光伏探测器光电特性实验讲义

-9-光伏探测器光电特性实验光电二极管与光电池是根据光伏效应制成的pn结光电器件，短路电流与入射光强成正比是其一个突出优点，在精确测量光强时常用作光探测器。光敏电阻是基于光电导效应原理工作的半导体光电器件，灵敏度高，体积小，重量轻，常用于自动化技术中的光控电路。【实验目的】观测光电二极管的光电特性；观测光电池的光电特性。【仪器仪器】光电二极管，光电池，直流电源，小灯泡（6V，0.15A），数字万用电表两块（其中一块表有直流电流200量程），电阻箱，实验暗箱等。如图1所示。图1光伏探测器光电特性实验仪实验装置技术指标1．直流电源0-4V连续可调，显示分辨率0.01V；2．电阻箱 0-99999.9Ω可调，分辨率0.1Ω；3．数字万用表 电流测量分辨率0.01（20档）；4．光敏电阻 暗电阻大于4；5．小灯泡 额定电压6.3V，额定电流0.1A。6.传感器移动范围 约17cm【实验原理】光伏效应当光照射在pn结上时，由光子所产生的电子与空穴将分别向n区和p区集结，使pn结两端产生电动势。这一现象称为光伏效应，如图2所示。利用半导体pn结光伏效应可制成光伏探测器，常用的光伏探测器有光电池、光电二极管、光电三极管等。图2pn结光伏效应原理图光电池是根据光伏效应制成的pn结光电器件。不需要加偏压就可以把光能转化为电能。光电池的用途，一是用作探测器；二是作为太阳能电池，将太阳能转化为电能。光电池的结构示意图及应用电路如图图2pn结光伏效应原理图（b）（a） （b）（a）图图3光电池的结构示意图（a）及基本应用电路（b）光电池的光照特性主要有伏安特性、入射光强-电流（电压）特性和入射光功率-负载特性。光照下的pn结特性光照下pn结的伏安特性曲线如图4所示。无光照时，pn结的伏安特性曲线和普通二极管的一样。有光照时，pn结吸收光能，产生反向光电流，光照越强，光电流越大。图4光伏探测器的伏安特性曲线图25-3光伏探测器的伏安特性曲线光伏器件用作探测器时，需要加反偏压或是不加偏压。不加偏压时，光伏器件工作在图4的第四象限，图4光伏探测器的伏安特性曲线图25-3光伏探测器的伏安特性曲线光电池按照光伏模式工作在图4的第四象限。有光照时光电池的电流为， （1）式中q为电子电荷量，k为玻尔兹曼常数，T为结温（单位为K），I为总电流，U为光电池的输出电压，Is为反向饱和电流，IL为光电流。光生电流IL与光照有关，随光照的增大而增大，呈线性关系。光电池的开路电压和短路电流在pn结开路时，总电流为零，光电池的输出电压称为开路电压UOC。将代入式（1），即可得到开路电压UOC与光照E的对数成正比。如果将pn结短路，输出电压为零，将代入式（1），即可得到短路电流Isc与入射光照度E成正比。从图4的伏安曲线上也可以得到UOC和Isc，伏安曲线与电压轴的交点为开路电压UOC，与电流轴的交点为短路电流Isc。光电池的短路电流和开路电压与入射光照度的关系如图5所示。图6硅光电池的光照伏安特性曲线图5光电池的开路电压、短路电流与入射光强的关系 图6硅光电池的光照伏安特性曲线图5光电池的开路电压、短路电流与入射光强的关系短路电流Isc与入射光强成正比是光电池的一个突出优点，因而在精确测量光强时常用光电池作为光探测器。实际测量时都要外接负载电阻RL，当RL相对于光电池的内阻很小时，可以认为接近短路。显然，负载愈小，光电流与照度之间的线性关系愈好，且线性范围愈宽。光电池的输出功率和负载特性光电池作为电源使用时，其输出功率与负载电阻RL有关。光电池工作在零偏压下，因此其伏安曲线（图6）是在某一光照下，取不同负载电阻RL测得的输出电压和输出电流绘制而成。由输出电压和电流数据，可计算得到光电池的输出功率P和负载电阻RL，作输出功率P与负载电阻RL的关系曲线，即可得到光电池的最大输出功率Pmax及相应的负载电阻RL，max。光电二极管光电二极管的结构与一般二极管相似，管子封装在透明玻璃外壳中，它的pn结装在管顶，便于接受光的照射。