光電檢測實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) - 部分

1、實(shí)驗(yàn)一 光敏電阻特性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理: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叫光敏電阻，又稱為光導(dǎo)管。是一種均質(zhì)的半導(dǎo)體光電器件,其結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。光敏電阻采用梳狀結(jié)構(gòu)是由于在間距很近的電阻之間有可能采用大的靈敏面積,提高靈敏度。光敏電阻應(yīng)用得極為廣泛，可見光波段和大氣透過的幾個窗口都有適用的光敏電阻。利用光敏電阻制成的光控開關(guān)在日常生活中隨處可見。當(dāng)內(nèi)光電效應(yīng)發(fā)生時，光敏電阻電導(dǎo)率的改變量為： 在上式中，e為電荷電量，為空穴濃度的改變量，為電子濃度的改變量，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，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

2、和電壓成線性關(guān)系。光敏電阻的伏安特性如圖1-2所示，不同的光照度可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，光敏電阻的工作電壓和電流都不能超過規(guī)定的最高額定值。 圖1-2光敏電阻的伏安特性曲線 圖1-3 光敏電阻的光照特性曲線光敏電阻的光照特性則如圖 1-3 所示。不同的光敏電阻的光照特性是不同的，但是在大多數(shù)的情況下，曲線的形狀都與圖1-3 類似。由于光敏電阻的光照特性是非線性的，因此不適宜作測量型的線性敏感元件 ，在自動控制中光敏電阻常用作開關(guān)量的光電傳感器。 圖 1-4 幾種光敏電阻的光譜特性實(shí)驗(yàn)所需部件:穩(wěn)壓電源、光敏電阻、負(fù)載電阻（

3、選配單元）、電壓表、各種光源、遮光罩、激光器、光照度計(jì)（做光照特性測試，由用戶自備或選配）實(shí)驗(yàn)步驟:1. 測試光敏電阻的暗電阻、亮電阻、光電阻觀察光敏電阻的結(jié)構(gòu),用遮光罩將光敏電阻完全掩蓋,用萬用表歐姆檔測得的電阻值為暗電阻R暗,移開遮光罩，在環(huán)境光照下測得的光敏電阻的阻值為亮電阻R亮，暗電阻與亮電阻之差為光電阻，光電阻越大，則靈敏度越高。在光電器件模板的試件插座上接入另一光敏電阻，試作性能比較分析。2. 光敏電阻的暗電流、亮電流、光電流按照圖1-5接線，分別在暗光及有光源照射下測出輸出電壓暗和U亮，電流L暗=U暗/R,亮電流L亮=U亮/R，亮電流與暗電流之差稱為光電流，光電流越大則靈敏度越高

4、。3. 光敏電阻的伏安特性測試按照圖1-5接線，電源可從直流穩(wěn)壓電源+2+12V間選用， 每次在一定的光照條件下，測出當(dāng)加在光敏電阻上電壓 為+2V；+4V；+6V；+8V；+10V；+12V時電阻R兩端的電壓UR，和電流數(shù)據(jù)，同時算出此時光敏電阻的阻值，并填入以下表格，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出光敏電阻的伏安特性曲線。 圖1-5 光敏電阻的測量電路 光敏電阻伏安特性測試數(shù)據(jù)表（暗光） 工作電壓24681012UR（伏）電阻（歐姆）電流光敏電阻伏安特性測試數(shù)據(jù)表（正常環(huán)境光照）電壓（伏）24681012UR（伏）電阻（歐姆）電流 光敏電阻伏安特性測試數(shù)據(jù)表（有光源照射）電壓（伏）24681012UR（伏

