光電探測(cè)器特性測(cè)試

1、光電探測(cè)器特性測(cè)試王鳳鵬 編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的：1、學(xué)習(xí)常見(jiàn)光電光電探測(cè)器的工作原理和使用方法；2、掌握光電二極管、光電池的光照度特性及其測(cè)試方法；3、掌握光電二極管、光電池的伏安特性并其測(cè)試方法；4、了解光照度的基本知識(shí)和測(cè)量原理、方法。學(xué)生實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、光電二極管的光照度特性測(cè)試2、光電二極管伏安特性測(cè)試3、光電池的光電特性測(cè)試4、光電池負(fù)載特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器：光電二極管，電壓源，發(fā)光二極管，光電池，照度計(jì)，電流表，電壓表。實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)：4 學(xué)時(shí)（其中講授及演示1 學(xué)時(shí)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)及指導(dǎo)3 學(xué)時(shí)）實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式：理論講授、指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，以指導(dǎo)為主，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力、獨(dú)立思考能力和創(chuàng)新 能力。

2、教學(xué)重點(diǎn)：光電效應(yīng)及其分類、光電探測(cè)器特性的測(cè)試方法、光電探測(cè)器特性的意義。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容：一、實(shí)驗(yàn)原理1、光電效應(yīng)光電探測(cè)器件的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。 在光線作用下，物體的電子逸出物體表面、向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)?；谕夤怆娦?應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。內(nèi)光電效應(yīng)是指光與物體內(nèi)的電子作用后，電子不 逸出物體外，而是在物體內(nèi)使導(dǎo)電率發(fā)生變化（光電導(dǎo)效應(yīng)）或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（光生伏特效應(yīng)） 的現(xiàn)象。光敏電阻就是基于光電導(dǎo)效應(yīng)的。本實(shí)驗(yàn)所研究的光電二極管和光電池則是基于光 生伏特效應(yīng)的光電探測(cè)器。2、光電二極管工作原理和特性光敏二極管是一種PN結(jié)單向

3、導(dǎo)電性的結(jié)型光電器件，在電路中通常工作在反向偏壓狀 態(tài)，其原理電路如圖5.1 所示。圖 5.1 光電二極管工作原理當(dāng)無(wú)光照時(shí)，處于反偏的光電二極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡過(guò)阻擋層，形成微小的反向電流，這就是暗電流。圖 5.2 光電二極管光照特性偏置電壓（V）圖 5.3 光電二極管伏安特性圖 5.2 光電二極管光照特性偏置電壓（V）圖 5.3 光電二極管伏安特性.50LxlOOLx當(dāng)光電二極管受到光照時(shí)，PN結(jié)附近受光子轟擊,吸收光子能量后產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，從而使 P 區(qū)和 N 區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加。因此在外加反偏電壓和內(nèi)電場(chǎng)的作用下， P區(qū)少數(shù)載流子（電子

4、）渡過(guò)勢(shì)壘區(qū)進(jìn)入N區(qū)，同樣N區(qū)的少數(shù)載流子（空穴）也渡過(guò)勢(shì)壘 區(qū)進(jìn)入 P 區(qū)，從而形成光電流。在一定偏壓下，入射光子越多，產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)越多， 則光電流越大，即光電流與照度成線性關(guān)系，這就是光電二極管的光照特性，如圖 5.2 所示。在一定光照下，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5.3 所示。3、光電池工作原理和特性光電池的結(jié)構(gòu)工作原理如圖 5.4 所示。當(dāng) N 型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體結(jié)合在一起后，由 于熱運(yùn)動(dòng)，N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散，而P區(qū)的空穴也向N區(qū)擴(kuò)散。結(jié)果是N區(qū)靠近交界處 留下較多的空穴，而 P 區(qū)靠近交界處留下較多的電子，于是在交界處形成一個(gè)電場(chǎng)，由 N 區(qū)指

5、向 P 區(qū)。當(dāng)光照射 PN 結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴 對(duì)，稱為光生空穴或光生電子。在PN結(jié)電場(chǎng)的作用下，N區(qū)的光生空穴被拉到P區(qū)，P區(qū) 的光生電子被拉到 N 區(qū)，結(jié)果，在 N 區(qū)聚積負(fù)電荷， P 區(qū)聚積正電荷，這樣， N 區(qū)和 P 區(qū)之間就出現(xiàn)了電位差。若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來(lái)，電路中就有電流流過(guò)，電流方向由P 區(qū)經(jīng)外電路至N區(qū)。圖 5.4 光電池結(jié)構(gòu)原理光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光的靈敏度是不同的，這稱為光譜特性。由不同半導(dǎo)體材料制成 的光電池的光譜特性不同，如圖5.5所示。在不同光照度下，其光電流和光生電動(dòng)勢(shì)是不同的，它們之間的關(guān)系稱為光照特性。 如圖 5.6 所

