光電二極管特性測(cè)試及其變換電路

1、光電二極管特性測(cè)試及其變換電路1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 學(xué)習(xí)掌握光電二極管的工作原理(2) 學(xué)習(xí)掌握光電二極管的基本特性(3) 掌握光電二極管特性測(cè)試的方法(4) 了解光電二極管的基本應(yīng)用2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(1) 光電二極管暗電流測(cè)試實(shí)驗(yàn)(2) 光電二極管光電流測(cè)試實(shí)驗(yàn)(3) 光電二極管伏安特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)(4) 光電二極管光電特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)(5) 光電二極管時(shí)間特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)(6) 光電二極管光譜特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)3 實(shí)驗(yàn)儀器(1) 光電器件實(shí)驗(yàn)儀 1臺(tái)(2) 示波器 1臺(tái)(3) 萬用表 1個(gè)(4) 計(jì)算機(jī) 1套4 實(shí)驗(yàn)原理光電二極管又稱光敏二極管。制造一般光電二極管的材料幾乎全部選用硅或鍺的單晶材料。由于硅器件較鍺

2、器件暗電流、溫度系數(shù)都小得多,加之制作硅器件采用的平面工藝使其管芯結(jié)構(gòu)很容易精確控制，因此,硅光電二極管得到了廣泛應(yīng)用。光電二極管的結(jié)構(gòu)和普通二極管相似，只是它的PN結(jié)裝在管殼頂部，光線通過透鏡制成的窗口，可以集中照射在PN結(jié)上，圖1（a）是其結(jié)構(gòu)示意圖。光敏二極管在電路中通常處于反向偏置狀態(tài)，如圖1（b）所示。 （a）結(jié)構(gòu)示意圖 （b）基本電路圖1 光電二極管結(jié)構(gòu)圖PN結(jié)加反向電壓時(shí)，反向電流的大小取決于P區(qū)和N區(qū)中少數(shù)載流子的濃度，無光照時(shí)P區(qū)中少數(shù)載流子(電子)和N區(qū)中的少數(shù)載流子(空穴)都很少，因此反向電流很小。但是當(dāng)光照射PN結(jié)時(shí)，只要光子能量hv大于材料的禁帶寬度，就會(huì)在PN結(jié)及其

3、附近產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)，從而使P區(qū)和N區(qū)少數(shù)載流子濃度大大增加。這些載流子的數(shù)目，對(duì)于多數(shù)載流子影響不大，但對(duì)P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子來說，則會(huì)使少數(shù)載流子的濃度大大提高，在反向電壓（P區(qū)接負(fù)，N區(qū)接正）作用下，反向飽和漏電流大大增加，形成光電流，該光電流隨入射光照度的變化而相應(yīng)變化。光電流通過負(fù)載RL時(shí)，在電阻兩端將得到隨人射光變化的電壓信號(hào)如果入射光的照度改變，光生電子空穴對(duì)的濃度將相應(yīng)變動(dòng)，通過外電路的光電流強(qiáng)度也會(huì)隨之變動(dòng)，光敏二極管就把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電信號(hào)。5 注意事項(xiàng)1、實(shí)驗(yàn)之前，請(qǐng)仔細(xì)閱讀光電探測(cè)綜合實(shí)驗(yàn)儀說明，弄清實(shí)驗(yàn)箱各部分的功能及撥位開關(guān)的意義；2、當(dāng)電壓表和電流表顯示為“1

4、”是說明超過量程，應(yīng)更換為合適量程；3、連線之前保證電源關(guān)閉。4、實(shí)驗(yàn)過程中，請(qǐng)勿同時(shí)撥開兩種或兩種以上的光源開關(guān)，這樣會(huì)造成實(shí)驗(yàn)所測(cè)試的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。6 實(shí)驗(yàn)步驟6.1 光電二極管暗電流測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置原理框圖如圖2所示，但是在實(shí)際操作過程中，光電二極管和光電三極管的暗電流非常小，只有nA數(shù)量級(jí)。這樣，實(shí)驗(yàn)操作過程中，對(duì)電流表的要求較高，本實(shí)驗(yàn)中，采用電路中串聯(lián)大電阻的方法，將圖2中的RL改為20M，再利用歐姆定律計(jì)算出支路中的電流即為所測(cè)器件的暗電流，如圖2所示。圖2 光電二極管暗電流測(cè)試電路（1）組裝好光通路組件，將照度計(jì)與照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對(duì)應(yīng)相連（紅為正極，黑為負(fù)極），將光源驅(qū)動(dòng)模塊上J

