實驗一 光電探測原理實驗

1、福建師范大學(xué)物理與光電信息科技學(xué)院 光電檢測技術(shù)實驗實驗一實驗一 光電探測原理實驗一、內(nèi)容簡介光電探測原理實驗箱，是本公司為適合光電子、信息工程、物理等專業(yè)教學(xué)內(nèi)容的需要，最新推出的光電類教學(xué)實驗裝置。本實驗箱從了解和熟悉光電二極管和光電池的角度出發(fā)，討論關(guān)于光電二極管和光電池的主要技術(shù)問題，主要知識點包括：光照度及其測量基本知識；光電池的結(jié)構(gòu)、工作原理和光照特性及其應(yīng)用；光電二極管的結(jié)構(gòu)、工作原理和光照特性及其應(yīng)用等。本實驗系統(tǒng)注重理論與實踐的緊密結(jié)合，突出實用性，可作為光測控技術(shù)、光電子技術(shù)、光電子儀器儀表及精密儀器等專業(yè)本科生和研究生課堂實驗與研究。二、實驗箱說明實驗箱配備有012V可調(diào)

2、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(xué)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(xué)生配合其它元件自己動手搭建實驗之用，提高學(xué)生動手動腦能力。面板操作示意圖：實驗（一） 光照度測試一、實驗?zāi)康?、了解光照度基本知識；2、了解光照度測量基本原理；3、學(xué)會光照度的測量方法。二、實驗內(nèi)容福建師范大學(xué)物

3、理與光電信息科技學(xué)院 光電檢測技術(shù)實驗實驗一對光照度進行測量，觀察現(xiàn)象。三、預(yù)備知識1、光照度基本知識光照度是光度計量的主要參數(shù)之一，而光度計量是光學(xué)計量最基本的部分。光度量是限于人眼能夠見到的一部分輻射量，是通過人眼的視覺效果去衡量的，人眼的視覺效果對各種波長是不同的，通常用V（）表示，定義為人眼視覺函數(shù)或光譜光視效率。因此，光照度不是一個純粹的物理量，而是一個與人眼視覺有關(guān)的生理、心理物理量。光照度是單位面積上接收的光通量，因而可以導(dǎo)出：由一個發(fā)光強度I的點光源，在相距L處的平面上產(chǎn)生的光照度與這個光源的發(fā)光強度成正比，與距離的平方成反比，即：E=I/L式中：E光照度，單位為Lx；I光源發(fā)

4、光強度，單位為cd；L距離，單位為m。2、光照度計的結(jié)構(gòu)光照度計是用來測量照度的儀器，它的結(jié)構(gòu)原理如圖1.1。圖 1.1圖中D為光探測器，圖1.2為典型的硅光探測器的相對光譜響應(yīng)曲線；C為余弦校正器，在光照度測量中，被測面上的光不可能都來自垂直方向，因此照度計必須進行余弦修正，使光探測器不同角度上的光度響應(yīng)滿足余弦關(guān)系。余弦校正器使用的是一種漫透射材料，當(dāng)入射光不論以什么角度射在漫透射材料上時，光探測器接收到的始終是漫射光。余弦校正器的透光性要好；F為V（）校正器，在光照度測量中，除了希望光探測器有較高的靈敏度、較低的噪聲、較寬的線性范圍和較快的響應(yīng)時間等外，還要求相對光譜響應(yīng)符合視覺函數(shù)V（

5、），而通常光探測器的光譜響應(yīng)度與之相差甚遠，因此需要進行V（）匹配。匹配基本上都是通過給光探測器加適當(dāng)?shù)臑V光片（V（）濾光片）來實現(xiàn)的，滿足條件的濾光片往往需要不同型號和厚度的幾片顏色玻璃組合來實現(xiàn)匹配。當(dāng)D接收到通過C和F的光輻射時，所產(chǎn)生的光電信號，首先經(jīng)過I/V變換，然后經(jīng)過運算放大器A放大，最后在顯示器上顯示出相應(yīng)的信號定標(biāo)后就是照度值。福建師范大學(xué)物理與光電信息科技學(xué)院 光電檢測技術(shù)實驗實驗一3、照度測量的誤差因素1）照度計相對光譜響應(yīng)度與V（）的偏離引起的誤差。2）接收器線性：也就是說接收器的響應(yīng)度在整個指定輸出范圍內(nèi)為常數(shù)。3）疲勞特性：疲勞是照度計在恒定的工作條件下，由投射照度