5、）電阻（歐姆）電流4. 光敏電阻的光照特性測試按照圖1-5接好實(shí)驗(yàn)線路，負(fù)載電阻R選定1K，光源用高亮度鹵鎢燈，（實(shí)驗(yàn)者可仔細(xì)調(diào)節(jié)光源控制旋鈕，得到不同的光源亮度），每確定一種亮度后改變測試電路工作電壓從0V-12V.從電源電壓UCC=2V開始到UCC=12V，每次在一定的外加電壓下測出光敏電阻在相對光照度從“弱光”到逐步增強(qiáng)的電流數(shù)據(jù)，即：，同時求出此時光敏電阻的阻值，即： 。這里要求盡量多的測點(diǎn)（不少于15個）不同照度下的電流數(shù)據(jù)，尤其要在弱光位置選擇較多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以使所得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)能夠繪出較為完整的光照特性曲線。光敏電阻光照特性測試數(shù)據(jù)表（電壓： ）照度UR（伏）光電流光敏電阻光照特性測

6、試數(shù)據(jù)表（電壓： ）照度UR（伏）光電流光敏電阻光照特性測試數(shù)據(jù)表（電壓： ）照度UR（伏）光電流根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出光敏電阻的一組光照特性曲線。5. 光敏電阻的光譜特性： 用不同的半導(dǎo)體材料制成的光敏電阻有著不同的光譜特性，見圖1-4。當(dāng)不同波長的入射光照到光敏電阻的光敏面上，光敏電阻就有不同的靈敏度。按照圖1-5接線, 其工作電源可選用直流穩(wěn)壓電源的負(fù)電源，用高亮度LED（紅、黃、綠、藍(lán)、白）作為光源，發(fā)光電源可選用直流穩(wěn)壓電源的正電源。發(fā)光管的接線可參照圖1-6。限流電阻用選配單元上的1K100K檔電位器，首先應(yīng)置電位器阻值為最大，開啟電源后緩慢調(diào)小阻值，使發(fā)光管逐步發(fā)光并至最亮，當(dāng)發(fā)光

7、管達(dá)到最高亮度時不應(yīng)再改變限流電阻阻值,依次將各發(fā)光管接入光電器件模板上的發(fā)光管插座。發(fā)光管與光敏電阻頂端可用附件中的黑色軟管連接（透鏡對透鏡）。分別測出光敏電阻在各種光源照射下的光電流，再用固體激光器作為光源，測得光電流，將測得的數(shù) 圖1-6 發(fā)光管連接電路據(jù)記入下表，據(jù)此作出兩種光電阻大致的光譜特性曲線：光源激光紅黃綠藍(lán)白光電阻I光電阻II6. 光敏電阻的溫度特性:光敏電阻與其他半導(dǎo)體器件一樣,性能受溫度影響較大.隨著溫度的升高電阻值增大,靈敏度下降。請按圖(5)測試電路，分別測出常溫下和加溫(可用電烙鐵靠近加溫或用電吹風(fēng)加溫，電烙鐵切不可直接接觸器件)后的伏安特性曲線。注意事項(xiàng): 實(shí)驗(yàn)時

8、請注意不要超過光電阻的最大耗散功率P MAX, P MAX=LU 光源照射時燈膽及燈杯溫度均很高，請勿用手觸摸，以免燙傷。實(shí)驗(yàn)時各種不同波長光源選用的高亮度LED在不發(fā)光時均為透明材料封裝，查看顏色及亮度均可從其頂端透鏡前觀察。用做光源時也應(yīng)將透鏡發(fā)光點(diǎn)對準(zhǔn)光敏器件。實(shí)驗(yàn)二 光敏電阻的應(yīng)用-暗光亮燈電路實(shí)驗(yàn)原理:圖2-1所示即為“光敏燈控”實(shí)驗(yàn)單元內(nèi)的實(shí)際電路,在放大電路中,當(dāng)光照度下降時晶體管T基極電壓升高，T導(dǎo)通,集電極負(fù)載LED流過的電流增大,LED發(fā)光,這是一個暗通電路.。 實(shí)驗(yàn)所需部件:光敏電阻、光敏燈控電路(也可自行用實(shí)驗(yàn)選配單元接線)、發(fā)光二極管、電壓表實(shí)驗(yàn)步驟:1. 按照儀器面

