光电探测实验原理文档格式.docx

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当表头显示为“1＿”时，说明已经超过量程，此时应更换量程为2000Lx档。

4、继续缓慢增大光照度，观察照度值的变化，注意观察在相邻量程转换时候的数值变化。

5、将“光照度调节”旋钮调至最小值位置，照度计档位调到20Lx档，关闭电源。

实验2-2光电二极管光电特性测试

1、了解光电二极管的工作原理和使用方法；

2、掌握光电二极管的光照度特性及其测试方法。

1、光电探测原理实验箱1台

2、连接导线若干实验原理

1、光电二极管结构原理

光电二极管的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比有很多共同之处，它们都有一个PN结，因此均属于单向导电性的非线性元件。

但光电二极管作为一种光电器件，也有它特殊的地方。

例如，光电二极管管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照；

光电二极管PN结势垒区很薄，光生载流子的产生主要在PN结两边的扩散区，光电流主要来自扩散电流而不是漂移电流；

又如，为了获得尽可能大的光电流，PN结面积比普通二极管要大的多，而且通常都以扩散层作为受光面，因此，受光面上的电极做的很小。

为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极管浅。

图2-2.1为光电二极管外形图（a）、结构简图（b）、符号（c）和等效电路图（d）。

光电二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图2-2.2，图中E为反向偏置电压），在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很

小（一般小于0.1微安），这个反向电流称为暗电流，当光

照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光

生电子和光生空穴对，称为光生载流子。

它们在PN结处的

内电场作用下作定向运动，形成光电流。

光的照度越大，

光电流越大。

如果在外电路上接上负载，负载上就获得了

电信号。

因此光电二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态

随着光电子技术的发展，光信号在探测灵敏度、

光谱响应范围及频率特性等

方面的要求越来越高，为此，近年来出现了许多性能优良的光伏探测器，如硅、锗光电二极管、PIN光电二极管、雪崩光电二极管（APD）等。

光电二极管目前多采用硅或锗制成，但锗器件暗电流温度系数远大于硅器件，工艺也不如硅器件成熟，虽然它的响应波长大于硅器件，但实际应用尚不及后者广泛。

下面着重介绍硅光电二极管的结构及工作原理。

普通PN结硅光电二极管存在表面漏电流，为了减小表面漏电流，在器件的SiO2表面保护层中间扩散一个环行PN结，给环行结称

为环极。

在有环极的硅光电二极管中，通常有三根引出

线：

环极、前极和后极。

通常环极接电源正极，后极接

电源负极，前极通过负载接电源正极，如图2-2.3。

由

于环极电位高于前极在环极形成阻挡层阻止表面漏电

流流过，可使得负载的漏电流很小（小于0.05μA）。

若

不使用环极也可将其断开做为空脚。

硅光电二极管的封装可采用平面镜和聚焦透镜作入射窗口。

采用凸透镜有聚光作用，有利于提高灵敏度。

由于聚焦位置与入射光方向有关，因此能够减小杂散背景光的干扰，但也引起灵敏度随入射光方向而变化。

所以在实际使用中入射光的对准是值得注意的问题。

采用平面镜作窗口，虽然没有对准问题但要受到背景杂散光的干扰，在具体使用时，视系统的要求而定。

2、光电二极管的基本光照特性

光电二极管在一定偏压下，当入射光的强度发生变化，通过光电二极管的电流随之变化，并且光电流和照度成线性关系。

当没有光照射时，测得的电流为暗电流。

实验步骤

实验装置原理框图如图2-2.4所示。

1、负载RL选择RL1=2.4K。

将面板上“光电二极管偏置电压输入＋”端与电流表“＋”端用导线连接，电流表“－”端与RL1任一端连接，RL1另一端与“光电二极管偏置电压输入－”端相连，此时光电二极管偏压为零。

2、电流表档位调节至20μA档，将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。

打开电源开关，顺时针调节该旋钮，增大光照度值，分别记下不同照度下对应的光生电流值，填入表2.2.1。

若电流表或照度计显示为“1＿”时说明超出量程，应改为合适的量程再测试。

3、将“光照度调节”旋钮逆时针调节到最小值位置后关闭电源。

4、作出零偏压下光电二极管的光照度—电流曲线。

5、将电压表调到20V档，“幅度调节”旋钮逆时针调至最小值位置。

将“直流电源0-12V”端与电压表“＋”端用导线连接，将“直流电源”的另一端（接地端）与电压表“－”端相连。

打开电源开关，顺时针调节“幅度调节”旋钮，直至电压表显示为6.00V为止。

关闭电源开关，拆掉电压表两端与“直流电源”两端之间的连线，拆掉电流表“－”端与RL1之间的连线。

6、将“直流电源0-12V”端（即图2-2.4中的Ui+端）与RL1相连，将“直流电源”接地端（即图2-2.4中的Ui-端）与电流表“－”端用导线连接。

将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置，打开电源开关，记下此时电流表的读数，即为暗电流值。

