光电二极管特性测试及其变换电路Word下载.docx

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4实验原理

光电二极管又称光敏二极管。

制造一般光电二极管的材料几乎全部选用硅或锗的单晶材料。

由于硅器件较锗器件暗电流、温度系数都小得多，加之制作硅器

件采用的平面工艺使其管芯结构很容易精确控制，因此，硅光电二极管得到了广

泛应用。

光电二极管的结构和普通二极管相似，只是它的PN结装在管壳顶部，光线通过透镜制成的窗口，可以集中照射在PN结上，图1（a）是其结构示意图。

光

敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态，如图1（b）所示

（a）结构示意图（b）基本电路

图1光电二极管结构图

PN结加反向电压时，反向电流的大小取决于P区和N区中少数载流子的浓度，无光照时P区中少数载流子（电子）和N区中的少数载流子（空穴）都很少，因此反向电流很小。

但是当光照射PN结时，只要光子能量hv大于材料的禁带宽度，就会在PN结及其附近产生光生电子一空穴对，从而使P区和N区少数载流子浓度大大增加。

这些载流子的数目，对于多数载流子影响不大，但对P区和N区的少数载流子来说，则会使少数载流子的浓度大大提高，在反向电压（P区接

负，N区接正）作用下，反向饱和漏电流大大增加，形成光电流，该光电流随入射光照度的变化而相应变化。

光电流通过负载Rl时，在电阻两端将得到随人射

光变化的电压信号如果入射光的照度改变，光生电子一空穴对的浓度将相应变

动，通过外电路的光电流强度也会随之变动，光敏二极管就把光信号转换成了电信号。

5注意事项

1、实验之前，请仔细阅读光电探测综合实验仪说明，弄清实验箱各部分的功能及拨位开关的意义；

2、当电压表和电流表显示为“1”是说明超过量程，应更换为合适量程；

3、连线之前保证电源关闭。

4、实验过程中，请勿同时拨开两种或两种以上的光源开关，这样会造成实验所测试的数据不准确。

6实验步骤

6.1光电二极管暗电流测试

实验装置原理框图如图2所示，但是在实际操作过程中，光电二极管和光电三极管的暗电流非常小，只有nA数量级。

这样，实验操作过程中，对电流表的要求较高，本实验中，采用电路中串联大电阻的方法，将图2中的RL改为20M，

再利用欧姆定律计算出支路中的电流即为所测器件的暗电流，如图2所示

I心

——

1DgI|

TERl0U

图2光电二极管暗电流测试电路

（1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源驱动模块上J2与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。

将三掷开关S2拨到“静态”。

（3）将精密直流稳压电源的0-15V输出的正负极与电压表头的输入对应相连，打开电源，将直流电流调到15V，关闭电源，拆除导线。

（4）“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，打开照度计，此时照度计的读数应为0。

（注意：

在下面的实验操作中请不要动电源调节电位器，以保证直流电压输出电压不变）

（5）按图2所示的电路连接电路图，负载RL选择RL=20MQ。

（6）打开电源开关，等电压表读数稳定后测得负载电阻RL上的压降V暗,则暗电流L暗=V暗/RL。

所得的暗电流即为偏置电压在15V时的暗电流.

（注：

在测试暗电流时，应先将光电器件置于黑暗环境中30分钟以上，否则

测试过程中电压表需一段时间后才可稳定）

（7）实验完毕，直流电压电位器调至最小，关闭电源，拆除所有连线。

6.2光电二极管光电流测试

实验装置原理图如图3所示。

（3）按图2-3连接电路图，E选择0-15V直流电压，RL取RL=1K欧。

（4）打开电源，缓慢调节光照度调节电位器，直到光照为300IX（约为环境光照），缓慢调节直流电压直至电压表显示为6V，此时电流表的读数，即为光电二极管在偏压6V，光照300Ix时的光电流。