6、示。50100150200光照度(Lx)25030035050100150200光照度(Lx)250300350圖 5.5 光電池的光譜特性圖 5.6 光電池的光照特性四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟1、光電二極管的光照度特性測(cè)試如圖5.7所示，負(fù)載電阻RL1取2.4K,將面板上“光電二極管+”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-”連接，此時(shí)光 電二極管偏壓為零。電流表先用 20uA 檔，將“光照度調(diào)節(jié)”調(diào)至最?。鏁r(shí)針）。打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，增大光 照度值，分別記下不同照度下對(duì)應(yīng)的光電流值。光照度調(diào)到最小后關(guān)閉電源。作出零偏壓下光電二極管的光照度

7、-電流曲線。光照度調(diào)節(jié)RL光照度調(diào)節(jié)RL圖 5.7 光電二極管光照特性測(cè)試將電壓表調(diào)到20V檔，“幅度調(diào)節(jié)”調(diào)至最小。將“直流電源0-12V”端與電壓表“+” 端連接，將“直流電源”的另一端（接地端）與電壓表“-”端相連。打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，順時(shí) 針調(diào)節(jié)“幅度調(diào)節(jié)”直至電壓為6V。關(guān)閉電源，拆掉電壓表兩端與直流電源兩端的連線， 拆掉電流表“-”端與rl之間的連線。將“直流電源0-12V”端與Rl1相連，Rl1另一端與光電二極管“-”端相連，光電二極 管“+”與電流表“+”相連，將“直流電源”接地端與電流表“-”端相連。將“光照度調(diào) 節(jié)”至最小，打開(kāi)電源，記下此時(shí)電流表的讀數(shù)，此即為暗電流；增大光照度

8、值，分別記下 不同照度下對(duì)應(yīng)的光電流值。作出在-6V偏壓下光電二極管的光照度-電流曲線。改變偏置電壓，測(cè)出不同偏壓下的 光照特性曲線，比較不同偏壓下的光照特性曲線的區(qū)別，并說(shuō)明原因。2、光電二極管伏安特性測(cè)試如圖5.8所示，負(fù)載RL選擇Rl1=2.4K。將“光電二極管+”端與電流表“+”端用導(dǎo)線 連接，電流表“一”端與rl1任一端連接，rl1另一端與“光電二極管一”端相連，此時(shí)光 電二極管偏壓為零。電流表檔們調(diào)節(jié)至20卩A檔，“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時(shí)針調(diào)節(jié)至最小值位置。打開(kāi)電源 開(kāi)關(guān)，順時(shí)針調(diào)節(jié)照度調(diào)節(jié)旋鈕，使照度值為50Lx,記下此時(shí)電流表讀數(shù)。關(guān)閉電源，拆 掉電流表“一”端與RL1之間的連線

9、。電壓表調(diào)到20V檔，“幅度調(diào)節(jié)”旅鈕逆時(shí)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“一”端相連。打開(kāi)電源開(kāi) 關(guān)，調(diào)節(jié)“幅度調(diào)節(jié)”旋鈕，直至電壓表顯示為2.00為止，記下光電二極管所加反向偏壓 為2、4、6、8、10V等不同電壓時(shí)電流表的讀數(shù)。作出50Lx照度下的光電二極管伏安特性 曲線。重復(fù)上述步驟，分別測(cè)出量光電二極管在100Lx、200Lx、300Lx等不同照度下的伏安 特性曲線。比較這些伏安特性曲線的并說(shuō)明原因。+扁壓光照度調(diào)節(jié)RL+扁壓光

10、照度調(diào)節(jié)RL圖 5.8 光電二極管伏安特性測(cè)試3、光電池的光電特性測(cè)試（1）開(kāi)路電壓特性測(cè)試如圖 5.9 所示。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(shí)針調(diào)節(jié)至最小 值位置。打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，順時(shí)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(kāi)路電壓值。光照度調(diào)節(jié)作出光照度光照度調(diào)節(jié)作出光照度圖 5.9 開(kāi)路電壓特性測(cè)試（2）短路電流特性測(cè)試如圖 5.10所示。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“一”端相連。電流表檔位調(diào)至20卩A檔，“光照度調(diào)節(jié)

