光電探測實驗原理

1、光電探測原理實驗實驗箱說明實驗箱配備有012V可調(diào)的直流電壓源，可為光電二極管提供可以調(diào)節(jié)的偏置電壓。本實驗箱還配有照度計、電壓表和電流表，各表頭顯示單元和各種調(diào)節(jié)單元都放在面板上，而光源、照度計探頭、硅光電池和硅光電二極管等不需要經(jīng)常移動的器件都在實驗箱里面固定，所有引出線都通過連線連接到面板上，學生做實驗時只需要簡單連線即可，連線、調(diào)節(jié)、觀察和記錄都很方便。實驗箱還配備10K粗調(diào)電位器RP1和47K多圈精密細調(diào)電位器RP2，可供學生配合其它元件自己動手搭建實驗之用，提高學生動手動腦能力。面板操作示意圖(如圖2)：實驗2-1 光照度測試實驗目的1、了解光照度基本知識；2、了解光照度測量基本原

2、理；3、學會光照度的測量方法。實驗儀器光電探測原理實驗箱 1臺 實驗步驟1、插上三相電源線，打開電源開關。2、順時針緩慢調(diào)節(jié)“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕，增大光照度，觀察照度值的變化。當表頭顯示為“1”時，說明已經(jīng)超過量程，此時應更換量程為200Lx檔。3、繼續(xù)緩慢增大光照度，觀察照度值的變化。當表頭顯示為“1”時，說明已經(jīng)超過量程，此時應更換量程為2000Lx檔。4、繼續(xù)緩慢增大光照度，觀察照度值的變化，注意觀察在相鄰量程轉(zhuǎn)換時候的數(shù)值變化。5、將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕調(diào)至最小值位置，照度計檔位調(diào)到20Lx檔，關閉電源。實驗2-2 光電二極管光電特性測試實驗目的1、了解光電二極管的工作原理和使用方法；2、

3、掌握光電二極管的光照度特性及其測試方法。實驗儀器1、光電探測原理實驗箱 1臺2、連接導線 若干 實驗原理1、光電二極管結(jié)構(gòu)原理光電二極管的核心部分也是一個PN結(jié)，和普通二極管相比有很多共同之處，它們都有一個PN結(jié)，因此均屬于單向?qū)щ娦缘姆蔷€性元件。但光電二極管作為一種光電器件，也有它特殊的地方。例如，光電二極管管殼上的一個玻璃窗口能接收外部的光照；光電二極管PN結(jié)勢壘區(qū)很薄，光生載流子的產(chǎn)生主要在PN結(jié)兩邊的擴散區(qū)，光電流主要來自擴散電流而不是漂移電流；又如，為了獲得盡可能大的光電流，PN結(jié)面積比普通二極管要大的多，而且通常都以擴散層作為受光面，因此，受光面上的電極做的很小。為了提高光電轉(zhuǎn)換能

4、力，PN結(jié)的深度較普通二極管淺。圖2-2.1為光電二極管外形圖（a）、結(jié)構(gòu)簡圖（b）、符號（c） 和等效電路圖（d）。光電二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)（見圖2-2.2，圖中E為反向偏置電壓），在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很?。ㄒ话阈∮?.1微安），這個反向電流稱為暗電流，當光照射在PN結(jié)上，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對，稱為光生載流子。它們在PN結(jié)處的內(nèi)電場作用下作定向運動，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。如果在外電路上接上負載，負載上就獲得了電信號。因此光電二極管在不受光照射時處于截止狀態(tài)，受光照射時處于導通狀態(tài)隨著光電子技術的發(fā)展，光信號

5、在探測靈敏度、光譜響應范圍及頻率特性等方面的要求越來越高，為此，近年來出現(xiàn)了許多性能優(yōu)良的光伏探測器，如硅、鍺光電二極管、PIN 光電二極管、雪崩光電二極管（APD）等。光電二極管目前多采用硅或鍺制成，但鍺器件暗電流溫度系數(shù)遠大于硅器件，工藝也不如硅器件成熟，雖然它的響應波長大于硅器件，但實際應用尚不及后者廣泛。下面著重介紹硅光電二極管的結(jié)構(gòu)及工作原理。普通PN結(jié)硅光電二極管存在表面漏電流，為了減小表面漏電流，在器件的SiO2表面保護層中間擴散一個環(huán)行PN結(jié)，給環(huán)行結(jié)稱為環(huán)極。在有環(huán)極的硅光電二極管中，通常有三根引出線：環(huán)極、前極和后極。通常環(huán)極接電源正極，后極接電源負極，前極通過負載接電源正