（5）实验完毕，将光照度调至最小，直流电压调至最小，关闭电源，拆除所有连线。

6.3光电二极管光照特性

实验装置原理框图如图3所示。

（3）按图2-3所示的电路连接电路图，E选择0-15V直流电压，负载RL选择RL=1K欧。

（4）将“光照度调节”旋钮逆时针调至最小值。

打开电源，调节直流电压电位器，直到显示值为8V左右。

顺时针调节光照度调节旋钮，增大光照度值，分别记下不同照度下对应的光生电流值，填入下表。

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。

表1光电二极管光照特性测量

光照度（Lx）

100

200

300

400

500

600

光生电流（小）

（5）将“光照度调节”旋钮逆时针调节到最小值位置后关闭电源

（6）将以上连接的电路中改为如下图4连接（即0偏压）

（7）打开电源，顺时针调节光照度旋钮，增大光照度值，分别记下不同照度下对应的光生电流值，填入下表。

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。

Dg

RlD

微安表

图4光电二极管光照特性测量电路图表2光电二极管光照特性测量

光生电流（mA）

（8）根据上面两表中实验数据，在同一坐标轴中作出两条曲线，并进行比

较。

（9）实验完毕，将光照度调至最小，直流电压调至最小，关闭电源，拆除所有连线。

6.4光电二极管伏安特性

实验装置原理框图如图5所示。

nMII

1DGI

eT肛D

图5光电二极管伏安特性电路图

（3）按图2-3所示的电路连接电路图，E选择0-15V直流电压，负载RL选择RL=2K欧。

（4）打开电源，顺时针调节照度调节旋钮，使照度值为400LX，保持光照

度不变，调节可调直流电压电位器，记录反向偏压为0V、2V、4V、6V、8V、

10V、12V时的电流表读数，填入下表，关闭电源。

表3光电二极管伏安特性测量

偏压（V）

-2

-4

-6

-8

-10

-12

光生电流（吩）

直流电压不可调至高于20V,以免烧坏光电二极管）

（5）根据上述实验结果，作出200LX照度下的光电二极管伏安特性曲线。

（6）重复上述步骤。

分别测量光电二极管在50Lx和100Lx照度下，不同偏压下的光生电流值，在同一坐标轴作出伏安特性曲线。

并进行比较。

（7）实验完毕，将光照度调至最小，直流电压调至最小，关闭电源，拆除所有连线。

6.5光电二极管时间响应特性测试

（1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红

为正极，黑为负极），将光源驱动模块上J2与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。

信号源方波输出接口通过BNC线接到方波输入，正弦波输入和方波输入内部是并联的，可以用示波器通过正弦波如漱口测量方波信号。

（2）将三掷开关S2拨到“脉冲”。

（3）按图6所示的电路连接电路图，E选择0-15V直流电压，负载RL选

择RL=200kQo

（4）示波器的测试点应为A点。

图6光电二极管时间响应特性测试电路图

（5）打开电源，白光对应的发光二极管亮，其余的发光二极管不亮。

（6）调节正弦波输入信号宽度为5ms，重复频率100Hz,缓慢调节0-15V直流电源电位器到2V，观察示波器两个通道信号的变化，测量光敏电阻两端信号的重复频率、幅值等参数，并作出实验记录（描绘出两个通道的U-T曲线）

观察示波器两个通道信号的变化，并作出实验记录（描绘出两个通道的U-T曲

线）

（7）正弦波输入信号宽度为5ms,重复频率100Hz,缓慢调节0-15V直流电源电位器到5V，观察示波器两个通道信号的变化，测量光敏电阻两端信号的

重复频率、幅值等参数，并作出实验记录（描绘出两个通道的U-T曲线）观察示波器两个通道信号的变化，并作出实验记录（描绘出两个通道的U-T曲线）o

（8）直流电源电位器5V，缓慢增大输入脉冲的信号宽度和重复频率，调节重复频率为100Hz、信号宽度分别为能够实现波形稳定输出的最大和最小宽度，观察示波器两个通道信号的变化，测量光敏电阻两端信号的重复频率、幅值等参数，并作出实验记录（描绘出两个通道的U-T曲线），拆去导线，关闭电源。

（9）实验完毕，关闭电源，拆除导线。

6.6光电二极管光谱特性测试

当不同波长的入射光照到光电二极管上，光电二极管就有不同的灵敏度。

本实验仪采用高亮度LED（白、红、橙、黄、绿、蓝、紫）作为光源，产生400〜630nm离散光谱。

光谱响应度是光电探测器对单色入射辐射的响应能力。

定义为在波长入的单位入射功率的照射下，光电探测器输出的信号电压或电流信号。

光谱响应度FV■定义为在波长为入的单位入射辐射功率的照射下，光电探测器输出的信号电压，用公式表示，则为

RvC）二职或R（）二职

（1）

p（）P（）

式中，P（片为波长为入时的入射光功率；

v（片为光电探测器在入射光功率P（片作用下的输出信号电压；

I

（2）则为输出用电流表示的输出信号电流。

通常，测量光电探测器的光谱响应多用单色仪对辐射源的辐射功率进行分光来得到不同波长的单色辐射，然后测量在各种波长辐射照射下光电探测器输出的电信号v（2。

然而由于实际光源的辐射功率是波长的函数，因此在相对测量中要

确定单色辐射功率P（2需要利用参考探测器（基准探测器）。

即使用一个光谱响应度为Rf■的探测器为基准，用同一波长的单色辐射分别照射待测探测器和基准探测器。

由参考探测器的电信号输出（例如为电压信号）Vf可得单色辐射

功率P■二Vf■R■,再通过

（1）式计算即可得到待测探测器的光谱响应度。

这里用响应度和波长无关的热释电探测器作参考探测器，测得P（为入射时的输出电压为Vf，。

若用Rf表示热释电探测器的响应度，则显然有

（2）

Vf■

RfKf

这里Kf为热释电探测器前放和主放放大倍数的乘积，即总的放大倍数，本实验取1,Rf为热释电探测器的响应度，不同波长数值见表4,测试过程中，％，取相同值，这里取1V。

然后在相同的光功率P（A下，用硅光电二极管测量相应

的单色光，得到输出电压Vb■，从而得到光电二极管的光谱响应度

式中Kb为硅光电二极管测量时总的放大倍数，这里取1下图为基准探测器的光谱响应曲线。

图7基准探测器的光谱响应曲线

将将三掷开关S2拨到“静态”。

（2）将0-15V直流电压输出调节到10V，关闭电源。

（3）按如图8连接电路图，E选择0-15V直流电压，RL取RL=100kQ。

（4）打开电源，缓慢调节光照度调节电位器，使得白光光照度为600IX，通过左切换和右切换开关，将光源输出切换成不同的颜色，记录照度计所测数据，并将最小值“E为参考。

（5）缓慢调节光照度调节电位器直到照度计显示为E,使用万用表测试光敏电阻的输出端，将测试所得的数据填入下表；

（6）分别测试出橙光，黄光，绿光，蓝光，紫光在光照度E下时光敏电阻

的阻值，填入下表。

表4光电二极管光谱特性测试

波长（nm）

红（630）

橙（605）

黄（585）

绿（520）

蓝（460）

紫（400）

基准响应度

（V/W）

0.65

0.61

0.56

0.42

0.25

0.06

电压（mV）

响应度（V/W）

（7）根据所测试得到的数据，做出光电二极管的光谱特性曲线。