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7光电二极管和光敏电阻的特性研究光电二极管和光敏电阻是光电转换器件中常见的两种，可以将光信号转换为电信号，并且在不同的光照条件下表现出不同的特性。
本篇文章将深入研究这两种器件的特性。
光电二极管是一种将光能转化为电能的电子元件，其工作原理基于内照射效应，也就是当光线照射到PN结的一个极化面上时，光激发了电子从价带跃迁到导带，从而产生了电流。
光电二极管具有高灵敏度、快速响应、线性传输、宽动态范围等特点，广泛应用于光通信、测量和光功率控制等领域。
光电二极管的主要特性包括光电流、响应时间和谱响应特性。
其中，光电流是指当光照射到光电二极管上时，从结的外部产生的电流。
光电流与光强之间呈线性关系，即光强越大，光电流越大。
响应时间是指光电二极管从光刺激到输出电流达到稳定的时间，这个时间一般较短，可以达到纳秒甚至亚纳秒级别。
谱响应特性是指光电二极管对不同波长光的响应情况，它可以由光电二极管的材料特性和结构参数决定。
与光电二极管相比，光敏电阻是一种将光信号转化为电阻信号的器件。
光敏电阻的工作原理是光照射到其表面时，导致其电阻发生变化，光照强度越大，电阻值越小。
光敏电阻具有简单、成本低、响应时间短等优点，在光控制、光测量等领域有广泛应用。
光敏电阻的主要特性包括光敏电阻特性曲线、光敏电阻的光照饱和特性、响应时间和稳定性。
光敏电阻特性曲线是指光敏电阻的电阻值与入射光照强度之间的关系，一般为非线性特性。
光敏电阻的光照饱和特性是指当光照强度足够大时，光敏电阻的电阻值不再发生变化，达到饱和状态。
响应时间是指光敏电阻由无光状态切换到有光状态，并且电阻值达到稳定的时间，一般较短。
稳定性是指光敏电阻的电阻值在长时间使用过程中是否稳定，不发生明显的漂移。
在实际应用中，可以根据具体的需求选择光电二极管或光敏电阻。
如果需要高灵敏度、快速响应和线性传输特性时，可以选择光电二极管；如果对成本、响应时间和简单性要求较高时，可以选择光敏电阻。
无论选择哪种器件，都需要根据具体的应用需求来设计和搭配其他电路元件。
【实验题目】发光二极管的伏安特性【实验记录】
1．实验仪器
2．红色发光二极管正向伏安特性测量数据记录表
3．绿色发光二极管正向伏安特性测量数据记录表
4．蓝色发光二极管正向伏安特性测量数据记录表
5. 电表内阻测量： A R = 4.94Ω (30mA) V R =
6.006kΩ （6V ）
【数据处理】
在同一坐标系中作出红、绿、蓝发光二极管的伏安特性曲线。
对比红、绿、蓝三种发光二极管的伏安特性曲线，定性判断其导通电压的大小。
由图像及表格分析可知，导通电压：红色>绿色>蓝色；
大致数据为 红色： 蓝色： 绿色：
【总结与讨论】
(1)二极管阻值与电流表内阻相近，与电压表内阻相差很多，因此采取电流表外接法。
(2)在图像弯曲部分应多测几组数据，使图像更加准确。
（电流不超过20mA）
(3)发光二极管的伏安特性曲线在0到导通电压之间曲线与X轴接近，达到导通电压后快速上升，最终
应接近直线。
【复习思考题】
发光二极管有哪些应用？试举一两例并介绍其工作原理。
（1）交流开关指示灯
用发光二极管作白炽灯开关的指示灯，当开关断开时，电流经R、LED和灯泡形成回路，LED亮，方便在黑暗中找到开关，此时回路中电流很小，灯泡不会亮；当接通开关时，灯泡被点亮，LED熄灭。
（2）指示灯
当装置通电后，经过限流电阻产生mA级别的电流，流经LED的时候发光，用以指示电源接通。
报告成绩（满分30分）：⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽指导教师签名：⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽日期：⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽。
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）。
实验报告-发光二极管伏安曲线测量（完成版）姓名学号院系时间地点陈灿贻 2 数学科学学院2015.11 物理楼306 黄小君 2 数学科学学院2015.11 物理楼30 【实验题目】发光二极管的伏安特性【实验记录】1．实验仪器仪器名称直流稳定电源伏特表安培表滑动变阻器电阻箱发光二极管导线开关型号HV1791-35 BX70-7112型ZX21型2．