7、重复步骤2,将数据填入表2.2.2中。

作出在－6V偏压下光电二极管的光照度—电流曲线。

8、比较两条曲线的区别。

9、实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。

数据处理：

实验数据贴在报告后面，数据处理如下，

零偏压下光电二极管的光照度—电流曲线：

－6V偏压下光电二极管的光照度—电流曲线：

通过这两条曲线的比较，可以得知，在－6V偏压下，二极管的光照度—电流曲线的斜率要比在零偏压下光电二极管的光照度—电流曲线斜率要大。

实验2-3光电二极管伏安特性测试

1、加深对光电二极管的工作原理的理解；

2、进一步熟悉光电二极管的基本应用；

3、理解光电二极管的伏安特性并掌握其测试方法。

2、连接导线若干

实验原理

光电二极管的基本特性：

光电二极管的

输出光电流与偏压的关系称为伏安特性，如图

2-3.1。

实验装置原理框图如图3-3.2所示。

将“光电二极管偏置电压输入＋”端与电流表

“＋”端用导线连接，电流表“－”端与RL1任一端连接，RL1另一端与“光电

二极管偏置电压输入－”端相连，此时光电二极管偏压为零。

2、电流表档位调节至20μA档，“光照度调节“旋钮逆时针调节至最小值位

置。

打开电源开关，顺时针调节照度调节旋钮，使照度值为50Lx，记下此时电

流表读数，填入表3.1。

关闭电源，拆掉电流表“－”端与RL1之间的连线。

3、电压表调到20V档，“幅度调节”旋钮逆时针调至最小值位置。

将“直流

电源0-12V”端与RL1连接，将“直流电源另一端（接地端）与电流表“－”端

连接。

再将电压表“＋”端与“直流电源0-12V”端相连，“直流电源”接地端

与电压表“－”端相连。

4、打开电源开关，调节“幅度调节”旋钮，直至电压表显示为2.00V为止，

记下光电二极管所加反向偏压为2V时电流表的读数，填入表3.1。

5、重复步骤4，分别记下反向偏压为4V、6V、8V和10V时的电流表读数，

填入表2.3.1。

关闭电源。

6、作出50Lx照度下的光电二极管伏安特性曲线。

7、重复上述步骤。

分别测量光电二极管在100Lx、200Lx照度下，不同偏压

下的光生电流值，并分别作出伏安特性曲线。

比较三条伏安特性特性曲线有什么

不同。

8

、实验完毕，拆除所有连线。

将“幅度调节”和“光照度调节”旋钮都逆

时针旋到底。

实验数据贴在报告后面，数据处理如下：

50Lx照度下的光电二极管伏安特性曲线：

100Lx照度下的光电二极管伏安特性曲线：

200Lx照度下的光电二极管伏安特性曲线：

通过比较在50Lx、100Lx、200Lx照度下的光电二极管伏安特性曲线，可知，随着照度越大，曲线的斜率越大。

。

实验2-4光电池光电特性测试

1、了解光电池的工作原理和基本使用方法；

2、掌握光电池的伏安特性及其测试方法。

1、光电探测原理实验箱1台

1、结构原理

光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。

光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。

光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。

它实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的

电极

（a）（b）

电动势。

图2-4.1为硅光电池原理图。

其中（a）结构示意图；

（b）等效电路。

图2-4.1硅光电池原理图

2、光电池基本特性

（1）光谱特性光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的，如图2-4.2。

（2）光照特性光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性，如图2-4.3。

1、开路电压特性测试

实验装置原理框图如图2-4.4所示。

（1）将“光电池电压输出＋”端与电压表“＋”端相连，“光电池电压输出－”端与电压表“－”端相连。

电压表档位调至2V档，“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。

（2）打开电源开关。

顺时针调节“光照度调节”旋钮，逐渐增大光照度，记下不同光照度下的开路电压值，填入表2.4.1。

（3）关闭电源开关，照度值调至最小，拆除所有连线。

（4）作出光照度—开路电压特性曲线。

2、短路电流特性测试

实验装置原理框图如图2-4.5所示。

（1）将“光电池电压输出＋”端与电流表“＋”端相连，“光电池电压输出－”端与电流表“－”端相连。

电流表档位调至20μA档，“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。

（2）打开电源开关。

顺时针调节“光照度调节”旋钮，逐渐增大光照度，记下不同光照度下的短路电流值，填入表4.2。

（4）作出光照度—短路电流特性曲线。

光照度—开路电压特性曲线如下：

光照度—短路电流特性曲线：

通过比较两条曲线可以知道，光照度与短路电流更接近线性关系。

实验2-5光电池伏安特性测试

1、加深对光电池的工作原理的理解；

2、进一步熟悉光电池的基本应用；

3、理解光电池的伏安特性并掌握其测试方法。

相同照度下，光电池的输出电流和电压会随负载的变化而变化。

实验装置原理框图如图2-5.1