光电子实验Word文件下载.docx

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测量并记录其电流及其方向；

一

+

图1-3

2）按照图1-4连接电路板（LightSwitchCircult）中Fig.2所示的电路，光电二极管相对于电源处于反向连接。

测量a）有光照时和b）无光照时时电流，并作记录（包括电流的方向）；

510

图1-4

3.光电三极管的研究

1）按照图1-5连接电路板（LightSwitchCircult）中Fig.3所示的电路，光电三极管相对于电源处于反向连接。

图1-5

2）测量有光照时的电流，并作记录（包括电流的方向）；

3）测量无光照时的电流，并作记录（包括电流的方向）；

4）将测量得到的电流（有光照和无光照）与光电二极管测量得到的电流进行比较。

4.应用实例

1）自动路灯开关

按照图1-6连接电路板（LightSwitchCircult）中Fig.4所示的电路。

用灯照射光电三极管和挡黑光电三极管，观察发光二极管（绿色）的发光情况。

这样的电路能使发光二极管在夜间发光，白天关闭吗？

510Ω

图1-6

2）红外光电接近开关

按照图1-7连接电路板（LightSwitchCircult）中Fig.5所示的电路，其中D4和Q4使用反射型光电开关GDK103，GDK103是将红外发光二极管和光敏管组装在一起的器件。

从正面（有白色字符的一面）观察GDK103，左边两个引脚是红外发光二极管的两个脚，右边两个引脚是光电三极管的两个脚（长脚为e，短脚为c）。

GDK103的组装方式见图1-8所示。

连接好电路后，用一张白纸从远处慢慢靠近GDK103，观察右图中发光二极管（绿色）（即Fig.5中的D5）的发光情况。

Q4

图1-7

被测反射物

图1-8GDK103的组装示意图（虚线部分）

思考题

1.为使发光二极管、光电二极管和光电三极管能正常工作，应该采用图1-5中的哪几种？

2.您还能用发光二极管和光电三极管做成什么有用的电路？

1.加深对光电二极管和光电池工作原理的理解；

2.熟悉光电二极管和光电池的基本应用；

3.理解光电二极管和光电池的伏安特性并掌握其测试方法。

实验原理：

当光照射到半导体PN结及其附近时，光生电子和空穴在空间分开，PN结两端将产生电动势，光能转化为电能，这种现象叫光伏效应。

该效应与材料、光的强度、波长等因素有关。

光电二极管和光电池均是基于光伏特效应的内光电探测器件。

下面分别介绍之：

（一）光电二极管

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。

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2-1。

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。

所以实际使用时入射光的对准是需要注意的。

采用平面镜作窗口，虽没有对准问题但要受到背景杂散光的干扰。

具体使用时，视系统的要求而定。

图2-1有环极的硅光电二极管

硅光电二极管的核心部分是一个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，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。

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

abcd

图2-2硅光电二极管外形图（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2-3，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。