9、板所示，將光敏電阻對應(yīng)接入“光敏燈控”單元的“光敏入”，“發(fā)光管”端口與工作臺上實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系陌l(fā)光管相接。調(diào)節(jié)“暗光控制”電位器，使在實(shí)驗(yàn)室光照環(huán)境下發(fā)光管不亮。 2. 然后改變光照條件，分別用白紙、帶色的紙和遮光罩改變光敏電阻的光照，當(dāng)光照變暗到一定程度時發(fā)光管跳亮。這就是日常所用的暗光街燈控制電路的原理。 圖2-1 光敏燈控電路3. 根據(jù)圖2-1暗通電路原理,試設(shè)計(jì)一個亮通控制電路.實(shí)驗(yàn)三 光敏二極管特性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理:光敏二極管與半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類似的,其管芯是一個具有光敏特征的PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦裕虼斯ぷ鲿r需加上反向電壓。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，無光照時

10、,有很小的飽和反向漏電流,即暗電流，此時光敏二極管截止。當(dāng)受到光照時,飽和反向漏電流大大增加，形成光電流,它隨入射光強(qiáng)度的變化而變化。光敏二極管結(jié)構(gòu)見圖3-1。實(shí)驗(yàn)所需部件:光敏二極管、穩(wěn)壓電源、負(fù)載電阻(實(shí)驗(yàn)選配單元中可變電阻)、遮光罩、光源、電壓表(自備4 1/2位萬用表).、微安表（或自備4 1/2位萬用表上的200mA 圖3-1光敏二極管原理檔）、照度計(jì)（自備或另購） 實(shí)驗(yàn)步驟:按圖3-2接線,要注意光敏二極管是工作在反向工作電壓的。由于硅光敏二極管的反向電流非常小，所以應(yīng)視實(shí)驗(yàn)情況逐步提高工作電壓，如有必要可用穩(wěn)壓電源上的10V或12V串接。1. 暗電流測試用遮光罩蓋住光電器件模板,

11、選擇合適的電路反向工作電壓,選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻。打開儀器電源，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻值，微安表顯示的電流值即為暗電流，或用4 1/2位萬用表200mV檔測得負(fù)載電阻R上的壓降U暗，則暗電流L暗=U暗/R。一般鍺光敏二極管的暗電流要大于硅光敏二極管暗電流數(shù)十倍?？稍谠嚰遄细鼡Q其他光敏二極管進(jìn)行測試做性能比較。2. 光電流測試:緩慢揭開遮光罩，觀察微安表上的電流值的變化,（也可將照度計(jì)探頭置于光敏二極管同一感光處，觀察當(dāng)光照強(qiáng)度變化時光敏二極管光電流的變化）或是用4 1/2位萬用表200mv檔測得R上的壓降U光,光電流L光=U光/R。如光電流較大，則可減小工作電壓或調(diào)節(jié)加大負(fù)載電阻。3. 伏安特性測試實(shí)

12、驗(yàn)按圖3-2連接實(shí)驗(yàn)線路,光源選用高亮度鹵素?zé)?分別調(diào)節(jié)至“弱光”、“中光”和“強(qiáng)光”三種照度。負(fù)載電阻用萬用表確定阻值1K歐姆。 圖3-2光敏二極管測試電路 將可調(diào)光源調(diào)至一種照度，每次在該照度下，測出加在光敏二極管上的各反向偏壓與產(chǎn)生的光電流 的關(guān)系數(shù)據(jù)，其中光電流（1K為取樣電阻），在三種光照度下重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。光敏二極管伏安特性測試數(shù)據(jù)表（照度： 弱 ）電壓（伏）24681012UR（伏）電阻（歐姆）光電流光敏二極管伏安特性測試數(shù)據(jù)表（照度： 中 ）電壓（伏）24681012UR（伏）電阻（歐姆）光電流光敏二極管伏安特性測試數(shù)據(jù)表（照度： 強(qiáng) ）電壓（伏）24681012UR（伏）電阻（

