光電二極管特性測試及其變換電路

1、光電二極管特性測試及其變換電路1 實驗目的(1) 學習掌握光電二極管的工作原理(2) 學習掌握光電二極管的基本特性(3) 掌握光電二極管特性測試的方法(4) 了解光電二極管的基本應用2 實驗內(nèi)容(1) 光電二極管暗電流測試實驗(2) 光電二極管光電流測試實驗(3) 光電二極管伏安特性測試實驗(4) 光電二極管光電特性測試實驗(5) 光電二極管時間特性測試實驗(6) 光電二極管光譜特性測試實驗3 實驗儀器(1) 光電器件實驗儀 1臺(2) 示波器 1臺(3) 萬用表 1個(4) 計算機 1套4 實驗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)構很容易精確控制，因此,硅光電二極管得到了廣泛應用。光電二極管的結(jié)構和普通二極管相似，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)構示意圖 （b）基本電路圖1 光電二極管結(jié)構圖PN結(jié)加反向電壓時，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。但是當光照射PN結(jié)時，只要光子能量hv大于材料的禁帶寬度，就會在PN結(jié)及其

3、附近產(chǎn)生光生電子空穴對，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，對于多數(shù)載流子影響不大，但對P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子來說，則會使少數(shù)載流子的濃度大大提高，在反向電壓（P區(qū)接負，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變化。光電流通過負載RL時，在電阻兩端將得到隨人射光變化的電壓信號如果入射光的照度改變，光生電子空穴對的濃度將相應變動，通過外電路的光電流強度也會隨之變動，光敏二極管就把光信號轉(zhuǎn)換成了電信號。5 注意事項1、實驗之前，請仔細閱讀光電探測綜合實驗儀說明，弄清實驗箱各部分的功能及撥位開關的意義；2、當電壓表和電流表顯示為“1

4、”是說明超過量程，應更換為合適量程；3、連線之前保證電源關閉。4、實驗過程中，請勿同時撥開兩種或兩種以上的光源開關，這樣會造成實驗所測試的數(shù)據(jù)不準確。6 實驗步驟6.1 光電二極管暗電流測試實驗裝置原理框圖如圖2所示，但是在實際操作過程中，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。這樣，實驗操作過程中，對電流表的要求較高，本實驗中，采用電路中串聯(lián)大電阻的方法，將圖2中的RL改為20M，再利用歐姆定律計算出支路中的電流即為所測器件的暗電流，如圖2所示。圖2 光電二極管暗電流測試電路（1）組裝好光通路組件，將照度計與照度計探頭輸出正負極對應相連（紅為正極，黑為負極），將光源驅(qū)動模塊上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輸出的正負極與電壓表頭的輸入對應相連，打開電源，將直流電流調(diào)到15V，關閉電源，拆除導線。（4）“光照度調(diào)節(jié)”調(diào)到最小，連接好光照度計，打開照度計，此時照度計的讀數(shù)應為0。（注意：在下面的實驗操作中請不要動電源調(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，負載RL選擇RL=20M。（6）打開電源開關，等電壓表讀數(shù)穩(wěn)定后測得負載電阻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時的暗電流.(注:在測試暗電流時，應先將光電器件置于黑暗環(huán)

6、境中30分鐘以上，否則測試過程中電壓表需一段時間后才可穩(wěn)定)（7）實驗完畢，直流電壓電位器調(diào)至最小，關閉電源，拆除所有連線。6.2 光電二極管光電流測試實驗裝置原理圖如圖3所示。圖3 光電二極管光電流測試電路（1）組裝好光通路組件，將照度計與照度計探頭輸出正負極對應相連（紅為正極，黑為負極），將光源驅(qū)動模塊上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，此時電流表的讀數(shù)，即為光電

7、二極管在偏壓6V，光照300lx時的光電流。（5）實驗完畢，將光照度調(diào)至最小，直流電壓調(diào)至最小，關閉電源，拆除所有連線。6.3 光電二極管光照特性實驗裝置原理框圖如圖3所示。（1）組裝好光通路組件，將照度計與照度計探頭輸出正負極對應相連（紅為正極，黑為負極），將光源驅(qū)動模塊上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，負載RL選擇RL=1K歐。（4）將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(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應的光