图2-3光电二极管反向工作状态

对光电二极管，当入射光的强度发生变化时，通过光电二极管的电流随之变化，于是光电二极管两端电压也发生变化，光电流和照度呈现线性关系。

其电流方程式可表达为

式中

是流过探测器总电流，

是二极管反向饱和电流，

是电子电荷，

是探测器两端所加的偏置电压（即偏压），

为玻尔兹曼常数，

为器件绝对温度，

为产生的光电流。

光电二极管通常工作在反向偏置状态下，目的在于降低结电容，提高器件的响应速度，其伏安特性表示为输出电流与偏压的关系，如图2-4。

1000Lux

图2-4光电二极管伏安特性曲线

（二）光电池

光电池则是一种不需加偏压即能将光能转化成电能的p-n结光电器件，光电池的工作原理仍基于光伏效应。

它实质上是一个大面积的PN结。

当光照到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动势。

图2-5为硅光电池原理图。

其中（a）结构示意图；

（b）等效电路。

图2-5硅光电池原理图

光电池的伏安特性表示为输出电流和电压随负载电阻变化的曲线，即：

在某一光照度下，取不同的负载电阻所测得的输出电流或电压。

由于光电池在有光作用时就是一个电源，因而当电路中有这种器件时，无需外加电源。

光开关PCB中的Fig.2电路部分，连接导线，照度计（LUX1010B），电压表，电流表，光源（溴钨灯），硅光电池，硅光电二极管，电阻若干,可调直流电源，干电池

实验内容及步骤：

1.光电二极管的伏安特性测试

实验装置原理框图如图2-6所示。

V

图2-6光电二极管的伏安特性测试实验装置原理框图

上图中光源采用溴钨灯，溴钨灯被安装在一的三通管的中心以保证其到照度计探头和光电二极管的距离相等。

光源的电源和光电二极管的偏置电压Vb均使用直流可调电源。

步骤如下：

1）负载RL选择可调电阻充当。

调节负载电阻用万用表测量使达到

，记作

。

将该电阻接入电路板中Fig.2中焊接电阻的位置（即R2的位置）；

2）将可调直流电源、电压表、电流表接入电路板中Fig.2部分。

将可调直流电源的电压调节旋钮逆时针调节到最小，将电流调节旋钮顺时针调到最大。

将电压表和电流表调到合适的档位。

3）打开光源的电源开关、光电二极管的偏压电源开关。

将装有光电二极管的套筒接入三通管的一端，将光照度计的探头接入三通管的另一端。

缓慢调节光源的电源电压使照度值为50Lux。

此时光电二极管的偏压为0V。

记下电流表读数，填入表2-1；

4）缓慢调节光电二极管偏压使得电压表显示为2V，记下电流表读数，填入表2-1。

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2-1；

表2-1E=50Lux

偏压（V）

-2

-4

-6

-8

-10

光生电流（μA）

6）重复上述步骤。

分别测量光电二极管在100Lux、200Lux和300Lux照度下，记录不同偏压下的光生电流值，填入表2-2～4。

表2-2E=100Lux

表2-3E=200Lux

表2-4E=300Lux

7）关闭电源，拆除所有连线。

2.光电池的伏安特性测试

实验装置原理框图如图2-7所示。

图2-7光电池的伏安特性测试实验装置原理框图

2）将电压表、电流表接入电路板中Fig.2部分。

将Fig.2中偏压的插孔用线短接。

将光电池焊接到Fig.2中原来焊接光电二极管的位置；

3）打开光源的电源开关。

将装有光电池的套筒接入三通管的一端，将光照度计的探头接入三通管的另一端。

记下电流表和电压表的读数，填入表2-5；

4）按照表2-5调节可调电阻的大小（调节的时候将电流表取下），记下在不同负载情况下电压表和电流表的读数并填入表2-5；

5）改变光照度为100Lux、200Lux、300Lux，重复上述步骤，分别填入表2-6~8；

6）关闭电源，拆除所有连线。

表2-5E=50Lux

负载（Ω）

电流（μA）

电压（mV）

表2-6E=100Lux

表2-7E=200Lux

表2-8E=300Lux

实验报告：

1．根据所记录的数据作出在不同照度下的光电二极管的伏安特性曲线并作比较。

2．根据所记录的数据作出在不同照度不同负载下的光电池的伏安特性曲线并作比较。

1.了解光电二极管和光电池的光照特性；

2.掌握光电二极管和光电池光照特性及其测试方法。

实验原理

光电器件在不同光照下将产生不同的光电流，二者之间的关系就是光照特性。

即：

其中：

为光电流，

为入射光照度，

为器件的光电/照灵敏度。

光电流与光照的这种线性关系可用于线性测量。

