图18光敏电阻的光照特性

Ⅰ.光敏电阻的物理特性光敏电阻:常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。

这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。

这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

Ⅱ.组成特性光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，又称为光电导探测器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。

还有另一种入射光弱，电阻减小，入射光强，电阻增大。

Ⅲ.作用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）。

常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。

光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。

设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。

根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：紫外光敏电阻器、红外光敏电阻器、可见光光敏电阻器。

Ⅳ.参数特性（1）光电流、亮电阻。

光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。

（2）暗电流、暗电阻。

光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。

外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。

（3）灵敏度。

灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。

（4）光谱响应。

光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。

若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。

（5）光照特性。

光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。

从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。

课程名称：大学物理实验（一）实验名称：光敏电阻特性研究图3 光敏电阻光照特性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（可见光）的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。

在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可图4 无光照时的光敏电阻原理示意图图5 有光照时的光敏电阻原理示意图光敏电阻是一种能够感知光的电子元件，其原理在于光照射到光敏电阻表面时，会激发其中的电子发生跃迁，导致电阻值发生变化。

具体来说，光敏电阻中含有一种半导体材料的物质作为感光元件如硒化铋、硫化镉等，当光线照射到这种材料上时，会让一些电子从价带跃迁到导带，使得电子数量增加，从而导致电阻值降低。

导体材料在没有光照射时，其中的电子处于价带中，不能自由移动。

因此，当光线强度增加时，电阻值就会相应地减小；反之，当光线强度减小或消失时，电阻值则会增大。

4.光敏电阻的伏安特性：光敏电阻在光强一定的情况下（偏振片角度θ不变）时，电阻是一个定值电阻。

根据R = U/I,可得到光强不变时电阻是一条直线，它的斜率就是电阻的阻值。

图1 光敏电阻特性研究实验装置图图2偏振片角度θ=30°时光敏电阻的伏安特性曲线由图可知：直线斜率即为此时的光敏电阻的阻值。

由于电压单位是（V）而电流单位是（mA），根据欧姆定律，其中U的单位是（V），I的单位是（A），故此时光敏电阻阻值为1505Ω。

变形式R=UI3.光敏电阻的光照特性和电阻特性研究表3 光敏电阻电流随相对光照强度变化数据表θ0º10º20º30º40º50º60º70º80º90º图3 光敏电阻光照特性曲线由图可知：电压一定时，当相对光强增大时，电流也逐渐增大。

当相对光照强度达到最大时，电流也取到最大值。

当相对光照强度为0时，电流不为0，但接近0，因为光敏电阻的暗阻较大。

除此之外，实验时电压恒定为2V，故可根据欧姆定律变形式R=UI计算不同相对光照强度时的电阻。

光敏电阻阻值随光照强度变化的曲线
光敏电阻是一种半导体元件，其电阻值的变化与光照强度有关。

当光照强度增大时，光敏电阻的电阻值会下降，反之，当光照强度减小时，光敏电阻的电阻值会上升。

首先，我们需要了解一下光敏电阻的工作原理。

光敏电阻是一种用于探测光强度的元件。

当光照射在光敏电阻表面时，光能被半导体材料所吸收，从而导致半导体材料内部的载流子浓度发生变化，影响了电阻值的大小。

一般来说，光敏电阻的电阻值与光照强度呈反比关系，即光照强度越弱，电阻值越大，反之亦然。

1.线性段
在较弱的光照下，光敏电阻的电阻值随着光照强度的增大呈线性下降趋势。

这个段落的斜率通常称为光敏度，即光敏电阻的电阻值变化量与光照强度变化量的比值。

2.饱和段
总之，光敏电阻的电阻值随着光照强度的增大而下降，直至达到饱和点。

不同的光敏电阻元件在不同的光线波长、频率、温度等条件下都有各自的电阻随照度变化特性曲线，综合考虑要求选用合适的光敏元件。

参考文献：
丁旭儒. 物理电子学实验指导[M]. 北京: 电子行业出版社, 2009.
杜景元, 葛贻君, 郑崇伟. 半导体器件及其应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2013.。