6、極，如圖2-2.3。由于環(huán)極電位高于前極在環(huán)極形成阻擋層阻止表面漏電流流過，可使得負載的漏電流很小(小于0.05A)。若不使用環(huán)極也可將其斷開做為空腳。硅光電二極管的封裝可采用平面鏡和聚焦透鏡作入射窗口。采用凸透鏡有聚光作用，有利于提高靈敏度。由于聚焦位置與入射光方向有關，因此能夠減小雜散背景光的干擾，但也引起靈敏度隨入射光方向而變化。所以在實際使用中入射光的對準是值得注意的問題。采用平面鏡作窗口，雖然沒有對準問題但要受到背景雜散光的干擾，在具體使用時，視系統(tǒng)的要求而定。2、光電二極管的基本光照特性光電二極管在一定偏壓下，當入射光的強度發(fā)生變化，通過光電二極管的電流隨之變化，并且光電流和照度成

7、線性關系。當沒有光照射時，測得的電流為暗電流。實驗步驟實驗裝置原理框圖如圖2-2.4所示。1、負載RL選擇RL1=2.4K。將面板上“光電二極管偏置電壓輸入”端與電流表“”端用導線連接，電流表“”端與RL1任一端連接，RL1另一端與“光電二極管偏置電壓輸入”端相連，此時光電二極管偏壓為零。2、電流表檔位調(diào)節(jié)至20A檔，將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)至最小值位置。打開電源開關，順時針調(diào)節(jié)該旋鈕，增大光照度值，分別記下不同照度下對應的光生電流值，填入表2.2.1。若電流表或照度計顯示為“1”時說明超出量程，應改為合適的量程再測試。3、將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)到最小值位置后關閉電源。4、作出零

8、偏壓下光電二極管的光照度電流曲線。5、將電壓表調(diào)到20V檔，“幅度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)至最小值位置。將“直流電源0-12V”端與電壓表“”端用導線連接，將“直流電源”的另一端（接地端）與電壓表“”端相連。打開電源開關，順時針調(diào)節(jié)“幅度調(diào)節(jié)”旋鈕，直至電壓表顯示為6.00V為止。關閉電源開關，拆掉電壓表兩端與“直流電源”兩端之間的連線，拆掉電流表“”端與RL1之間的連線。6、將“直流電源0-12V”端（即圖2-2.4中的Ui+端）與RL1相連，將“直流電源”接地端（即圖2-2.4中的Ui-端）與電流表“”端用導線連接。將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)至最小值位置，打開電源開關，記下此時電流表的讀數(shù)，

9、即為暗電流值。7、重復步驟2,將數(shù)據(jù)填入表2.2.2中。作出在6V偏壓下光電二極管的光照度電流曲線。8、比較兩條曲線的區(qū)別。9、實驗完畢，關閉電源，拆除所有連線。數(shù)據(jù)處理：實驗數(shù)據(jù)貼在報告后面，數(shù)據(jù)處理如下，零偏壓下光電二極管的光照度電流曲線：6V偏壓下光電二極管的光照度電流曲線：通過這兩條曲線的比較，可以得知，在6V偏壓下，二極管的光照度電流曲線的斜率要比在零偏壓下光電二極管的光照度電流曲線斜率要大。實驗2-3 光電二極管伏安特性測試實驗目的1、加深對光電二極管的工作原理的理解；2、進一步熟悉光電二極管的基本應用；3、理解光電二極管的伏安特性并掌握其測試方法。實驗儀器1、光電探測原理實驗箱

10、1臺2、連接導線 若干實驗原理光電二極管的基本特性：光電二極管的輸出光電流與偏壓的關系稱為伏安特性，如圖2-3.1。實驗步驟實驗裝置原理框圖如圖3-3.2所示。1、負載RL選擇RL1=2.4K。將“光電二極管偏置電壓輸入”端與電流表“”端用導線連接，電流表“”端與RL1任一端連接，RL1另一端與“光電二極管偏置電壓輸入”端相連，此時光電二極管偏壓為零。2、電流表檔位調(diào)節(jié)至20A檔，“光照度調(diào)節(jié)“旋鈕逆時針調(diào)節(jié)至最小值位置。打開電源開關，順時針調(diào)節(jié)照度調(diào)節(jié)旋鈕，使照度值為50Lx，記下此時電流表讀數(shù)，填入表3.1。關閉電源，拆掉電流表“”端與RL1之間的連線。3、電壓表調(diào)到20V檔，“幅度調(diào)節(jié)”

11、旋鈕逆時針調(diào)至最小值位置。將“直流電源0-12V”端與RL1連接，將“直流電源另一端（接地端）與電流表“”端連接。再將電壓表“”端與“直流電源0-12V”端相連，“直流電源”接地端與電壓表“”端相連。4、打開電源開關，調(diào)節(jié)“幅度調(diào)節(jié)”旋鈕，直至電壓表顯示為2.00V為止，記下光電二極管所加反向偏壓為2V時電流表的讀數(shù)，填入表3.1。5、重復步驟4，分別記下反向偏壓為4V、6V、8V和10V時的電流表讀數(shù)，填入表2.3.1。關閉電源。6、作出50Lx照度下的光電二極管伏安特性曲線。7、重復上述步驟。分別測量光電二極管在100Lx、200Lx照度下，不同偏壓下的光生電流值，并分別作出伏安特性曲線。

