光电池光敏电阻综合实验仪说明书LM07A

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1、光电池/光电器件综合实验仪说明书光电池光敏电阻综合实验仪说明书（LM07-A）1引言 在光电子学技术中，光电探测器是能把光信息转变成电信息，从而便于测量的重要器件。光电探测器根据它们的物理效应又可分为两大类：光子效应和光热效应。光敏电阻和光电池是光子效应中内光电效应的元件。2实验设备0.8m铝合金导轨 ,一维光具座2个、LED光源1个、LED电源1个、光电池1个、光敏电阻1个、光电二极管1个、光电池光敏电阻电机箱、数字检流计。3实验原理，实验步骤及实验举例3.1 光敏电阻部分3.1.1 光敏电阻的工作原理 光照下物体的电导率改变的现象为内光电效应，光敏电阻是基于此效应工作的元件。当内光电效应发

2、生时，固体材料吸收的能量使部分价带电子迁移到导带，同时在价带中留下空穴。这样材料中的载流子数目增加，材料的电导率也就增加，它的改变量为： （1）为电荷电量，为空穴浓度的改变量，为电子浓度的改变量，为空穴的迁移率，为电子迁移率。 当光敏电阻两端加上电压U后，光电流为： （2）A为与电流垂直的截面积，d为电极间的距离。由（1）与（2）式可知，光照一定时，光敏电阻两端所加电压与光电流为线性关系，为电阻特性。该直线过零点，其斜率反映在光照下的阻值状态。光敏电阻的基本特性有：伏安特性，光照特性，光谱特性等。本实验做其伏安特性和光照特性。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。

3、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量之间的关系。本实验所用光敏电阻其材料为硫化镉（CdS），这也是光敏电阻的常用材料。3.1.2 实验装置图1：（实验装置与稳压器接线图） LM07-A光源为白色发光二极管，它具有效率高，体积小，耗电少和寿命长等优点，且改变电源电压可以改变LED灯亮度。3.1.3 实验步骤通过以下5个步骤的工作，学生可以测量出光敏电阻的伏安特性和光照特性，并绘制出特性的图象，加深理解光敏电阻阻值光强之间的关系。（1）接通所有用电装置的电源。只打开LED光源的电源开关（开到最大）。（2）白色发光二极管放置在光具座的最左边，最后把光敏元件装盘也放置在光具座上。如图

4、1所示那样.（3）将光对准聚焦到光电阻位置，光敏元件箱的导线接到稳压源“光敏电阻”接口处，再把光电流计导线接入电机箱“光电流”接口处，将电机箱上的光电阻开关拨到开的位置。（4）此时打开稳压源和光电流计的电源开关以及光敏电阻开关，做伏安特性的实验。开始调节稳压源对光敏电阻加外部电压，电压调节旋钮打到10V，再略微调节光电流计的增益 使得光电流达到1400微安到1600微安之间（注意不要使光电流计饱和）。从10V降至1V，记下光电流的数值。调节加载电压，改变光源亮度，重复以上实验内容，通过改变LED电源电流值，可以改变光敏电阻与LED灯距离来改变光敏电阻接受到的光强，定性分析光强于光敏电阻阻值的关

5、系。按从亮到暗的顺序把记录下的数据填写在如下表格中：表1距离（cm)IPH/uAU=0VU =2VU=4VU =6VU=8VU=10V根据以上数据可以绘制出伏安特性图。根据所得伏安特性图得到每个光强即电流值下的光电阻值，并绘制图形。根据实验所得的图象和数据分析光电阻和光强的关系。3.2 光电池部分3.2.1光电池的工作原理光电池又叫光伏电池，它是把外界的光转为电信号或电能。实际上这种光电池是由大面积的PN结形成的，即在N型硅片上扩散硼形成P型层，并用电极引线把P型和N型层引出，形成正负电极。为防止表面反射光，提高转换效率，通常在器件受光面上进行氧化，形成二氧化硅保护膜。短路电流和开路电压是光电

6、池的两个非常重要的工作状态，它们分别对应于和的情况。在黑暗状态下光电池在电路中就如同二极管。因此本实验要测量出光电池在光照状态下的短路电流Isc和开路电压Uoc，最大输出功率PM和填充因子FF以及在黑暗状态下的伏安特性。在=0情况下，当光电池外接负载电阻时，其输出电压和电流均随变化而变化。只有当取某一定值时输出功率才能达到最大值，即所谓最佳匹配阻值，而则取决于光电池的内阻。由于和均随光照强度的增强而增大，所不同的是与光强的对数成正比，与光强(在弱光下)成正比 ，所以亦随光强度变化而变化。 、和都是光电池的重要参数。最大输出功率与和乘积之比，可用下式表示： (4-18-3)上式中FF是表征光电池