8、生電流值，填入下表。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。 表1光電二極管光照特性測量光照度（Lx）0100200300400500600光生電流（A）（5）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。（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應的光生電流值，填入下表。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。圖4 光電二極管光照特性測量電路圖表2 光電二極管光照特性測量光照度（Lx）0100200300400500600光生電流（A）（8）根據(jù)上

9、面兩表中實驗數(shù)據(jù)，在同一坐標軸中作出兩條曲線，并進行比較。（9）實驗完畢，將光照度調(diào)至最小，直流電壓調(diào)至最小，關閉電源，拆除所有連線。6.4 光電二極管伏安特性實驗裝置原理框圖如圖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，將照度計與照度計探頭輸出正負極對應相連（紅為正極，黑為負極），將光源驅(qū)動模塊上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，負載RL選擇RL=2K歐。（4）打開電源，順時針調(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時的電流表讀數(shù)，填入下表，關閉電源。表3 光電二極管伏安特性測量偏壓（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)上述實驗結(jié)果，作出200Lx照度下的光電二極管伏安特性曲線。（6）重復上述步驟。分別測量光電二極管在50Lx和100Lx照度下，不同偏壓下的光生電流值，在同一坐標軸作出伏安特性曲線。并進行比較。（7）實驗完畢，將光照度調(diào)至最小，直流電壓調(diào)至最小，關閉電源，拆除所有連線。6.5 光電二極管時間響應特性測試（1） 組裝好光通路組件，將照度計與照度計探頭輸出正負極對應相連（紅為

11、正極，黑為負極），將光源驅(qū)動模塊上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量方波信號。（2） 將三擲開關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，負載RL選擇RL=200k。（4）示波器的測試點應為A點。圖6 光電二極管時間響應特性測試電路圖（5）打開電源，白光對應的發(fā)光二極管亮，其余的發(fā)光二極管不亮。（6）調(diào)節(jié)正弦波輸入信號寬度為5ms，重復頻率100Hz，緩慢調(diào)節(jié)0-15V直流電源電位器到2V，觀察示波器兩個通道信號的變化，測量光敏電阻兩端信號

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

13、化，測量光敏電阻兩端信號的重復頻率、幅值等參數(shù)，并作出實驗記錄（描繪出兩個通道的U-T曲線），拆去導線，關閉電源。（9）實驗完畢，關閉電源，拆除導線。6.6 光電二極管光譜特性測試當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。本實驗儀采用高亮度LED（白、紅、橙、黃、綠、藍、紫）作為光源，產(chǎn)生400630nm離散光譜。光譜響應度是光電探測器對單色入射輻射的響應能力。定義為在波長的單位入射功率的照射下，光電探測器輸出的信號電壓或電流信號。光譜響應度定義為在波長為的單位入射輻射功率的照射下，光電探測器輸出的信號電壓，用公式表示，則為或 (1)式中，為波長為時的入射光功率；為光電探

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

15、時的輸出電壓為。若用表示熱釋電探測器的響應度，則顯然有 （2）這里Kf為熱釋電探測器前放和主放放大倍數(shù)的乘積，即總的放大倍數(shù)，本實驗取1，為熱釋電探測器的響應度，不同波長數(shù)值見表4，測試過程中，取相同值，這里取1V。然后在相同的光功率P()下，用硅光電二極管測量相應的單色光，得到輸出電壓，從而得到光電二極管的光譜響應度 (3)式中Kb為硅光電二極管測量時總的放大倍數(shù)，這里取1。下圖為基準探測器的光譜響應曲線。圖7 基準探測器的光譜響應曲線（1）組裝好光通路組件，將照度計與照度計探頭輸出正負極對應相連（紅為正極，黑為負極），將光源驅(qū)動模塊上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S2撥到“靜態(tài)”。（2）將0-15V直流電壓輸出調(diào)節(jié)到10V，關閉電源。（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，將光源輸出切換成不同的顏色，記錄照度計所測數(shù)據(jù)，并將最小值“E”為參考。（5