5、2與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。將三擲開關(guān)S2撥到“靜態(tài)”。（3）將精密直流穩(wěn)壓電源的0-15V輸出的正負(fù)極與電壓表頭的輸入對(duì)應(yīng)相連，打開電源，將直流電流調(diào)到15V，關(guān)閉電源，拆除導(dǎo)線。（4）“光照度調(diào)節(jié)”調(diào)到最小，連接好光照度計(jì)，打開照度計(jì)，此時(shí)照度計(jì)的讀數(shù)應(yīng)為0。（注意：在下面的實(shí)驗(yàn)操作中請(qǐng)不要?jiǎng)与娫凑{(diào)節(jié)電位器，以保證直流電壓輸出電壓不變）（5）按圖2所示的電路連接電路圖，負(fù)載RL選擇RL=20M。（6）打開電源開關(guān)，等電壓表讀數(shù)穩(wěn)定后測(cè)得負(fù)載電阻RL上的壓降V暗，則暗電流L暗=V暗/RL。所得的暗電流即為偏置電壓在15V時(shí)的暗電流.(注:在測(cè)試暗電流時(shí)，應(yīng)先將光電器件置于黑暗環(huán)

6、境中30分鐘以上，否則測(cè)試過程中電壓表需一段時(shí)間后才可穩(wěn)定)（7）實(shí)驗(yàn)完畢，直流電壓電位器調(diào)至最小，關(guān)閉電源，拆除所有連線。6.2 光電二極管光電流測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置原理圖如圖3所示。圖3 光電二極管光電流測(cè)試電路（1）組裝好光通路組件，將照度計(jì)與照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對(duì)應(yīng)相連（紅為正極，黑為負(fù)極），將光源驅(qū)動(dòng)模塊上J2與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。將三擲開關(guān)S2撥到“靜態(tài)”。（3）按圖2-3連接電路圖，E選擇0-15V直流電壓，RL取RL=1K歐。（4）打開電源，緩慢調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)電位器，直到光照為300lx（約為環(huán)境光照），緩慢調(diào)節(jié)直流電壓直至電壓表顯示為6V，此時(shí)電流表的讀數(shù)，即為光電

7、二極管在偏壓6V，光照300lx時(shí)的光電流。（5）實(shí)驗(yàn)完畢，將光照度調(diào)至最小，直流電壓調(diào)至最小，關(guān)閉電源，拆除所有連線。6.3 光電二極管光照特性實(shí)驗(yàn)裝置原理框圖如圖3所示。（1）組裝好光通路組件，將照度計(jì)與照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對(duì)應(yīng)相連（紅為正極，黑為負(fù)極），將光源驅(qū)動(dòng)模塊上J2與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。將三擲開關(guān)S2撥到“靜態(tài)”。（3）按圖2-3所示的電路連接電路圖，E選擇0-15V直流電壓，負(fù)載RL選擇RL=1K歐。（4）將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時(shí)針調(diào)至最小值。打開電源，調(diào)節(jié)直流電壓電位器，直到顯示值為8V左右。順時(shí)針調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)旋鈕，增大光照度值，分別記下不同照度下對(duì)應(yīng)的光

8、生電流值，填入下表。若電流表或照度計(jì)顯示為“1”時(shí)說明超出量程，應(yīng)改為合適的量程再測(cè)試。 表1光電二極管光照特性測(cè)量光照度（Lx）0100200300400500600光生電流（A）（5）將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時(shí)針調(diào)節(jié)到最小值位置后關(guān)閉電源。（6）將以上連接的電路中改為如下圖4連接（即0偏壓）（7）打開電源，順時(shí)針調(diào)節(jié)光照度旋鈕，增大光照度值，分別記下不同照度下對(duì)應(yīng)的光生電流值，填入下表。若電流表或照度計(jì)顯示為“1”時(shí)說明超出量程，應(yīng)改為合適的量程再測(cè)試。圖4 光電二極管光照特性測(cè)量電路圖表2 光電二極管光照特性測(cè)量光照度（Lx）0100200300400500600光生電流（A）（8）根據(jù)上

