实验报告1-4

北京航空航天大学光电子技术实验报告学院仪器科学与光电工程学院专业方向探测制导与控制班级组员尧爸爸指导教师实验时间：2016.05.11报告时间：2016.05.15I.光敏电阻特性及应用实验实验一光敏电阻特性实验一．实验目的：１．了解光敏电阻的工作原理。２．掌握使用本仪器测定光敏电阻的各种特性。３．了解从实验曲线中获取物理特性的方法。二．实验原理：利用具有光电导效应的半导体材料制成的光敏传感器叫光敏电阻，又称为光导管，是一种均质的半导体光电器件,其结构如图（1）所示，图（1）光敏电阻采用梳状结构是由于在间距很近的电阻之间有可能采用大的灵敏面积,提高灵敏度。光敏电阻应用得极为广泛，可见光波段和大气透过的几个窗口都有适用的光敏电阻，利用光敏电阻制成的光控开关在日常生活中随处可见，当内光电效应发生时，光敏电阻电导率的改变量为：pepnen在上式中，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。在一定的光照度下，为恒定的值，因而光电流和电压成线性关系。光敏电阻在未受到光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流，光敏电阻受到光照射时的阻值称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流，亮电流与暗电流之差称为光电流，一般暗电阻越大，亮电阻越小，光敏电阻的灵敏度越高，光敏电阻的暗电阻一般在兆欧数量级，亮电阻在几千欧以下，暗电阻与亮电阻之比一般在102～106之间。一般光敏电阻（如硫化铅、硫化铊）的伏安特性曲线如图（2）所示，由该曲线可知，所加的电压越高，光电流越大，而且没有饱和现象，在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增大，在设计光敏电阻变换电路时，应使光敏电阻的工作电压或电流控制在额定功耗线之内。图（２）光敏电阻伏安特性曲线光敏电阻的光电流与光照强度之间的关系，称为光敏电阻传感器的光照特性，不同类型的光敏电阻，其光照特性也不同，多数光敏电阻传感器光照特性类似于图（3）的特性曲线，光敏电阻的光照特性呈现出一定程度的非线性特性，光敏电阻的光照度——电阻值的典型特性曲线如图（4）所示，低照度a区曲线斜率较大，中间照度区b区可近似视为直线区，也是光敏电阻的主要工作区，因而光电流随光照度增长较快，在高照度区，电阻值随照度下降慢，光电流随照度增长也变慢。图（３）光敏电阻光照特性曲线图（４）光敏电阻照度—电阻特性曲线几种常用光敏电阻的光谱特性曲线如图（5）所示，对于不同波长的光，光敏电阻的灵敏度是不同的。从图中可以看出，硫化镉的峰值在可见光区域，而硫化铅的峰值在红外区域。因此，在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的结果。图（５）光敏电阻光谱特性曲线当光敏电阻元件温度升高时，光敏电阻的阻值会下降，并且暗电阻比亮电阻下降更多。环境温度对低照度时电阻值的影响比在高照度时影响更大，因此，当环境温度升高时，光敏电阻的亮电阻与暗电阻之差值会减小，这意味着光敏电阻的光电流会有所降低，图（6）示出了CdS光敏电阻在光照度一定时光电流与环境温度的关系曲线，可以看出环境温度上升时CdS光敏电阻的光电流会有所下降。图（６）光敏电阻温度特性曲线三．实验所需部件:直流稳压电源、光敏电阻、负载电阻（选配单元电位器）、数字电压／频率表、各种光源、遮光罩、固体激光器、光照度计（自备或选配）四．实验过程及数据处理１.测试光敏电阻的暗电阻、亮电阻并计算光电阻。观察光敏电阻的结构，用遮光罩将光敏电阻完全掩盖，用万用表欧姆档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电阻值为亮电阻Ｒ亮，暗电阻Ｒ暗与亮电阻Ｒ亮之差为光电阻Ｒ光，光电阻越大，则光敏电阻灵敏度越高。然后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。实验数据表格：暗电阻亮电阻光电组（暗电阻-光电组）光敏电阻I71.4M1.63k71.4M光敏电阻II40.8M21.9M18.9M２.测试光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流。按照图（8）接线，分别在暗光及环境光照射下测出输出电压Ｕ暗和Ｕ亮，电流Ｉ暗=Ｕ暗/Ｒ，亮电流Ｉ亮=Ｕ亮/Ｒ，亮电流Ｉ亮与暗电流Ｉ暗之差称为光电流Ｉ光，光电流越大则灵敏度越高。图（７）发光管连接电路图（８）光敏电阻测量电路实验数据处理;暗电压亮电压负载电阻暗电流亮电流光电流光敏电阻I5.01mV3.939V101.6k３.光敏电阻的伏安特性测试。