红色发光二极管正向伏安特性测量数据记录表电流（mA）电压（V）修正后电压或电流= 电流（mA）电压（V）修正后电压或电流=0.00 0.06 0.00 8.30 1.91 7.980.00 0.30 0.00 10.22 1.94 9.900.00 0.40 0.00 11.42 1.95 11.100.04 0.75 0.00 12.82 1.95 12.490.12 1.10 0.00 14.60 1.97 14.270.18 1.45 0.00 16.60 1.98 16.270.70 1.75 0.41 14.58 1.96 14.251.80 1.80 1.50 16.90 1.99 16.572.90 1.85 2.59 17.60 1.99 17.273.84 1.85 3.53 18.40 2.00 18.074.86 1.86 4.55 19.30 2.00 18.976.70 1.90 6.38 14.50 1.96 14.17 3．绿色发光二极管正向伏安特性测量数据记录表电流（mA）电压（V）修正后电压或电流= 电流（mA）电压（V）修正后电压或电流=0.10 0.60 0.00 2.40 2.88 1.920.12 1.02 0.00 3.10 2.90 2.620.16 1.15 0.00 4.00 2.93 3.510.16 1.33 0.00 0.80 2.75 0.340.18 1.50 0.00 4.60 2.95 4.110.20 1.70 0.00 8.00 3.03 7.490.22 2.08 0.00 9.80 3.05 9.290.30 2.21 0.00 12.80 3.10 12.280.40 2.55 0.00 16.20 3.15 15.670.52 2.69 0.07 17.70 3.16 17.172.00 2.85 1.52 19.103.18 18.57 4．蓝色发光二极管正向伏安特性测量数据记录表电流（mA）电压（V）修正后电压或电流= 电流（mA）电压（V）修正后电压或电流=0.00 0.35 0.00 7.20 2.95 4.41 0.00 0.60 0.00 8.60 2.96 6.71 0.181.10 0.00 11.00 3.00 8.11 0.22 1.60 0.00 14.00 3.03 10.50 0.302.100.00 16.00 3.05 13.49 0.44 2.58 0.01 19.00 3.05 15.490.32 2.20 0.00 11.84 3.01 18.491.002.80 0.533.30 2.89 11.342.40 2.88 1.92 1.60 2.83 2.82 1.90 2.85 1.42 6.00 2.95 1.133.602.903.12 18.40 3.05 5.515．电表内阻测量：AR 5.0Ω（30mA ）VR 5.985Ω（6V ）【数据处理】在同一坐标系中作出红、绿、蓝发光二极管的伏安特性曲线。
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）。
实验3 半导体二极管伏安特性的研究半导体二极管是一种简单的电子元件，广泛应用于各种电子设备中。
它具有可控阻抗、低失调及低噪声的特点，是电路的重要组成部分。
另外，它的特性还可以通过伏安特性来表示。
实验3是半导体二极管伏安特性的研究。
实验3采用典型的水平式直流工作，使用电子学专用台架安装正向和反向稳压电源，并将正向和反向电流传感器安装在直流电源和二极管之间，通过电子学仪表连接相应仪器来测量正向电流和反向电流。
将二极管安装在台座上，一般被称作二极管座，用带有绝缘手柄的螺钉接触给二极管上桥，使用双表头电源的稳定直流电压依次给二极管配电，然后根据实验计算出正向电流和反向电流，从而绘制出伏安曲线。
实验中，以正向和反向稳压电源调节器中输出的电压为横坐标，以电流传感器测得的正向电流和反向电流值分别为纵坐标，绘制出的一张曲线就是二极管的伏安曲线，其解释伏安曲线的特点，如截距、正向电流、反向电流，有助于理解半导体二极管的工作原理。
根据实验3的结果，正向电流随着正向和反向稳压电源的调节而变化，而反向电流亦然。
当正向电压恒定为固定值时，正向电流呈现单调递增趋势。
而当反向电压恒定时，反向电流呈现一个凹槽状的特性，在此凹槽上正向电流保持恒定，即转折点，这是二极管的特性之一。
而实验中，用制表法表示时，转折点的值为正向电压和反向电流之和，即转折电压。
本实验可以测试出二极管的特性，由此可以得出该二极管的伏安曲线，从而分析和推断其工作原理。
研究半导体二极管伏安特性，不仅解释二极管的工作原理，而且可以用来设计和分析有关半导体电路中的工作逻辑等，具有重要意义。
非线性电阻特性研究（一）【实验目的】（1）了解并掌握基本电学仪器的使用。
（2）学习电学实验规程，掌握回路接线方法。
（3）学习测量条件的选择及系统误差的修正。
（4）探究发光二极管和热敏电阻在常温下的伏安特性曲线。
【实验仪器】发光二极管（BT102）热敏电阻（根据实验室情况选择）滑动变阻器（0~100 Q）定值电阻（400Q）毫安表（0~50mA）微安表（0~50卩A）电压表（0~3v 0~6v）电源（10v）导线等【实验原理】（1）当一个元件两端加上电压，元件内有电流通过时，电压与电流之比称为该元件的电阻R （ R=U/I）。