第八章习题答案1．什么是光电效应，依其表现形式如何分类，并予以解释。

解：光电效应首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号,光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类：a)在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应;b)受光照的物体导电率1R发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。

2．分别列举属于内光电效应和外光电效应的光电器件。

解：外光电效应，如光电管、光电倍增管等。

内光电效应，如光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。

3．简述CCD 的工作原理。

解：CCD 的工作原理如下：首先构成CCD 的基本单元是MOS 电容器，如果MOS 电容器中的半导体是P 型硅，当在金属电极上施加一个正电压时，在其电极下形成所谓耗尽层，由于电子在那里势能较低，形成了电子的势阱，成为蓄积电荷的场所。

CCD 的最基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS 电容器，这些电容器用同一半导体衬底制成，衬底上面覆盖一层氧化层，并在其上制作许多金属电极，各电极按三相（也有二相和四相）配线方式连接。

CCD 的基本功能是存储与转移信息电荷，为了实现信号电荷的转换：必须使MOS 电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS 电容的势阱相互沟通，即相互耦合；控制相邻MOC 电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处；在CCD 中电荷的转移必须按照确定的方向。

4．说明光纤传输的原理。

解：光在空间是直线传播的。

在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随光纤能传送到很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。

当光纤的直径比光的波长大很多时，可以用几何光学的方法来说明光在光纤内的传播。

设有一段圆柱形光纤，它的两个端面均为光滑的平面。

当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成θi 角时，根据斯涅耳（Snell ）光的折射定律，在光纤内折射成θj ，然后以θk 角入射至纤芯与包层的界面。

若要在界面上发生全反射，则纤芯与界面的光线入射角θk 应大于临界角φc （处于临界状态时，θr =90º），即:21arcsin k c n n θϕ≥=且在光纤内部以同样的角度反复逐次反射，直至传播到另一端面。

光敏传感器的光电特性研究(FB815型光敏传感器光电特性实验仪)凡是将光信号转换为电信号的传感器称为光敏传感器，也称为光电式传感器，它可用于检测直接由光照明度变化引起的非电量，如光强、光照度等；也可间接用来检测能转换成光量变化的其它非电量,如零件直径、表面粗糙度、位移、速度、加速度及物体形状、工作状态识别等。

光敏传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点,因而在工业自动控制及智能机器人中得到广泛应用。

光敏传感器的物理基础是光电效应，通常分为外光电效应和内光电效应两大类,在光辐射作用下电子逸出材料的表面,产生光电子发射现象,则称为外光电效应或光电子发射效应。

基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。

另一种现象是电子并不逸出材料表面的,则称为是内光电效应。

光电导效应、光生伏特效应都是属于内光电效应。

好多半导体材料的很多电学特性都因受到光的照射而发生变化。

因此也是属于内光电效应范畴,本实验所涉及的光敏电阻、光敏二极管等均是内光电效应传感器。

通过本设计性实验可以帮助学生了解光敏电阻、光敏二极管的光电传感特性及在某些领域中的应用。

【实验原理】1．光电效应:(1）光电导效应:当光照射到某些半导体材料上时,透过到材料内部的光子能量足够大，某些电子吸收光子的能量，从原来的束缚态变成导电的自由态,这时在外电场的作用下,流过半导体的电流会增大，即半导体的电导会增大,这种现象叫光电导效应。

它是一种内光电效应。

光电导效应可分为本征型和杂质型两类。

前者是指能量足够大的光子使电子离开价带跃入导带，价带中由于电子离开而产生空穴，在外电场作用下，电子和空穴参与电导，使电导增加。

杂质型光电导效应则是能量足够大的光子使施主能级中的电子或受主能级中的空穴跃迁到导带或价带，从而使电导增加。

杂质型光电导的长波限比本征型光电导的要长的多。

(２)光生伏特效应:在无光照时,半导体PN结内部有自建电场。

当光照射在PN结及其附近时,在能量足够大的光子作用下，在结区及其附近就产生少数载流子（电子、空穴对）。

光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电流作用特性暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。

此时在给定电压下流过的电流。

亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。

此时流过的电流。

光电流：亮电流与暗电流之差。

光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。

也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。

实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至高达100MΩ，而亮电阻则在几kΩ以下，暗电阻与亮电阻之比在102～106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。