7、性能优劣的指标，称为填充因子，填充因子一般在0.50.8之间。黑暗状态下的光电池工作如图图2此时加在它上面的正向偏压U与通过的电流I之间关系式为： （4）式中I0和是常数，=1.38x10-23x300/1.602X10-19=2.6*10-2 V在光照状态下，如果设想光电池是由一理想电流源，一理想二极管，一并联电阻Rsh与一个电阻RS所组成，那么光电池的工作如图： 图3图中Iph为光电池在光照时该等效电源输出电流，Id为光照时，通过光电池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得： （5） （5）式中，I为光电池的输出电流，U为输出电压。由（4）式可得 （6）假设 和 光电池可简化为：图4这里，。在

8、短路时，而在开路时，；可以得到： （7）（7）式即为在和的情况下，光电池的开路电压UOC和短路电流ISC的关系式。其中UOC为开路电压，ISC为短路电流。3.2.2 实验步骤通过以下步骤的实验，学生可以从总了解光电池的光伏特性和二极管特性。（1）接通光源用电装置的电源。只打开LED光源的电源开关，并把可调电阻打到最小。（2）打开电机箱，打开光电池的明开关和暗开关，将数字检流计的增益旋转到最小，电压表挡打在U2，光电池此时的电流为短路电流。（3）光聚焦到光电池位置，光电池接到稳压源“光电池”接口处，再把光电 流计导线接入电机箱 “光电流”接口处，将光敏电阻开关拨到关的位 置。（4）此时调节稳压源

9、上的可调电阻，由最小调到最大，可以看见光电流的变化，每调一次电阻值，都要记录下光电池的电压和光电流，直到电压在相邻两次到三次调电阻时都保持不变化为止（保持稳定），这说明光电池已经达到其开路状态，把记录下的所有数据填写在如下表格中：表3电压U/V光电流I/A电阻（K）功率P（uW）所得数据为不同负载下，光电池的光电流和电压，计算出功率和电阻的数值，并绘制图象，找出功率的最大值，利用公式： （8）计算出光电池的填充因子FF（6）把可调电阻调到最小，改变LED灯与光电池距离，即改变光电阻接收到的光强，观察光电流计的数值变化，记录下来。每调节一次，把电阻调到最大，记录下此时的开路电压，把电阻调到最小，

10、记录下此时的短路电流，依照此法做几次，直到光强很弱，光电流小到可以近似为零为止。把记录下的所有数据填写在如下表格中：表4距离（cm）I/uAUOC/V 绘制出图象，并分析短路电流与开路电压之间的关系。 （7）关闭光源的电源和光电流计，封闭光电池的入射孔，使光电池处于全暗状态，并把可调电阻调到最大（10k），把电压档打到U1,此时测量光电池两端电压，由此可以计算串联的电阻电压，计算光电池电流。此时光电池如同一二极管在工作，打开暗开关，给它加正向偏压，由0.1V到1V，并记录下光电池负载电阻的电压变化，绘制表格如下：表5u1u2()I(uA)由数据绘制图象，把它与二极管加正向偏压下工作比较。3.3

11、光电二极管部分3.3.1光电二极管工作原理光敏二极管又称光电二极管，它与普通半导体二极管在结构上是相似的。在光敏二极管管壳上有一个能射入光线的玻璃透镜，入射光通过透镜正好照射在管芯上。发光二极管管芯是一个具有光敏特性的PN结，它被封装在管壳 内。发光二极管管芯的光敏面是通过扩散工艺在N型单晶硅上形成的一层薄膜。光敏二极管的管芯以及管芯上的PN结面积做得较大，而管芯上的电极面积做得较 小，PN结的结深比普通半导体二极管做得浅，这些结构上的特点都是为了提高光电转换的能力。另外，与普通半导体二极管一样，在硅片上生长了一层SiO2保护层，它把PN结的边缘保护起来，从而提高了管子的稳定性，减少了暗电流。