若一个元件两端的电压与通过它的电流成比例，则伏安特性曲线为一条直线，这类元件称为线性元件。
若元件两端的电压与通过它的电流不成比例，则伏安特性曲线不再是直线，而是一条曲线，这类元件称为非线性元件。
一般金属导体的电阻是线性电阻，它与外加电压的大小和方向无关，其伏安特性是一条直线（见图b）。
从图上看出，直线通过一、三象限。
它表明，当调换电阻两端电压的极性时，电流也换向，而电阻始终为一定值，等于直线斜率的倒数。
常用的晶体二极管是非线性电阻，其电阻值不仅与外加电压的大小有关，而且还与方向有关。
LED是英文light emitting diode （发光二极管）的缩写，它属于固态光源，其基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用（如图一）。
常规的发光二极管芯片的结构如图二所示，主要分为衬底，外延层（图2中的N型氮化镓，铝镓铟磷有源区和P型氮化镓），透明接触层，P型与N型电极、钝化层几部分。
图3发光二极管的工作原理图1 LED结构图览&巧心阴确讦阳楓杆-------连明从孔片腮封配「叶十上L.tD <i/r尸s'呻发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。
跨过此p—n结，电子从n型材料扩散到p区，而空穴则从p型材料扩散到n区，如右面的图3 （a）所示。
作为这一相互扩散的结果，在p —n结处形成了一个高度的e A V的势垒，阻止电子和空穴的进一步扩散，达到平衡状态（见图3（b））。
当外加一足够高的直流电压V,且p型材料接正极，n型材料接负极时，电子和空穴将克服在p—n结处的势垒，分别流向p区和n区。
在p—n结处，电子与空穴相遇，复合，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量将以发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象。
这就是发光二极管的发光原理。
选择可以改变半导体的能带隙，从而就可以发出从紫外到红外不同波长的光线，且发光的强弱与注入电流有关，（1）发光二极管的特点和优点及及应用前景LED的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途。
主要包括（1）体积小（2）耗电量低（3）使用寿命长（4）高亮度、低热量。
（5）环保（6）坚固耐用。
所以发光二极管有着广泛的用途，在道路以及室内照明，信号指示灯，以及装饰等有广泛的发展前景。
（2）V—I特性：在正向电压小于阈值时，正向电流极小，不发光。
当电压超过阈值后，正向电流随电压迅速增加。
二极管的正向电阻Rz是动态的，与正向电流IF有关，IF大，Rz就小，IF X Rz=VF（正向压降），温度一定时，VF基本是定值，所以在常温时曲线类似如下。
图a线性器件伏安特性曲线图b非线性器件伏安特性曲线热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC和负温度系数热敏电阻器（NTC）。
热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。
正温度系数热敏电阻器（PTC在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC）在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。
（1）特点：热敏电阻的主要特点是：①灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10〜100倍以上，能检测出10-6 C的温度变化；②工作温度范围宽，常温器件适用于-55 C〜315 C,高温器件适用温度高于315C （目前最高可达到2000C）,低温器件适用于-273C〜55C;③体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；④使用方便，电阻值可在0.1〜100k Q间任意选择；⑤易加工成复杂的形状，可大批量生产；⑥稳定性好、过载能力强。