光电二极管的光照特性如前所述，没有光照时，光电二极管的反向电阻很大，反向电流很小（一般为纳安数量级），光电二极管处于截止状态；受光照时光电二极管处于导通状态，光电流的方向与反向电流一致，光线越强，光电流越大。图7光电二极管基本应用电路光电二极管可以按光电伏型模式工作（即不加外偏压），也可以按光电导型模式工作（外加反向偏压）。硅光电二极管通常用作检测元件，工作在负偏压下，其光电线性好，而且响应快。基本应用电路如图图7光电二极管基本应用电路【实验内容】观察光电二极管的光电特性。用数字万用电表二极管测试档确定光电二极管的正负极。使用数字万用表直流电压量程开路电压UOC。改变光照条件，观察UOC的变化。用数字万用电表直流电流200量程（200档内阻约为）粗测光电流I。改变光照条件，观察光电流I的变化。测量光电二极管处于光伏型模式的光电特性。令光电二极管工作在零偏压下，用电阻箱作为负载电阻，光源使用小灯泡（6.3V，0.15A）。固定小灯泡的工作电流，使灯泡的发光强度不变。改变小灯泡和光探测器的距离，利用照度与成反比的关系，测量光电二极管的光电线性（相对）。测量光电二极管的短路电流与入射光照度的关系。测量光电二极管的开路电压与入射光照度的关系。测量光电二极管处于光电导模式的光电特性。连接电路如图7。设计实验方案，测量光电二极管的光电特性。【思考题】什么是光伏器件的开路电压？和通常说的二极管的正向导通电压有何不同？什么是短路电流？【注意事项】万用表是比较精密的仪器，如果使用不当，不仅造成测量不准确且极易损坏。1.数字万用表使用前应掌握被测量元器件的种类，大小，选择合适的量程，测试表笔的位置等。2．使用数字万用表电流档前请务必检查表笔是否正确插在电流测量的插座，否则易造成损坏；3.如果不知道被测电压或电流的大小，应先用最高档，而后再选用合适的档位来测试，以免表针偏转过度而损坏表头。所选用的档位愈靠近被测值，测量的数值就愈准确。4.测量电阻时，不要用手触及元件的裸体的两端（或两支表棒的金属部分），以免人体电阻与被测电阻并联，使测量结果不准确。5.在测量时若显示屏始终显示数字“1”

实验二十四测量光敏电阻的光电特性【目的要求】了解光电导型光电传感器特点；测量光敏电阻的光电特性。【仪器用具】光敏电阻，直流电源，小灯泡（6V，0.15A），数字万用表两块，电阻箱，电位器，实验暗箱等。【实验原理】光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器，它可以用于检测直接引起光量变化的非电量，也可用于检测能转换成光量变化的其他非电量。光电式传感器具有响应快、性能可靠、能实现非接触测量等优点，因而在检测和控制领域获得广泛应用。基于光电效应原理工作的光电转换元件称为光电器件或光敏元件。光电效应一般分为外光电效应、光电导效应和光生伏打效应（简称光伏效应），相对应的光电器件也有以下三种类型：光电发射型、光电导型和光伏型。本实验介绍光电导型光电器件。大多数的高电阻率半导体受光照射吸收光子能量后，产生电阻率降低而易于导电的现象，这种现象称为光电导效应。这里没有电子自物质内部向外发射，仅改变物质内部的电阻，因此光电导效应属于内光电效应。光敏电阻就是基于光电导效应原理工作的半导体光电器件。光敏电阻光敏电阻的结构如图24-1所示。先在绝缘衬底上均匀地涂一层具有光电导效应的半导体材料，作为光电导层，在光电导层薄膜上蒸镀金属形成梳状电极，然后接出引线并用带有玻璃的外壳严密地封装起来，以减少潮湿对灵敏度的影响。光敏电阻的灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定，价格便宜，因此在自动化技术中应用广泛。（b）（a（b）（a）图24-2图24-2光敏电阻基本应用电路图24-1光敏电阻的结构图（a）和封装图（b）在受到光照时，光敏电阻的电阻值下降，光线越强，阻值越低；光照停止，阻值又恢复原值，光敏电阻的基本应用电路如图24-2所示，在外加电压（直流偏压或交流电压）作用下，电路中的电流及其在负载电阻RL上的压降将随光线强度变化而变化，这样就将光信号转换成了电信号。