12、光敏二极管与普通光敏二极管一样，它的PN结具有单向导电性，因此，光敏二极管工作时应加上反向电压，如下图所示。当无光照时，电路中也有很小的反向饱和漏电流，一般为A (称为暗电流)，此时相当于光敏二极管截止;当有光照射时，PN结附近受光子的轰击，半导体内被束缚的价电子吸收光子能量而被击发产生电子一空穴对。这些载流子的数目，对于多数载流子影响不大，但对P区和N区的少数载流子来说，则会使少数载流子的浓度大大提高，在反向电压作用下，反向饱和漏电流大大增加，形成 光电流，该光电流随入射光强度的变化而相应变化。光电流通过负载RL时，在电阻两端将得到随人射光变化的电压信号。光敏二极管就是这样完成电功能转换的。

13、图53.3.2光电二极管的特性测试实验 将把光电二极管盒的线接到光电阻位置，打开光电阻开关。此时，光电二极管内部线路以接成了反向电路，所加电压为反向电压，将光电检流计接入光电流接口。固定电压，旋转检偏器的角度，改变检偏器与起偏器夹角即改变入射光强，此时观察光电流的变化。改变电压重复上述实验。按量度从亮到暗顺序记录数据表6距离（cm)IPH/AU=0VU =2VU=4VU =6VU=8VU=10V由所得数据绘制图象，分析电流与光照度和电压的关系。（10）实验完毕关闭所有电源开关。3.4 实验举例：3.4.1 光敏电阻伏安特性与光照特性：表7距离IPH/uAU=0VU =2VU=4VU =6VU=

14、8VU=10V5.5023147070595611895.8022946369993211746.0021743466287811096.201953905937889936.401603154796328046.601092123154215306.80681311902533183.4.2 光电池光照放电与黑暗状态下工作光照状态下开路电压，功率的变化情况：表8电压U/V光电流I/A电阻（K）功率P（uW）082000.14811.72811.340.20792.53115.80.25743.37818.50.29694.20320.010.31674.62720.770.3264520.4

15、80.34605.66720.40.35566.2519.60.37507.418.50.38468.26117.480.403810.52615.2计算出其电阻值和功率，并绘制图形：由上两图可以看出：1. 光电池的短路电流为82uA, 开路电压为0.41V，此时光电流并不完全为零，为什么？因为还有小部分无所不在的环境光影响，使得光电池还有微弱的电流输出，如果再加大电阻，可以发现开路电压出现波动并略微上升至0.42V左右不再变化，而且输出的光电流还能略微下降，这些就是由环境光影响而造成的。用手遮住光电池的入射孔，光电流立刻为零，电压停在0.41V左右不再变化了。2.最大功率为P=20.77uW

16、，此时对应的电阻为R=4.627KOM。根据公式：计算出光电池的填充因子为0.6332。光照强度与开路电压的关系：表9距离I/uAUOC/V5.52580.485.82320.476.01900.466.21230.446.4550.386.6350.326.8200.22 从上图看出，光电流与光照强度之间成线性关系，即。从这步实验可以看出，当光照强度减弱时，光电池的输出电流与开路电压都在减小。黑暗状态下工作：表10UU2(v)I(uA)0.190.1360.250.1960.410.3560.480.4260.60.5370.650.5780.70.59110.750.6150.780.61

17、80.810.6210.890.6290.90.630 由点图看出，光电池工作状态与二极管加正向偏压下类似。3.4.3 光电二极管的伏安特性表11距离IPH/AU=0VU =2VU=4VU =6VU=8VU=10V5.591261261261261265.881151151151151156.0691919191916.2461616161616.4331313131316.6210101010106.81444444实验注意事项：41数字检流计在调节过程中容易饱和，所以一般情况下不要把增益调到光电流值最大或近似最大，避免饱和产生。42不要同时打开光电池和光敏电阻检测开关，做哪一种测试就开哪一种开关，避免互相干扰，测不准或出现错误。43在做光电池光照特性实验时，不要调节“供给电压”的旋钮，此时它应该打到最小为零，不然稳压电源将给光电池供电了，而不是光电池本身放电，出现严重的错误。44在把光电池远离光源的挪动中，注意要始终保持光源照到光电池上，不要挪歪了。此时可以用一白纸不时的检查以下光斑是否对中。45不要用手触摸透镜，偏振器等光学元件。46实验完毕关掉所有电源的开关。5. 结束语 综合这两部分的实验，可以从中学习到光电探测器的一些基本物理概念。14南京浪博科教仪器研究所