6、引起的響應(yīng)度可逆的暫時的變化。4）照度計的方向性響應(yīng)。5）由于量程改變產(chǎn)生的誤差：這個誤差是照度計的開關(guān)從一個量程變到鄰近量程所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。6）溫度依賴性：溫度依賴性是用環(huán)境溫度對照度頭絕對響應(yīng)度和相對光譜響應(yīng)度的影響來表征。7）偏振依賴性：照度計的輸出信號還依賴于光源的偏振狀態(tài)。8）照度頭接收面受非均勻照明的影響。四、實驗儀器光電探測原理實驗箱 一臺五、實驗注意事項1、打開電源之前，將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)至最小值，照度計檔位調(diào)到20Lx檔。2、若照度計表頭顯示為“1”時說明超過量程，應(yīng)該增大量程。六、實驗步驟1、插上三相電源線，打開電源開關(guān)。2、順時針緩慢調(diào)節(jié)“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕，增

7、大光照度，觀察照度值的變化。當(dāng)表頭顯示為“1”時，說明已經(jīng)超過量程，此時應(yīng)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(dāng)表頭顯示為“1”時，說明已經(jīng)超過量程，此時應(yīng)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(guān)閉電源。七、實驗報告要求1、觀察實驗現(xiàn)象，不用填寫實驗過程原始記錄。2、寫出完成本次實驗后的心得體會以及對本次實驗的改進意見。八、思考題光照度不變，在量程轉(zhuǎn)換的時候照度值讀數(shù)有什么不同？試分析一下原因。實驗（二） 光電二極管光電特性測試一、

8、實驗?zāi)康?、了解光電二極管的工作原理和使用方法；2、掌握光電二極管的光照度特性及其測試方法。二、實驗內(nèi)容1、暗電流測試；2、當(dāng)光電二極管的偏置電壓一定時，光電二極管的輸出光電流與入射光的照度的關(guān)系測量。三、預(yù)備知識光生伏特效應(yīng)：光生伏特效應(yīng)是一種內(nèi)光電效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)是光照使不均勻半導(dǎo)體或均勻半導(dǎo)體中光生電子和空穴在空間分開而產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。對于不均勻半導(dǎo)體，由于同質(zhì)的半導(dǎo)體不同的摻雜形成的PN結(jié)、不同質(zhì)的半導(dǎo)體組成的異質(zhì)結(jié)或金屬與半導(dǎo)體接觸形成的肖特基勢 3福建師范大學(xué)物理與光電信息科技學(xué)院 光電檢測技術(shù)實驗實驗一 壘都存在內(nèi)建電場，當(dāng)光照射這種半導(dǎo)體時，由于半導(dǎo)體對光的吸收而產(chǎn)生了光生

9、電子和空穴，它們在內(nèi)建電場的作用下就會向相反的方向移動和聚集而產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象是最重要的一類光生伏特效應(yīng)。均勻半導(dǎo)體體內(nèi)沒有內(nèi)建電場，當(dāng)光照射時，因眼光生載流子濃度梯度不同而引起載流子的擴散運動，且電子和空穴的遷移率不相等，使兩種載流子擴散速度的不同從而導(dǎo)致兩種電荷分開，而出現(xiàn)光生電勢。這種現(xiàn)象稱為丹倍效應(yīng)。此外，如果存在外加磁場，也可使得擴散中的兩種載流子向相反方向偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生光生電勢。通常把丹倍效應(yīng)和光磁電效應(yīng)成為體積光生伏特效應(yīng)。四、實驗儀器1、光電探測原理實驗箱 一臺2、連接導(dǎo)線 若干五、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

10、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)換能力，PN結(jié)的深度較普通二極管淺。圖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）。a b c d圖 2.1光電二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)（見圖2.

11、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(dāng)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?fàn)顟B(tài)，受光照射時處于導(dǎo)通狀態(tài)。L圖 2.2福建師范大學(xué)物理與光電信息科技學(xué)院 光電檢測技術(shù)實驗實驗一隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，光信號在探測靈敏度、光譜響應(yīng)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

12、，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(yīng)波長大于硅器件，但實際應(yīng)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極，如圖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?。ㄐ∮?/p>

13、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(guān)，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(zhǔn)是值得注意的問題。采用平面鏡作窗口，雖然沒有對準(zhǔn)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。圖 2.32、光電二極管的基本光照特性光電二極管在一定偏壓下，當(dāng)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線性關(guān)系。當(dāng)沒有光照射時，測得的電流為暗電流。六、實驗注意事項1、光電二極管偏壓不要接反；2、

14、若照度計或電流表顯示為“1”時說明超出量程，應(yīng)改為合適的量程再測試；3、連線之前要保證電源關(guān)閉。七、實驗步驟實驗裝置原理框圖如圖2.4所示。圖 2.41、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(dǎo)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。福建師范大學(xué)物理與光電信息科技學(xué)院 光電檢測技術(shù)實驗實驗一2、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(guān)，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(yīng)的光生電流值，填入表2.1。3、將“光照度調(diào)節(jié)”旋

15、鈕逆時針調(diào)節(jié)到最小值位置后關(guān)閉電源。 4、作出零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(dǎo)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(guān)，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(guān)閉電源開關(guān)，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2.4中的Ui+端）與RL1相連，將“直流電源”接地端（即圖2.4中的Ui-端）與電流表“”端用導(dǎo)線連接。將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)至最小值