11、”旋鈕逆時(shí)針調(diào)節(jié)至最 小值位置。打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，順時(shí)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。作出光照度短路電流特性曲線。光照度調(diào)節(jié)圖 5.10 短路電流特性測(cè)試4、光電池負(fù)載特性測(cè)試如圖5.11所示，負(fù)載電阻選擇為Rl=2.4K,光照度調(diào)至最小，電壓表選則2V檔，電 流表選200uA檔。打開(kāi)電源，將光照度調(diào)到50Lx，記錄電流和電壓。負(fù)載電阻分別選5.6K、10K、51K、100K,記錄下相應(yīng)的電流和電壓，作出光電池的光生電流和光生電壓隨負(fù)載變化的曲線。在 100lx在 100lx圖 5.11 光電池伏安特性測(cè)試五、注意事項(xiàng)1、接線時(shí)應(yīng)關(guān)閉電源；2、當(dāng)電表顯示為

12、“1._”時(shí)，說(shuō)明超出了量程，應(yīng)換大量程；3、要注意光電二極管和光電池的極性連接的正確性。六、思考題1、分析比較零偏壓和-6V偏壓下光照特性曲線的區(qū)別，說(shuō)明產(chǎn)生區(qū)別的原因。2、比較不同光照度下，光電二極管伏安特性曲線的區(qū)別，分析產(chǎn)生的原因。3、比較光照度-開(kāi)路電壓和光照度-短路電流曲線的異同。4、比較不同光照度下，光電池伏安特性曲線的區(qū)別，分析產(chǎn)生的原因。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析1、光電二極管的光照度特性測(cè)試a、偏置電壓為0光照度(Lx)0306090120150180210240270300光電流(uA)07.814.8821.528.335.141.848.755.161.166.7b、偏置電壓為6

13、V光照度(Lx)0306090120150180210240270300350光電流(uA)08.21623.731.238.64653.861.268.375.587.5光電二極管光照特性曲線）.2468x + 1.25210.2228x + 1.21362080R-0T.9921r1rirr3rrrif.7rLr11rXrz光電二極管光照特性曲線yo O4 3 電光100501001502002503003502000J丿1?F/JJL/J1r*/Ff上120R2 = 0.999700電光6040100200300400500光照度(Lx)偏置電壓為 0偏置電壓為 6V從以上兩幅光照特性曲

14、線中可以看出，光電二極管的光電流與光照度的大小為線性關(guān)系 （線性相關(guān)度均達(dá) 0.999 以上），所以可以用光電流的大小來(lái)測(cè)量光的強(qiáng)度。比較兩種情況 下的光照曲線，可以看出，加反向偏壓時(shí)直線的斜率更大，即靈敏度更高，所以，光電二極 管工作時(shí)一般加反向偏置電壓。2、光電二極管伏安特性測(cè)試反向偏置電壓（V）0246810光生電 流（uA）50Lx12.7313.6314.0114.2614.4714.61100Lx25.125.726.226.62727.2200Lx47.650.95252.753.0353.7光照度（Lx）01020304050100200300開(kāi)路電壓（mV）035037438

15、8398405427449461短路電流（uA）05.411.61824.431.165.4139.2208.5光電二極管伏安特性3、光電池的光電特性測(cè)試光電池光電特性曲線從圖中可以看出，光電二極管偏置電 壓為0時(shí)，也有光電流輸出，在光照度較 小時(shí)，偏置電壓的變化對(duì)光電流的影響較 小，當(dāng)光照度較大時(shí)，偏置電壓對(duì)光電流 有較大的影響。光電二極管伏安特性3、光電池的光電特性測(cè)試光電池光電特性曲線050100150200250300350光照度（Lx）從又圖可以看出，光電 池的輸出開(kāi)路電壓與光照度 的關(guān)系是非線性的，當(dāng)光照 度到100Lx時(shí)便趨于飽和； 而短路電流與光照度成線性 關(guān)系，其線性度非常線

16、，線 性相關(guān)系數(shù)為 0.9996，所以 如果用光電池測(cè)量光強(qiáng)，則 要用短路電流作為測(cè)量量，050100150200250300350光照度（Lx）而不能用開(kāi)路電壓。4、光電池負(fù)載特性測(cè)試負(fù)載電阻(KQ )2.45.61051100電壓(V)50Lx0.1030.1970.3030.3810.387電流(uA)31.331.228.67.63.9電壓(V)100Lx0.220.3450.380.4080.412電流(uA)65.354.235.88.14.1電壓(V)200Lx0.3620.4040.4180.4330.434電流(uA)106.563.339.38.64.4電壓(V)300Lx0.3970.4250.4330.4450.447電流(uA)116.766.540.68.84.5光電池電壓負(fù)載特性曲線80402004002080流60光電池電流負(fù)載特性14012010010012050Lx100Lx80402004002080流60光電池電流負(fù)載特性14012010010012050Lx100Lx200Lx3