光二极管静态驱动电流，实验测定光敏电阻分压器输出电压随输入光强的关系曲线。

4．光敏电阻可控振荡器

将光敏电阻输出断连接到图4所示电路位置，将振荡器输出端连接到示波器，从0～20mA调节发光二极管静态驱动电流，实验测定光敏电阻振荡器输出频率随输入光强的关系曲线。

5．光敏电阻可控开关

将光敏电阻输出断连接到图6所示电路位置，从0～20mA调节发光二极管静态驱动电流，实验测定当LED灯开关时输入光强值，分析其开关特性。

五、思考题

1．光敏电阻的值为何与入射光波长有关？

2．光敏电阻光控开关开和关时的输入光强值是否一样，为何要做的不一样？