伏安特性曲線圖常用縱坐標(biāo)表示電流I、橫坐標(biāo)表示電壓U，以此畫(huà)出的I-U圖像叫做導(dǎo)體的伏安特性曲線圖。伏安特性曲線是針對(duì)導(dǎo)體的，也就是耗電元件，圖像常被用來(lái)研究導(dǎo)體電阻的變化規(guī)律，是物理學(xué)常用的圖像法之一。

某一個(gè)金屬導(dǎo)體，在溫度沒(méi)有顯著變化時(shí)，電阻是不變的，它的伏安特性曲線是通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，具有這種伏安特性的電學(xué)元件叫做線性元件。因?yàn)闇囟瓤梢詻Q定電阻的大小。

歐姆定律是個(gè)實(shí)驗(yàn)定律，實(shí)驗(yàn)中用的都是金屬導(dǎo)體。這個(gè)結(jié)論對(duì)其它導(dǎo)體是否適用，仍然需要實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，除金屬外，歐姆定律對(duì)電解質(zhì)溶液也適用，但對(duì)氣態(tài)導(dǎo)體（如日光燈管、霓虹燈管中的氣體）和半導(dǎo)體元件并不適用。也就是說(shuō)，在這些情況下電流與電壓不成正比，這類電學(xué)元件叫做非線性元件。

二極管伏安特性曲線加在PN結(jié)兩端的電壓和流過(guò)二極管的電流之間的關(guān)系曲線稱為伏安特性曲線。如圖所示：

正向特性：u》0的部分稱為正向特性。

反向特性：u《0的部分稱為反向特性。

反向擊穿：當(dāng)反向電壓超過(guò)一定數(shù)值U（BR）后，反向電流急劇增加，稱之反向擊穿。

勢(shì)壘電容：耗盡層寬窄變化所等效的電容稱為勢(shì)壘電容Cb。

變?nèi)荻O管：當(dāng)PN結(jié)加反向電壓時(shí)，Cb明顯隨u的變化而變化，而制成各種變?nèi)荻O管。如下圖所示。

PN結(jié)的勢(shì)壘電容平衡少子：PN結(jié)處于平衡狀態(tài)時(shí)的少子稱為平衡少子。

非平衡少子：PN結(jié)處于正向偏置時(shí)，從P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴和從N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的自由電子均稱為非平衡少子。

擴(kuò)散電容：擴(kuò)散區(qū)內(nèi)電荷的積累和釋放過(guò)程與電容器充、放電過(guò)程相同，這種電容效應(yīng)稱為Cd。

光敏二極管的伏安特性

凡是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器稱為光敏傳感器，也稱為光電式傳感器，它可用于檢測(cè)直接由光照明度變化引起的非電量，如光強(qiáng)、光照度等；也可間接用來(lái)檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量變化的其它非電量，如零件直徑、表面粗糙度、位移、速度、加速度及物體形狀、工作狀態(tài)識(shí)別等。光敏傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，因而在工業(yè)自動(dòng)控制及智能機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。

光敏傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，通常分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類，在光輻射作用下電子逸出材料的表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射現(xiàn)象，則稱為外光電效應(yīng)或光電子發(fā)射效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。另一種現(xiàn)象是電子并不逸出材料表面的，則稱為是內(nèi)光電效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)都是屬于內(nèi)光電效應(yīng)。好多半導(dǎo)體材料的很多電學(xué)特性都因受到光的照射而發(fā)生變化。因此也是屬于內(nèi)光電效應(yīng)范疇，本實(shí)驗(yàn)所涉及的光敏電阻、光敏二極管等均是內(nèi)光電效應(yīng)傳感器。

通過(guò)本設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生了解光敏電阻、光敏二極管的光電傳感特性及在某些領(lǐng)域中的應(yīng)用。