按照图（8）接线，电源可从直流稳压电源±2～±10V间选用，每次在一定的光照条件下，测出当加在光敏电阻上电压为+2V、+4V、+6V、+8V、+10V时电阻R两端的电压U，和电流I，同时计算出此时光敏电阻的阻值光敏电阻伏安特性测试数据表（暗光）工作电压2V4V6V8V10VU（mV）0.0180.2781.5293.475.180.9976.1319.84730.6833.822R光（M）110.777888.2014477.88.2870.7319965.29344光敏电阻伏安特性测试数据表（正常环境光照）工作电压2V4V6V8V10VU（V）2.0043.9213.978.00210.1681.6731.6011.6441.6471.748R光（）1.6696611.6332571.6522611.6465881.719119光敏电阻伏安特性测试数据表（有光源照射）工作电压2V4V6V8V10VU（V）(R两端)3.9458.00714.10412.18910.21.0991.1361.37010.848890.56675R光（k）0.5571610.5675030.5828560.5571520.555637伏安特性曲线如下图：４.光敏电阻的光照特性测试。按照图（8）接好实验线路，负载电阻R选定10K，光源用高亮度卤钨灯（实验者可仔细调节光源控制旋钮，得到不同的光源亮度），从电源电压UCC=2V开始到UCC=10V，每次在一定的外加电压下测出光敏电阻在相对光照度从“弱光到逐步增强的电流数据，即：IphUR,(2V20K,4V40K,6V60K)，R同时求出此时光敏电阻的阻值，即：RgUccURIPh。这里要求尽量多测试（不少于15个）在不同照度下的电流数据，尤其要在弱光位置选择较多的数据点，以使所得到的数据点能够绘出较为完整的光照特性曲线。光敏电阻光照特性测试数据表（电压：2V电阻：20k）照度012345678910UR（伏）0.1730.7651.3981.6691.7851.8421.8741.8941.9071.9171.924光电流（uA）8.6538.2569.983.4589.2592.198.799.295.295.8596.2光敏电阻光照特性测试数据表（电压：4V电阻:40k）照度012345678910UR（伏）0.3662.0963.2683.6443.7863.8483.8653.9063.9213.933.937光电流（uA）9.1552.481.791.194.6596.296.62597.6598.02598.2598.425光敏电阻光照特性测试数据表（电压：6V电阻：60k）照度012345678910UR（伏）1.0793.7865.2745.6325.7885.8555.8945.9165.9315.945.947光电流（uA）17.983363.187.993.86796.46797.58398.23398.698.859999.117根据以上实验数据画出光敏电阻的一组光照特性曲线。５.光敏电阻的光谱特性测试。不同的半导体材料制成的光敏电阻有着不同的光谱特性，见图（５），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。照图（8）接线,其工作电源可选用直流稳压电源的负电源，用高亮度LED（红、黄、绿、蓝、白）作为光源，发光电源可选用直流稳压电源的正电源。发光管的接线可参照图（（7）。限流电阻用选配单元上的10K～60K档电位器，首先应置电位器阻值为最大，开启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改变限流电阻阻值，依次将各发光管接入光电器件模板上的发光管插座。发光管与光敏电阻顶端可用附件中的黑色软管连接（透镜对透镜），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.实验二光敏电阻的应用-----暗灯控制一．实验目的：１.了解光敏电阻的应用。二．实验原理:本实验为一种当有光照射时切断电路，无光照射时接通电路的暗通型光电控制器电路，当光照消失（无光照）时，光敏电阻CdS的阻值增大，处理电路中的晶体管T基极电压升高，T导通，集电极负载LED流过的电流增大，LED发光管发光。三．实验所需部件:光敏电阻、“光敏灯控”单元、发光二极管、数字电压／频率表四．实验步骤:１．按照仪器面板所示，将光敏电阻对应接入“光敏灯控”单元的“光敏入”，“发光管”端口与“发光二极管Ⅰ”相接，输出端Vo接数字电压／频率表20V档。２．确认无误后，开启仪器电源，调节“暗光控制”电位器，使在实验室光照环境下发光管不亮。３．然后改变光照条件，分别用白纸、带色的纸和遮光罩改变光敏电阻的光照，当光照变暗到一定程度时发光管变亮，这就是日常所用的暗光街灯控制电路的原理。４．根据暗通电路原理，试设计一个亮通控制电路。五.实验结果1.暗通上图分别为在亮光条件、白纸和遮光罩遮光条件下发光二极管的亮度2.亮通设计如下：效果图如下：实验总结：1，光电子实验预习报告很重要，步骤明确，需测量也标明的很清楚，只是实验重复性大，测的数据多，需要耐心进行实验。2，实验仪器存在误差，量程不够等问题，另外，由于实验对光照条件要求较高，而做实验时候不太能满足要求，故实验数据不准。还有做光照特性实验读数时，由于数据持续变化，导致读数不准确等等问题。3，实验时，仪器有缺漏（比如只有一个光敏电阻，无激光相关器件等等），所以建议老师下次可否使实验器材齐全。