（2）光敏电阻的光照特性下图表示CdS光敏电阻的光照特性。

在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。

不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。

因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。

一般在自动控制系统中用作光电开关。

（3）光敏电阻的光谱特性光谱特性与光敏电阻的材料有关。

从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。

因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。

（4）光敏电阻的伏安特性在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。

图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。

由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。

在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。

但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。

超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。

（5）光敏电阻的频率特性当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。

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同，如图。

光敏电阻特性实验报告实验目的：通过实验研究光敏电阻的特性，并探究光敏电阻的光照度对电阻值的影响。

实验器材：1.光敏电阻2.电阻箱3.多用电表4.正弦波信号发生器5.光源6.PPT实验执行时序图实验原理：光敏电阻是一种根据光照强度变化而改变电阻值的电子元件。

光敏电阻由光敏材料制成，其电阻值与光照强度成反比。

当光敏电阻暴露在光线下时，光敏材料吸收光子，并产生载流子，从而使电阻值减小。

实验步骤：1.将光敏电阻与电阻箱和电源相连，组成电路。

2.将多用电表设置为电阻测量模式，并连接到电路中，用于测量光敏电阻的电阻值。

3.使用正弦波信号发生器，连接到电路中的电源，提供交流电源。

4.将光源对准光敏电阻，并调整光照强度。

5.分别测量不同光照强度下光敏电阻的电阻值。

6.记录测量结果，并对实验数据进行分析和总结。

实验结果：根据实验数据测量结果，在不同光照强度下记录了光敏电阻的电阻值。

随着光照强度的增加，光敏电阻的电阻值逐渐减小。

这表明光敏电阻的电阻值与光照强度成反比。

实验总结与分析：通过本次实验，我们了解了光敏电阻的特性，并验证了光敏电阻的电阻值与光照强度的关系。

光敏电阻在光线下表现出明显的特性变化，可以被应用于光敏开关、自动调光等领域。

在实际应用中，我们还可以通过调整光敏电阻的参数来满足不同的要求。

然而，本实验还存在一些限制和改进空间。

首先，光敏电阻的光照度与电阻值的关系是非线性的，在高光照强度时，电阻值接近零，而在低光照强度时，电阻值较大。

因此，我们可以进一步研究光敏电阻在不同光照强度下的电阻值变化曲线，探索其非线性特性。

此外，本实验的光照强度调节仅使用了光源的近距离调节，可以尝试使用不同光源、不同距离和不同角度进行光照度的变化，以进一步研究光敏电阻的响应特性。

综上所述，实验结果表明，光敏电阻的电阻值受光照强度的影响，并且具有非线性特性。

进一步研究光敏电阻的特性可以为其在光电领域的应用提供更多可能性。

得分教师签名批改日期课程编号03题目类型基础设计性深圳大学实验报告课程名称：大学物理实验（三）实验名称：光敏电阻光敏特性的研学院：物理科学与技术学院组号指导教师：赵改清报告人：学号：实验地点科技楼B108 实验时间：实验报告提交时间：一、实验设计方案1.1 实验目的了解光敏电阻随光照变化的基本关系式。

在工作电压恒定的情况下，测绘光敏电阻随光照强度改变变化曲线，并确定其灵敏度以及光照特性。

1.2、实验原理1.2.1 光敏电阻和光照强度的基本关系。

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）。

常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。

它的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1~10M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。

光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。

光敏电阻常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。

这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。

这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极。

光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。

由它的结构分析，光敏电阻的电阻随光照强度的增强到一定时会迅速的下降。

光敏电阻的光照特性如下图所示。

1.2.2 光敏电阻的光照特性的测绘。

如果光敏电阻的阻值变化主要由光照强度变化改变。

就可以利用这一特性测出它的光照灵敏度。

电路图如下图1。

通过改变光源的强度改变光敏电阻的阻值其中通过旋转偏振片的角度来改变光源的强度。

其中，先通过线偏正片，其作用为经过其的光源形成一条亮线，再经过减偏正片，其作用为改变偏正光的强度，通过公式I=I0*cosθ*cosθ把直流电路中的电流的相对变化转化成减偏振片旋转的角度的变化。