9、面兩表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在同一坐標(biāo)軸中作出兩條曲線，并進(jìn)行比較。（9）實(shí)驗(yàn)完畢，將光照度調(diào)至最小，直流電壓調(diào)至最小，關(guān)閉電源，拆除所有連線。6.4 光電二極管伏安特性實(shí)驗(yàn)裝置原理框圖如圖5所示。圖5 光電二極管伏安特性電路圖（1）組裝好光通路組件，將照度計(jì)與照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對(duì)應(yīng)相連（紅為正極，黑為負(fù)極），將光源驅(qū)動(dòng)模塊上J2與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。將三擲開關(guān)S2撥到“靜態(tài)”。（3）按圖2-3所示的電路連接電路圖，E選擇0-15V直流電壓，負(fù)載RL選擇RL=2K歐。（4）打開電源，順時(shí)針調(diào)節(jié)照度調(diào)節(jié)旋鈕，使照度值為400Lx，保持光照度不變，調(diào)節(jié)可調(diào)直流電壓電位器，記錄反向偏壓為0

10、V、2V、4V、6V、8V、10V、12V時(shí)的電流表讀數(shù)，填入下表，關(guān)閉電源。表3 光電二極管伏安特性測(cè)量偏壓（V）0-2-4-6-8-10-12光生電流（A）（注意：直流電壓不可調(diào)至高于20V，以免燒壞光電二極管）（5）根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，作出200Lx照度下的光電二極管伏安特性曲線。（6）重復(fù)上述步驟。分別測(cè)量光電二極管在50Lx和100Lx照度下，不同偏壓下的光生電流值，在同一坐標(biāo)軸作出伏安特性曲線。并進(jìn)行比較。（7）實(shí)驗(yàn)完畢，將光照度調(diào)至最小，直流電壓調(diào)至最小，關(guān)閉電源，拆除所有連線。6.5 光電二極管時(shí)間響應(yīng)特性測(cè)試（1） 組裝好光通路組件，將照度計(jì)與照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對(duì)應(yīng)相連（紅為

11、正極，黑為負(fù)極），將光源驅(qū)動(dòng)模塊上J2與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。信號(hào)源方波輸出接口通過BNC線接到方波輸入，正弦波輸入和方波輸入內(nèi)部是并聯(lián)的，可以用示波器通過正弦波如漱口測(cè)量方波信號(hào)。（2） 將三擲開關(guān)S2撥到“脈沖”。（3）按圖6所示的電路連接電路圖，E選擇0-15V直流電壓，負(fù)載RL選擇RL=200k。（4）示波器的測(cè)試點(diǎn)應(yīng)為A點(diǎn)。圖6 光電二極管時(shí)間響應(yīng)特性測(cè)試電路圖（5）打開電源，白光對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管亮，其余的發(fā)光二極管不亮。（6）調(diào)節(jié)正弦波輸入信號(hào)寬度為5ms，重復(fù)頻率100Hz，緩慢調(diào)節(jié)0-15V直流電源電位器到2V，觀察示波器兩個(gè)通道信號(hào)的變化，測(cè)量光敏電阻兩端信號(hào)

12、的重復(fù)頻率、幅值等參數(shù)，并作出實(shí)驗(yàn)記錄（描繪出兩個(gè)通道的U-T曲線）觀察示波器兩個(gè)通道信號(hào)的變化，并作出實(shí)驗(yàn)記錄（描繪出兩個(gè)通道的U-T曲線）。（7）正弦波輸入信號(hào)寬度為5ms，重復(fù)頻率100Hz，緩慢調(diào)節(jié)0-15V直流電源電位器到5V，觀察示波器兩個(gè)通道信號(hào)的變化，測(cè)量光敏電阻兩端信號(hào)的重復(fù)頻率、幅值等參數(shù)，并作出實(shí)驗(yàn)記錄（描繪出兩個(gè)通道的U-T曲線）觀察示波器兩個(gè)通道信號(hào)的變化，并作出實(shí)驗(yàn)記錄（描繪出兩個(gè)通道的U-T曲線）。（8）直流電源電位器5V，緩慢增大輸入脈沖的信號(hào)寬度和重復(fù)頻率，調(diào)節(jié)重復(fù)頻率為100Hz、信號(hào)寬度分別為能夠?qū)崿F(xiàn)波形穩(wěn)定輸出的最大和最小寬度，觀察示波器兩個(gè)通道信號(hào)的變