1．光電效應(yīng)：

（1）光電導(dǎo)效應(yīng)：

當(dāng)光照射到某些半導(dǎo)體材料上時(shí)，透過(guò)到材料內(nèi)部的光子能量足夠大，某些電子吸收光子的能量，從原來(lái)的束縛態(tài)變成導(dǎo)電的自由態(tài)，這時(shí)在外電場(chǎng)的作用下，流過(guò)半導(dǎo)體的電流會(huì)增大，即半導(dǎo)體的電導(dǎo)會(huì)增大，這種現(xiàn)象叫光電導(dǎo)效應(yīng)。它是一種內(nèi)光電效應(yīng)。

光電導(dǎo)效應(yīng)可分為本征型和雜質(zhì)型兩類。前者是指能量足夠大的光子使電子離開(kāi)價(jià)帶躍入導(dǎo)帶，價(jià)帶中由于電子離開(kāi)而產(chǎn)生空穴，在外電場(chǎng)作用下，電子和空穴參與電導(dǎo)，使電導(dǎo)增加。雜質(zhì)型光電導(dǎo)效應(yīng)則是能量足夠大的光子使施主能級(jí)中的電子或受主能級(jí)中的空穴躍遷到導(dǎo)帶或價(jià)帶，從而使電導(dǎo)增加。雜質(zhì)型光電導(dǎo)的長(zhǎng)波限比本征型光電導(dǎo)的要長(zhǎng)的多。

（2）光生伏特效應(yīng)：

在無(wú)光照時(shí)，半導(dǎo)體PN結(jié)內(nèi)部有自建電場(chǎng)。當(dāng)光照射在PN結(jié)及其附近時(shí)，在能量足夠大的光子作用下，在結(jié)區(qū)及其附近就產(chǎn)生少數(shù)載流子（電子、空穴對(duì)）。載流子在結(jié)區(qū)外時(shí)，靠擴(kuò)散進(jìn)入結(jié)區(qū)；在結(jié)區(qū)中時(shí)，則因電場(chǎng)E的作用，電子漂移到N區(qū)，空穴漂移到P區(qū)。結(jié)果使N區(qū)帶負(fù)電荷，P區(qū)帶正電荷，產(chǎn)生附加電動(dòng)勢(shì)，此電動(dòng)勢(shì)稱為光生電動(dòng)勢(shì)，此現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。

2．光敏傳感器的基本特性：

光敏傳感器的基本特性則包括：伏安特性、光照特性等。

伏安特性：光敏傳感器在一定的入射光照度下，光敏元件的電流I與所加電壓U之間的關(guān)系稱為光敏器件的伏安特性。改變照度則可以得到一族伏安特性曲線。它是傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)的重要依據(jù)。

掌握光敏傳感器基本特性的測(cè)量方法，為合理應(yīng)用光敏傳感器打好基礎(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)主要是研究光敏電阻、光敏二極管的基本特性。

（1）光敏電阻：

利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料制成的光敏傳感器稱為光敏電阻。目前光敏電阻應(yīng)用的極為廣泛，其工作過(guò)程為，當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，發(fā)生內(nèi)光電效應(yīng)，光敏電阻電導(dǎo)率的改變量為：

在（1）式中，e為電子電荷量，p?為空穴濃度的改變量，n?為電子濃度的改變量，u表示遷移率。當(dāng)兩端加上電壓U后，光電流為：

式中A為與電流垂直的表面積，d為電極間的間距。在一定的光照度下，??為恒定的值，因而光電流和電壓成線性關(guān)系。光敏電阻的伏安特性如圖a5所示，不同的光強(qiáng)以得到不同的伏安特性，表明電阻值隨光照度發(fā)生變化。光照度不變的情況下，電壓越高，光電流也越大，而且沒(méi)有飽和現(xiàn)象。當(dāng)然，與一般電阻一樣光敏電阻的工作電壓和電流都不能超過(guò)規(guī)定的最高額定值。

（2）光敏二極管：

光敏二極管的伏安特性相當(dāng)于向下平移了的普通二

極管，如圖a7所示。零偏壓時(shí)，光敏二極管有光電流輸出。光敏二極管的光照特性亦呈良好線性，如圖c7。光敏二極管的的電流靈敏度一般為常數(shù)。一般在作線性檢測(cè)元件時(shí)，選擇光敏二極管。