13、歐姆）光電流根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出光敏二極管的伏安曲線。 圖3-3 光敏二極管的伏安特性曲線4.光照度特性測試 實(shí)驗(yàn)電路見圖3-2。光源選用高亮度鹵素?zé)?，由?shí)驗(yàn)者按照從“弱-強(qiáng)”仔細(xì)調(diào)節(jié)光源電位器取得多種光照度 ，每選一種照度就選擇3種反向偏壓測試記錄，測出光敏二極管在相對光照度為“弱光”到逐步增強(qiáng)的光電流數(shù)據(jù)，其中（1K為取樣電阻）。光敏二極管光照特性測試數(shù)據(jù)表（電壓： ）照度UR（伏）光電流光敏二極管光照特性測試數(shù)據(jù)表（電壓： ）照度UR（伏）光電流光敏二極管光照特性測試數(shù)據(jù)表（電壓： ）照度UR（伏）光電流根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出光敏二極管的光照特性曲線。 圖3-4光敏二極管的光照特性曲線 光敏二極管

14、的光照特性亦呈良好線性，這是由于它的電流靈敏度一般為常數(shù)。而光敏三極管在弱光時靈敏度低些，在強(qiáng)光時則有飽和現(xiàn)象，這是由于電流放大倍數(shù)的非線性所至，對弱信號的檢測不利。故一般在作線性檢測元件時，可選擇光敏二極管而不能用光敏三極管。注意事項(xiàng):本實(shí)驗(yàn)中暗電流測試最高反向工作電壓受儀器電壓條件限制為12V（24V），硅光敏二極管暗電流很小，雖然提高了反向電壓，但還是有可能不易測得。測試光電流時要緩慢地改變光照度，以免測試電路中的微安表指針打表，如微安表量程不夠大，可選用萬用表的200mA電流檔。實(shí)驗(yàn)四 光敏管的應(yīng)用-光控電路實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解光敏管在控制電路中的具體應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)所需部件:光敏二極管或光敏三極

15、管、光控電路、高亮度鹵素光源、電壓表、電阻器（實(shí)驗(yàn)選配）、三極管實(shí)驗(yàn)步驟:1. 圖(12)為一常用的由光敏管組成的光控電路，其原理與前述光敏電阻光控電路相似，電路接線時須注意光敏管的極性。接通電源后調(diào)節(jié)控制電路,使其在自然光下負(fù)載發(fā)光管不亮。2. 分別用白紙帶色的紙和遮光罩改變光敏管的光照，觀察控制電路的亮燈情況。 圖4-1光敏二極管光控電路 思考題 ： 作為燈控器件的光敏二極管與光敏三極管接線方式。 實(shí)驗(yàn)五 光敏三極管特性測試實(shí)驗(yàn)原理：光敏三極管是具有NPN或PNP結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體管，結(jié)構(gòu)與普通三極管類似。但它的引出電極通常只有兩個，入射光主要被面積做得較大的基區(qū)所吸收。光敏三極管的伏安特性和光

16、敏二極管的伏安特性類似，如圖所示。但光敏三極管的光電流比同類型的光敏二極管大1+hFE倍，零偏壓時，光敏二極管有光電流輸出，而光敏三極管則無光電流輸出。原因是它們都能產(chǎn)生光生電動勢，只因光電三極管的集電結(jié)在無反向偏壓時沒有放大作用，所以此時沒有電流輸出（或僅有很小的漏電流）。光敏三極管的工作電路如圖5-1所示。集電極接正電壓，發(fā)射極接負(fù)電壓。實(shí)驗(yàn)所需部件：光敏三極管、穩(wěn)壓電源、各類光源、電壓表（自備4 1/2位表）、微安表（或自備4 2/1位萬用表200mA檔）、負(fù)載電阻（實(shí)驗(yàn)選配單元）、照度計(jì)（用戶選配）實(shí)驗(yàn)步驟：1. 判斷光敏三極管C、E極性：方法是用萬用表20K電阻測試檔，紅表棒接發(fā)射極