光敏电阻与光的关系
光敏电阻，也称为光依变电阻，是一种光电器件，它的电阻值会随着光线强度的变化而变化。

光敏电阻的工作原理主要基于半导体材料的特性。

在没有光线或者光线较弱的情况下，光敏电阻的电阻值较高；当有光线照射到光敏电阻上时，其电阻值会迅速降低。

这种变化可以是线性的，也可以是非线性的，取决于光敏电阻的类型和制造材料。

光敏电阻的主要组成部分是半导体材料，如硫化镉（CdS）、硒（Se）、砷化镓（GaAs）等。

这些材料在光照下会产生电子-空穴对，从而改变其电阻值。

光线越强，产生的电子-空穴对越多，电阻值降低得越明显。

光敏电阻广泛应用于各种光电控制系统，如自动开关灯、光强检测、光电传感器等。

在智能家居、自动化控制、环境监测等领域都有重要的应用价值。

实验一 光敏电阻特性实验实验原理: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1-1所示。

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 n p e n e σμμ∆=∆⋅⋅+∆⋅⋅ 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，μ表示迁移率。

当两端加上电压U 后，光电流为：ph AI U dσ=⋅∆⋅ 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，σ∆为恒定的值，因而光电流和电压成线性关系。

光敏电阻的伏安特性如图1-2所示，不同的光照度可以得到不同的伏安特性，表明电阻值随光照度发生变化。

光照度不变的情况下，电压越高，光电流也越大，光敏电阻的工作电压和电流都不能超过规定的最高额定值。

图1-2光敏电阻的伏安特性曲线 图1-3 光敏电阻的光照特性曲线光敏电阻的光照特性则如图 1-3 所示。

不同的光敏电阻的光照特性是不同的，但是在大多数的情况下，曲线的形状都与图1-3 类似。

由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不适宜作测量型的线性敏感元件 ，在自动控制中光敏电阻常用作开关量的光电传感器。

图 1-4 几种光敏电阻的光谱特性实验所需部件:稳压电源、光敏电阻、负载电阻（选配单元）、电压表、各种光源、遮光罩、激光器、光照度计（做光照特性测试，由用户自备或选配）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阻值为亮电阻R 亮，暗电阻与亮电阻之差为光电阻，光电阻越大，则灵敏度越高。

光敏电阻是一种能够根据光强度的变化而改变电阻值的电子元件。

光敏电阻有亮电阻和暗电阻之分。

光敏电阻在受到光照时，其电阻值会降低，这种状态下的电阻值称为亮电阻。

亮电阻通常比较小，一般在几欧姆到几千欧姆之间。

当光敏电阻没有受到光照时，其电阻值会升高，这种状态下的电阻值称为暗电阻。

暗电阻通常比较大，一般在几十千欧姆到几百千欧姆之间。

光敏电阻的亮暗电阻之比可以反映出光敏电阻对光的敏感程度，比值越大，说明光敏电阻对光的敏感程度越高。

在实际应用中，可以根据需要选择不同亮暗电阻比值的光敏电阻。

扩展知识：
光敏电阻是一种对光敏感的电阻器，其电阻值会随着光照强度的变化而变化。

光敏电阻具有灵敏度高、反应速度快、光谱特性好等特点，因此在许多领域都有广泛的应用，包括：
1.光电控制：光敏电阻可以用于控制光照强度，例如在照明系统中
控制灯光的亮度。

2.光电检测：光敏电阻可以用于检测光照强度，例如在光电子学中
用于检测光的强度和频率。

3.光电传感器：光敏电阻可以用于制作光电传感器，例如在自动化
控制系统中用于检测物体的位置和运动。

4.光电计数器：光敏电阻可以用于制作光电计数器，例如在工业生
产中用于计数和检测物品的数量。

5.光电池：光敏电阻可以用于制作光电池，例如在太阳能电池中用
于将光能转化为电能。

总之，光敏电阻在光电控制、光电检测、光电传感器、光电计数器、光电池等领域都有广泛的应用。