16、位置，打開電源開關(guān)，記下此時電流表的讀數(shù)，即為暗電流值。7、重復(fù)步驟2,將數(shù)據(jù)填入表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(guān)閉電源，拆除所有連線。八、實驗報告要求1、根據(jù)實驗測試記錄，在坐標(biāo)紙上畫出不同偏壓下的照度電流曲線圖，并分析實驗現(xiàn)象。 2、寫出完成本次實驗后的心得體會以及對本次實驗的改進意見。九、思考題分析并比較零偏壓和-6V偏壓下光照度電流曲線的區(qū)別，分析區(qū)別產(chǎn)生的原因。實驗（三） 光電二極管伏安特性測試一、實驗?zāi)康?、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(yīng)用；3、理解光電二極管的伏安特性并掌握其測試

17、方法。二、實驗內(nèi)容在光照度下一定的情況下，光電二極管的伏安特性測試。福建師范大學(xué)物理與光電信息科技學(xué)院 光電檢測技術(shù)實驗實驗一三、實驗儀器1、光電探測原理實驗箱 一臺2、連接導(dǎo)線 若干四、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(guān)系稱為伏安特性，如圖3.1。0.101200 Lx 0.080.061000 Lx 0.04800 Lx0.02400 Lx200 Lx 0反向電壓/ V圖 3.1五、實驗注意事項1、光電二極管偏壓不要接反；2、電流表顯示為“1”時說明超出量程，應(yīng)改為合適的量程再測試；3、電壓表置于20V檔。連線之前保證電源關(guān)閉。六、實驗步驟實驗裝置原理框圖如圖3

18、.2所示。圖 3.21、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(dǎo)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(guān)，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(guān)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)”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

19、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(guān)，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。 7 I / mA福建師范大學(xué)物理與光電信息科技學(xué)院 光電檢測技術(shù)實驗實驗一5、重復(fù)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3.1。關(guān)閉表 3.16、作出50Lx照度下的光電二極管伏安特性曲線。7、重復(fù)上述步驟。分別測量光電二極管在100Lx、200Lx和300Lx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。比較四條伏安特性特性曲線有什么不同。8、實驗完畢，拆

20、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。七、實驗報告要求1、根據(jù)實驗測試記錄，在坐標(biāo)紙上畫出各伏安特性曲線圖，并分析實驗現(xiàn)象。2、寫出完成本次實驗后的心得體會以及對本次實驗的改進意見實驗。八、思考題分析并比較四條伏安特性曲線的區(qū)別，分析區(qū)別產(chǎn)生的原因。實驗（四） 光電池光電特性測試一、實驗?zāi)康?、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。二、實驗內(nèi)容1、光電池開路電壓特性測試；2、光電池短路電流特性測試。三、實驗儀器1、光電探測原理實驗箱 1 臺2、連接導(dǎo)線 若干四、實驗原理1、結(jié)構(gòu)原理光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。光電池在有

21、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(yīng)”。它實質(zhì)上是一個大面積的PN結(jié)，當(dāng)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(dǎo)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(guān)的電動勢。 圖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。電極 (a)(b)圖 4.1 硅光電池原理圖 8福建師范大學(xué)物理與光電信息科技學(xué)院 光電檢測技術(shù)實驗實驗一2、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，

22、如圖4.2。100硒80 硅604020S / %040060080010001200l / nm圖 4.2 硅光電池的光譜特性(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(guān)系就是光照特性，如圖4.3。0.30.6光生電流 / mA0.20.10.4短路電流0.2002 000光照度 /Lx4 000圖 4.3 硅光電池的光照電流電壓特性五、注意事項1、當(dāng)電壓表和電流表顯示為“1”是說明超過量程，應(yīng)更換為合適量程；2、連線之前保證電源關(guān)閉。六、實驗步驟1、開路電壓特性測試實驗裝置原理框圖如圖4.4所示。光生電壓/ V開路電壓圖 4.4（1）將“光電池電壓輸

23、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(guān) 。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 9福建師范大學(xué)物理與光電信息科技學(xué)院 光電檢測技術(shù)實驗實驗一下的開路電壓值，填入表4.1。表 4.1（3）關(guān)閉電源開關(guān)，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4.5所示。圖 4.5（1）將“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(guān)。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（3）關(guān)閉電源開關(guān)，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。七、實驗報告要求1、根據(jù)實驗測試記錄，在坐標(biāo)紙上畫出光照度開路電壓特性曲線和光照度短路電流特性曲線圖，并分析實驗現(xiàn)象。2、寫出完成本次實驗后的心得體會以及對本次實驗的改進意見。八、思考題比較光照度-開路電壓和光照度-短路電流曲線的