17、，黑表棒接集電極，無光照時顯示，光照增強(qiáng)時電阻迅速減小至1-2K歐姆；若將黑表棒接發(fā)射極，紅表棒接集電極，則不論光照變化與否萬用表始終顯示。2. 伏安特性測試實(shí)驗(yàn) 圖 13按圖5-1連接好實(shí)驗(yàn)線路，光源選用高亮度鹵素?zé)簦?負(fù)載電阻選用1K歐姆。 圖5-1光敏三極管測試電路3. 分別調(diào)節(jié)光照至“弱光”、“中光”和“強(qiáng)光”三種照度。每次在該光照條件下，測出加在光敏三極管的偏置電壓UCE與產(chǎn)生的光電流IC的關(guān)系數(shù)據(jù)。其中光電流為（1K為取樣電阻），然后選 用另兩種照度后重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。 光敏三極管伏安特性測試數(shù)據(jù)表（照度： 弱 ）電壓（伏）24681012UR（伏）電阻（歐姆）光電流光敏三極管伏安特性

18、測試數(shù)據(jù)表（照度： 中 ）電壓（伏）24681012UR（伏）電阻（歐姆）光電流光敏三極管伏安特性測試數(shù)據(jù)表（照度： 強(qiáng) ）電壓（伏）24681012UR（伏）電阻（歐姆）光電流根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出光敏三極管的伏安特性曲線。 圖5-2光敏三極管的伏安特性 圖5-3 光敏三極管的光照特性4. 光照度特性測試實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)線路如圖5-1所示。光源選用高亮度鹵素?zé)?，由?shí)驗(yàn)者按照從“弱-強(qiáng)”仔細(xì)調(diào)節(jié)光源電位器取得多種光照度 ，每選一種照度選擇3種反向偏壓測試記錄，測出光敏三極管在相對光照度為“弱光”到逐步增強(qiáng)的光電流數(shù)據(jù)，其中（1K為取樣電阻）。記錄下表光敏三極管光照特性測試數(shù)據(jù)表（電壓： ）照度UR（伏）光電

19、流光敏三極管光照特性測試數(shù)據(jù)表（電壓： ）照度UR（伏）光電流光敏二極管光照特性測試數(shù)據(jù)表（電壓： ）照度UR（伏）光電流根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出光敏三極管的光照特性曲線。思考題：光敏三極管工作的原理與半導(dǎo)體三極管相似，為什么光敏三極管有兩根引出電極就可以正常工作？實(shí)驗(yàn)六 光敏三極管對不同光譜的響應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理： 在光照度一定時，光敏三極管輸出的光電流隨波長的改變而變化，一般說來，對于發(fā)射與接收的光敏器件，必須由同一種材料制成才能有此較好的波長響應(yīng)，這就是光學(xué)工程中使用光電對管的原因。圖6-1光敏三極管的光譜特性 圖6-2實(shí)驗(yàn)所需部件： 光敏三極管、發(fā)光二極管（包括紅外發(fā)射管、各種顏色的LED）、試件插座

20、、直流穩(wěn)壓電源、電壓表（自備4 1/2位）實(shí)驗(yàn)步驟： 1. 按圖6-2接好光敏三極管測試電路，電路中的光敏三極管為紅外接收管，光源采用紅外發(fā)光二極管，必須注意發(fā)光二極管的接線方向。發(fā)光二極管的光都是通過頂端的透鏡發(fā)射的，因此實(shí)驗(yàn)時必須注意二極管與三極管的相對位置。(頂端透鏡相對) 2. 接好如圖1-6所示的發(fā)光二極管電路，注意發(fā)光二極管限流電阻阻值的調(diào)節(jié)（電位器阻值的調(diào)節(jié)一定要按從大到小的原則），發(fā)光二極管可插在試件插座上。實(shí)驗(yàn)中發(fā)光源可用多種顏色的LED。3. 用黑色膠管將發(fā)光二極管與光敏三極管對頂相連，并用遮光罩將它們罩住，如果光譜一致的話則測試電路輸出端信號變化較大，反之則說明發(fā)射與接收