12、比較三條伏安特性特性曲線有什么不同。8、實驗完畢，拆除所有連線。將“幅度調(diào)節(jié)”和“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕都逆時針旋到底。數(shù)據(jù)處理：實驗數(shù)據(jù)貼在報告后面，數(shù)據(jù)處理如下 ： 50Lx照度下的光電二極管伏安特性曲線：100Lx照度下的光電二極管伏安特性曲線：200Lx照度下的光電二極管伏安特性曲線：通過比較在50Lx、100Lx、200Lx照度下的光電二極管伏安特性曲線，可知，隨著照度越大，曲線的斜率越大。實驗2-4 光電池光電特性測試實驗目的1、了解光電池的工作原理和基本使用方法；2、掌握光電池的伏安特性及其測試方法。實驗儀器1、光電探測原理實驗箱 1 臺2、連接導線 若干實驗原理1、結(jié)構(gòu)原理光電池是一

13、種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。光電池在有光線作用時實質(zhì)就是電源，電路中有了這種器件就不需要外加電源。 光電池的工作原理是基于“光生伏特效應”。它實質(zhì)上是一個大面積的PN結(jié)，當光照射到PN結(jié)的一個面，例如P型面時，若光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，那么P型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對自由電子和空穴， 電子-空穴對從表面向內(nèi)迅速擴散， 在結(jié)電場的作用下，最后建立一個與光照強度有關的電極(a)(b)電動勢。 圖2-4.1為硅光電池原理圖。其中（a) 結(jié)構(gòu)示意圖； (b) 等效電路。圖2-4.1 硅光電池原理圖2、光電池基本特性(1) 光譜特性 光電池對不同波長的光的靈敏度是不同的，如圖2-4.2

14、。(2) 光照特性 光電池在不同光照度下， 其光電流和光生電動勢是不同的，它們之間的關系就是光照特性，如圖2-4.3。實驗步驟1、開路電壓特性測試實驗裝置原理框圖如圖2-4.4所示。（1）將“光電池電壓輸出”端與電壓表“”端相連，“光電池電壓輸出”端與電壓表“”端相連。電壓表檔位調(diào)至2V檔，“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)至最小值位置。（2）打開電源開關 。順時針調(diào)節(jié)“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕，逐漸增大光照度，記下不同光照度下的開路電壓值，填入表2.4.1。（3）關閉電源開關，照度值調(diào)至最小，拆除所有連線。（4）作出光照度開路電壓特性曲線。2、短路電流特性測試實驗裝置原理框圖如圖2-4.5所示。（1）將“

15、光電池電壓輸出”端與電流表“”端相連，“光電池電壓輸出”端與電流表“”端相連。電流表檔位調(diào)至20A檔，“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)至最小值位置。（2）打開電源開關。順時針調(diào)節(jié)“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕，逐漸增大光照度，記下不同光照度下的短路電流值，填入表4.2。（3）關閉電源開關，照度值調(diào)至最小，拆除所有連線。（4）作出光照度短路電流特性曲線。數(shù)據(jù)處理：實驗數(shù)據(jù)貼在報告后面，數(shù)據(jù)處理如下 ：光照度開路電壓特性曲線如下：光照度短路電流特性曲線：通過比較兩條曲線可以知道，光照度與短路電流更接近線性關系。實驗2-5 光電池伏安特性測試實驗目的1、加深對光電池的工作原理的理解；2、進一步熟悉光電池的基本應用；

16、3、理解光電池的伏安特性并掌握其測試方法。實驗儀器1、光電探測原理實驗箱 1 臺2、連接導線 若干 實驗原理相同照度下，光電池的輸出電流和電壓會隨負載的變化而變化。實驗步驟實驗裝置原理框圖如圖2-5.1所示。1、負載選擇RL1=2.4K。將“光電池電壓輸出”端與電阻RL1任一端連接，電阻RL1另一端與電流表“”端相連，電流表“”端與“光電池電壓輸出”端相連，再將電壓表兩端與“光電池電壓輸出”兩端用導線相連接（注意極性不要接反）?！肮庹斩日{(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)至最小值位置。將電壓表選擇2V檔，電流表選擇200A檔。2、打開電源，將光照度調(diào)節(jié)至50Lx，記錄電流表和電壓表讀數(shù)，填入表5.1。3、將負載換成分別換成RL2、RL3、R1和R2，阻值分別為5.6 K、10 K、51K和100 K，重復步驟1和2，分別記錄電流表和電壓表的讀數(shù)，填入表2.5.1。關閉電源。4、作出光電池的光生電流和光生電壓隨負載變化的V-I曲線。5、改變光照度為100Lx、200Lx、重復上述步驟，分別填寫表2.5.2、2.5.3。6、比較三條曲線有什么不同，并分析原