（2）分类：1. PTC热敏电阻：PTC （ Positive Temperature CoeffiCient）是指在某一温度下电阻急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻现象或材料，可专门用作恒定温度传感器. 该材料是以BaTiO3或SrTiO3或PbTiO3为主要成分的烧结体，其中掺入微量的Nb、Ta Bi、Sb、Y、La 等氧化物进行原子价控制而使之半导化，常将这种半导体化的BaTiO3等材料简称为半导（体）瓷；同时还添加增大其正电阻温度系数的Mn、Fe、Cu、Cr的氧化物和起其他作用的添加物，采用一般陶瓷工艺成形、高温烧结而使钛酸铂等及其固溶体半导化，从而得到正特性的热敏电阻材料. 其温度系数及居里点温度随组分及烧结条件（尤其是冷却温度）不同而变化.2. NTC热敏电阻：NTC （Negative Temperature CoeffiCient ）是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料. 该材料是利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体陶瓷，可制成具有负温度系数（NTC）的热敏电阻.其电阻率和材料常数随材料成分比例、烧结气氛、烧结温度和结构状态不同而变化.现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为代表的非氧化物系NTC热敏电阻材料.3. CTR热敏电阻：临界温度热敏电阻CTR CritiCal Temperature Resistor）具有负电阻突变特性，在某一温度下，电阻值随温度的增加激剧减小，具有很大的负温度系数•构成材料是钒、钡、锶、磷等元素氧化物的混合烧结体，是半玻璃状的半导体，也称CTR为玻璃态热敏电阻.骤变温度随添加锗、钨、钼等的氧化物而变.这是由于不同杂质的掺入，使氧化钒的晶格间隔不同造成的. 若在适当的还原气氛中五氧化二钒变成二氧化钒，则电阻急变温度变大；若进一步还原为三氧化二钒，则急变消失.产生电阻急变的温度对应于半玻璃半导体物性急变的位置，因此产生半导体-金属相移.CTR能够作为控温报警等应用.（3）应用：热敏电阻热敏电阻也可作为电子线路元件用于仪表线路温度补偿和温差电偶冷端温度补偿等。
利用NTC热敏电阻的自热特性可实现自动增益控制，构成RC振荡器稳幅电路，延迟电路和保护电路。
在自热温度远大于环境温度时阻值还与环境的散热条件有关，因此在流速计、流量计、气体分析仪、热导分析中常利用热敏电阻这一特性，制成专用的检测元件。
PTC热敏电阻主要用于电器设备的过热保护、无触点继电器、恒温、自动增益控制、电机启动、时间延迟、彩色电视自动消磁、火灾报警和温度补偿等方面。
（4）主要缺点：热敏电阻①阻值与温度的关系非线性严重；②元件的一致性差，互换性差；③元件易老化，稳定性较差；④除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0〜150C范围，使用时必须注意。
【可行性分析】测量之前，先记录所用二极管的型号（为测出反向电流的数值，采用锗管）和主要参数（即最大正向电流和最大反向电压），再判别二极管的正、负级。
为了测得晶体二级管的正向特性曲线，可按照图3.2-6所示的电路联线。
图中R为保护晶体二级管的限流电阻，电压表的量限取1伏左右。
接通电源，缓慢地增加电压，例如，取0.00V、0.10V、0.20V、（在电流变化大的地方，电压间隔应取小一些）读出相应的电流值。
最后断开电源。
有于二极管具有单向导电性，反向电阻很大，为了测得反向特性曲线，可按图3.2-7r-O K-q f +^A~联接电路。
将电流表换成微安表，电压表换接比1伏大的量限，接上电源，逐步改变电压，例如取0.00V、1.00V、2.00V、,读取相应的电流值。
测量热敏电阻的伏安特性曲线时将二极管换成热敏电阻，电流表选择毫安表，电路和定值电阻的选择看热敏电阻的大小。
【实验步骤】1)记录下所选非线性电阻的参数。
LED :最大功耗0.05W 最大工作电流20mA 正向电压＜2.5V反向电压＞5V反向电流＜50A热敏电阻：(2)根据测量元件选择电路图。
测量LED正向伏安特性时，因电阻较小所以选择电流表外接法，而测量反向时电阻很大，电流很小，可将定值电阻拆除，选用微安表并内接，热敏电阻根据阻值适当选取电表的接法。
(3)测量二极管正向伏安特性曲线时，在电流值1mA以下，从0开始，以电压变化为基准，每隔0.1V测量一个点；在电流值1mA以上，电压每隔0.02V测量一个点；测量电流最大值小于最大工作电流。
(4)测量二极管反向伏安特性曲线时，在电流值1mA以下，从0开始，以电压变化为基准，每隔1V测量一个点；在电流值1mA以上，电流每隔5mA测量一个点；测量电压最大值小于额定工作电压。
(6 )测量热敏电阻性曲线时，根据实际情况在变化大的地方多取几个点。
(7)在同一张直角坐标纸上画出BT102型二极管的正向和反向伏安特性曲线，分析二极管的伏安特性。
正确选择坐标轴比例，标明刻度、单位和图名，连平滑的曲线，曲线不必通过每个实验点。
【数据记录】(1)二极管：正向【结果分析与讨论】【注意事项】(1)测二极管正向伏安特性时，毫安表读数不得超过二极管允许通过的最大正向电流值。
(2)测二极管反向伏安特性时，加在晶体管上的电压不得超过管子允许的最大反向电压(3 )滑动变阻器做分压用时，通电前必须调节好使电压输出端间电阻为最小值，做限流用时，将电阻调到最大。
(4 )注意被测电阻的功率。