21、不配對，需更換發(fā)光源。4. 調(diào)整發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度（可調(diào)節(jié)電位器）或改變與光敏管的相對位置，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。注意事項(xiàng)：發(fā)光二極管限流電阻一定不能太小，否則將損壞發(fā)光管。實(shí)驗(yàn)七 光電池特性測試.實(shí)驗(yàn)原理:光電池的結(jié)構(gòu)其實(shí)是一個較大面積的半導(dǎo)體PN結(jié)，工作原理是光生伏特效應(yīng),當(dāng)負(fù)載接入PN兩極（電路中的E）后即得到功率輸出。在一定光照度下，硅光電池的伏安特性呈非線性。當(dāng)光照射硅光電池的時候，將產(chǎn)生一個由N區(qū)流向P區(qū)的光生電流；同時由于PN結(jié)二極管的特性，存在正向二極管管電流，此電流方向與光生電流方向相反。所以實(shí)際獲得的電流為： 圖7-3硅光電池光照特性曲線式中V為結(jié)電壓，為二極管反向飽和電流，n為理

22、想系數(shù)，表示PN結(jié)的特性，通常在1和2之間，為波爾茲曼常熟，T為絕對溫度。短路電流是指負(fù)載電阻相對于光電池的內(nèi)阻來講是很小的時候的電流。在一定的光照度下，當(dāng)光電池被短路時，結(jié)電壓V為0，從而有： 負(fù)載電阻在20歐姆以下時，短路電流與光照有比較好的線性關(guān)系，負(fù)載電阻過大，則線性會變壞。開路電壓則是指負(fù)載電阻遠(yuǎn)大于光電池的內(nèi)阻時硅光電池兩端的電壓，而當(dāng)硅光電池的輸出端開路時有，由（3）（4）式可得開路電壓為： 圖7-3為硅光電池的光照特性曲線。開路電壓與光照度之間為對數(shù)關(guān)系，因而具有飽和性。因此，把硅光電池作為敏感元件時，應(yīng)該把它當(dāng)作電流源的形式使用，即利用短路電流與光照度成線性的特點(diǎn)，這是硅光電

23、池的主要優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)所需器件: 兩種光電池、各類光源、實(shí)驗(yàn)選配電路、電壓表(4 1/2位)自備、微安表（毫安表）、激光器、照度計(jì)（用戶選配）實(shí)驗(yàn)步驟:圖7-1為光電池結(jié)構(gòu)原理及測試電路，圖中E為光電池。1. 光電池短路電流測試：光電池的內(nèi)阻在不同光照時是不同的，所以在測得暗光條件下光電池的內(nèi)阻后（圖7-1左）,應(yīng)選用相對小得多的負(fù)載電阻。(這樣所測得的電流近似短路電流)，試用阻值為1、5、10、20、30或更大的的負(fù)載電阻接入測試電路。打開光源，在不同的距離和角度照射光電池，記錄光電流的變化情況，可以看出，負(fù)載電阻越小（小于20歐姆），光電流與光強(qiáng)的線性關(guān)系就越好。2. 光電池光電特性測試：光電池的光生電動勢與光電流和光照度的關(guān)系為光電池的光電特性。用遮光罩蓋住光電器件模板，用電壓表或4 1/2位萬用表測得光電池的電勢，取走遮光罩，打開光源燈光，改變燈光投射角度與光電池的距離，即改變光電池接收的光通量，測量光生電動勢與光電流的變化情況，并將測試數(shù)據(jù)填入下表：照度光生電勢光電流可以看出，它們之間的關(guān)系是非線性的，當(dāng)達(dá)到一定程度的光強(qiáng)后，開路電壓就趨于飽和了。 3. 硅光電池的伏安特性測試按照圖7-1所示連接好實(shí)驗(yàn)線路，其中負(fù)載電阻用選配單元中的