在室温条件下，光敏电阻在全暗后经过一段时间测得的电阻值，称为暗阻Rd；此时在给定工作电压下流过光敏电阻的电流称为暗电流Id。光敏电阻在某一光照条件下的阻值，称为该光照下的亮电阻Rb；此时流过光敏电阻的电流称为亮电流Ib。亮电流和暗电流之差为光电流IL：。 （24.1）亮阻和暗阻之差越大，说明光敏电阻的性能越好，灵敏度越高。实用光敏电阻的暗阻一般在兆欧数量级，亮阻在几千欧以下，暗阻和亮阻之比一般在102-106之间。光敏电阻的光照特性和伏安特性了解光电器件的基本特性对于合理选用光电器件非诚重要，这里只介绍光敏电阻的光照特性（也称光电特性）和伏安特性。当光电器件电极上的电压一定时，光电流IL与入射到光电器件上的光照度E之间的关系称为光照特性。光敏电阻的光照特性如图24-3所示，图中入射光照度E的单位是lx。由图中可以看出，光敏电阻灵敏度高，但是其光照特性为非线性，一般不宜做测量元件，在自动控制中多用做开关元件。例如，照相机里的电子快门电路和路灯自动控制电路都使用光敏电阻作为光电传感元件。图24-4硫化镉光敏电阻的伏安特性图24-3硫化镉光敏电阻的光照特性 图24-4硫化镉光敏电阻的伏安特性图24-3硫化镉光敏电阻的光照特性在一定光照下，光敏电阻的电流I与所加电压U的伏安特性如图24-4所示。从图中可以看出，光敏电阻是一个纯电阻，其伏安特性线性良好。在不同光照条件下的伏安曲线斜率不同，相应光敏电阻的阻值不同。在给定偏压下，光照度越大，电流也越大。在一定光照下，电压越大，电流越大，而且没有饱和现象。但是不能无限度地提高工作电压。光敏电阻的最高使用电压要由它的耗散功率所决定，而光敏电阻的耗散功率又与其面积大小和散热条件等因素有关。图24-4中的虚线划分出了额定功耗区，使用时应注意不要使电阻的功率超过额定功耗区（也就是说，横纵坐标（及电压和电流）的乘积不能超出虚线之外）。使用光敏电阻时还需要注意元件的光谱特性、温度特性和频率特性，以及使用注意事项。例如，光源光谱特性必须与光敏电阻的光敏特性相匹配；要防止光敏电阻受到杂散光的影响等。点光源的距离平方反比定律任何一个光源都可以看做是由一系列点光源组合而成的。当一个光源的发光部分远远小于光源到测量点的距离时，可以将这个光源近似看做点光源。均匀点光源向空间发射光波时遵循距离平方反比定律：点光源在传播方向上某一点的照度E和该点到光源的距离r的平方成反比。如果点光源在某一方向上单位立体角内发出的光通量为，则。在垂直光传播方向单位面积上的照度E与光源的发光强度I成正比，与该点到光源的距离r的平方成反比：。 （24.2）光通量的单位是lm，照度E的单位是lx（流[明]），发光强度I的单位是cd（坎[德拉]）。在实验中测量光电元件的光照特性时，可利用上述点光源的距离平方反比定律，调控入射光照度。将小灯泡近似看作为点光源，如果探测器与光源的距离足够远，且探测器的受光面垂直于光传播方向，点光源的发光强度不变，可以近似认为，探测器接受到的光照度随距离r的平方衰减。【实验内容】在进行光电实验时，可将实验仪器用具置于一个实验暗箱中，这样可以屏蔽杂散光对实验的影响。用数字万用表测量光敏电阻阻值，并观察光敏电阻特性。分别测量室内光照明条件、闭光和强光照射下的光敏电阻阻值。用手靠近光敏电阻时，其阻值是否有变化，为什么？在闭光条件和见光条件下测量光敏电阻的伏安特性曲线。测量电路如图24-2，RG是光敏电阻，RL是负载电阻，用小灯泡作为光源，固定小灯泡和光敏电阻的距离，即在某一光照条件下进行测量；用电阻箱作为负载电阻，用数字万用电表分别检测光敏电阻上的电压和负载电阻的电压，通过算出光敏电阻的电流。分别测量光敏电阻在闭光条件和见光条件下的伏安特性曲线。根据测量数据算出光敏电阻的暗阻和亮阻值。测量光敏电阻的光照特性（相对）。以小灯泡为光源，固定小灯泡的电流，使光源发光强度恒定；调整探测器的接受面和光源发光方向垂直；改变光敏电阻和光源的距离，观测的变化。以实验结果说明光敏电阻光照的非线性特性。

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