13、化，測(cè)量光敏電阻兩端信號(hào)的重復(fù)頻率、幅值等參數(shù)，并作出實(shí)驗(yàn)記錄（描繪出兩個(gè)通道的U-T曲線），拆去導(dǎo)線，關(guān)閉電源。（9）實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源，拆除導(dǎo)線。6.6 光電二極管光譜特性測(cè)試當(dāng)不同波長的入射光照到光電二極管上，光電二極管就有不同的靈敏度。本實(shí)驗(yàn)儀采用高亮度LED（白、紅、橙、黃、綠、藍(lán)、紫）作為光源，產(chǎn)生400630nm離散光譜。光譜響應(yīng)度是光電探測(cè)器對(duì)單色入射輻射的響應(yīng)能力。定義為在波長的單位入射功率的照射下，光電探測(cè)器輸出的信號(hào)電壓或電流信號(hào)。光譜響應(yīng)度定義為在波長為的單位入射輻射功率的照射下，光電探測(cè)器輸出的信號(hào)電壓，用公式表示，則為或 (1)式中，為波長為時(shí)的入射光功率；為光電探

14、測(cè)器在入射光功率作用下的輸出信號(hào)電壓；則為輸出用電流表示的輸出信號(hào)電流。通常，測(cè)量光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)多用單色儀對(duì)輻射源的輻射功率進(jìn)行分光來得到不同波長的單色輻射，然后測(cè)量在各種波長輻射照射下光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)V()。然而由于實(shí)際光源的輻射功率是波長的函數(shù)，因此在相對(duì)測(cè)量中要確定單色輻射功率P()需要利用參考探測(cè)器（基準(zhǔn)探測(cè)器）。即使用一個(gè)光譜響應(yīng)度為的探測(cè)器為基準(zhǔn)，用同一波長的單色輻射分別照射待測(cè)探測(cè)器和基準(zhǔn)探測(cè)器。由參考探測(cè)器的電信號(hào)輸出（例如為電壓信號(hào)）可得單色輻射功率，再通過（1）式計(jì)算即可得到待測(cè)探測(cè)器的光譜響應(yīng)度。這里用響應(yīng)度和波長無關(guān)的熱釋電探測(cè)器作參考探測(cè)器，測(cè)得P()入射

15、時(shí)的輸出電壓為。若用表示熱釋電探測(cè)器的響應(yīng)度，則顯然有 （2）這里Kf為熱釋電探測(cè)器前放和主放放大倍數(shù)的乘積，即總的放大倍數(shù)，本實(shí)驗(yàn)取1，為熱釋電探測(cè)器的響應(yīng)度，不同波長數(shù)值見表4，測(cè)試過程中，取相同值，這里取1V。然后在相同的光功率P()下，用硅光電二極管測(cè)量相應(yīng)的單色光，得到輸出電壓，從而得到光電二極管的光譜響應(yīng)度 (3)式中Kb為硅光電二極管測(cè)量時(shí)總的放大倍數(shù)，這里取1。下圖為基準(zhǔn)探測(cè)器的光譜響應(yīng)曲線。圖7 基準(zhǔn)探測(cè)器的光譜響應(yīng)曲線（1）組裝好光通路組件，將照度計(jì)與照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對(duì)應(yīng)相連（紅為正極，黑為負(fù)極），將光源驅(qū)動(dòng)模塊上J2與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。將將三擲開關(guān)S2撥到“靜態(tài)”。（2）將0-15V直流電壓輸出調(diào)節(jié)到10V，關(guān)閉電源。（3）按如圖8連接電路圖，E選擇0-15V直流電壓，RL取RL=100k。（4）打開電源，緩慢調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)電位器，使得白光光照度為600lx，通過左切換和右切換開關(guān)，將光源輸出切換成不同的顏色，記錄照度計(jì)所測(cè)數(shù)據(jù)，并將最小值“E”為參考。（5