对光电二极管而言，其光照特性是指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。

相对光电二极管，光电池的线性范围更宽，稳定性更好，而且加之光谱响应合适、灵敏度高的特点，使之在光度、色度、光学精密计量和测试中得到了广泛应用。

光电池的光照特性，如图3-1。

图3-1硅光电池的光照电流电压特性

光开关PCB中的Fig.2电路部分，连接导线，照度计（LUX1010B），电压表，电流表，光源（溴钨灯），硅光电池，硅光电二极管，电阻若干,可调直流电源

1.光电二极管光照特性的测量

实验装置原理框图如图3-2所示。

Vb

图3-2光电二极管光照特性的测量实验装置原理框图

2）将电流表接入电路板中Fig.2部分并将其调到合适的档位；

将电路板中反偏电压的插孔用线短接；

记下电流表读数，填入表3-1；

4）按照表3-1调节光源的电源电压以获得不同照度，记录在不同照度下电流表的读数填入表3-1。

5）将6V的干电池接入电路板中光电二极管偏压的输入插孔，重复步骤4，记录在偏压为6V的情况下不同照度时电流表的读数填入表3-2；

表3-1

光照度（Lux）

50

100

150

200

300

表3-2

2.光电池光照特性的测量

A）开路电压特性测试

实验装置原理框图如图3-3所示。

-

图3-3开路电压特性测试实验装置原理框图

1）将光电池焊接到Fig.2中原来焊接光电二极管的位置；

2）将电压表接入电路板中Fig.2部分的电压表插孔。

将电压表调到合适的档位。

4）按照表3-3缓慢调节光源的电源电压以获得不同的照度值。

记录在不同的照度时电压表的读数，填入表3-3；

5）关闭光源的电源，拆除所有连线（光电池的连线不拆）。

表3-3

10

30

开路电压（mV）

B）短路电流特性测试

实验装置原理框图如图3-4所示。

图3-4短路电流特性测试实验装置原理

2）将电流表接入电路板中Fig.2部分的电压表插孔。

将电流表调到合适的档位。

4）按照表3-4缓慢调节光源的电源电压以获得不同的照度值。

记录在不同的照度时电流表的读数，填入表3-4；

5）关闭光源的电源，拆除所有连线。

1.做出0偏压下光电二极管的光照特性曲线和－6V偏压下光电二极管的光照特性曲线。

分析并比较零偏压和-6V偏压下光电二极管光照度—电流曲线的区别。

2.作出光电池的光照度—开路电压特性曲线和光照度-短路电流曲线。

比较光电池光照度-开路电压和光照度-短路电流曲线的异同，并对两条曲线进行分析。

1.了解用硅光电池制作光功率计的原理

2.用运算放大器制作I-V转换器

3.测量不同波长的激光器的光功率，学习用硅光电池的光谱响应曲线修正测量结果。

1.硅光电池的工作原理

光电池则是一种能将光能转化成电能的p-n结光电器件，光电池的工作原理基于光伏效应。

当光照到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-空穴对在结电场的作用下从表面向内迅速扩散，在开路状态下，在光电池的两端产生了一个与结电场方向相反的光生电场，即在p区和n区之间产生了光生电压Voc，电压的大小与光照强弱有关；

在短路状态下，产生了短路电流Isc，方向是从N到P。

图4-1为硅光电池等效电路图，图4-2为工作在短路（负载为0）状态下的电路图。

式1为短路电流的表达式。

图4-2短路工作图

（1）

为光电灵敏度，

为入射光照度。

当光电池工作在短路状态下，电流和光照成正比。

光电池作为测量使用时就要工作在短路状态下。

光电池对于不同波长的光有不同的灵敏度，这就是硅光电池的光谱响应特性，其定义为在相同的入射功率下，光电池在不同的波长光的照射下所产生的短路电流与入射光波长之间的关系，一般用相对响应表示。

普通的硅光电池的相对光谱响应如图4-3所示：

0.2

图4-3硅光电池光谱响应曲线

2.I-V转换器

用硅光电池作为测量器件时，通常是工作在短路状态下，由于测到的电流往往很小，因此要对测量到的信号进行放大，放大的方法可采用运算放大器实现。

即将运算放大器作为I-V转换器，原理图如图4-4所示：

If

Rf

Av

v

图4-4I-V转换电路图

硅光电池产生的光电流Ip与接受到的光功率W成正比。

由光电流经过I-V转换后的电压为

U=IpRf=KλWRf=（KλRf）W

（2）

硅光电池接受到的光功率W与I-V转换后的输出电压U成正比，可以用U来表示W的大小。

在实际的光功率计中，通过调节Rf，，能使U与W成整数比，给读数和定标带来方便。

3.制作光功率计时

的选取

图4-4是简易的光功率计的电原理图。

已知硅光电池对于1mW波长为650nm的光产生的光电流大小为

，即K（650nm）=0.35mA/W。

若选取反馈电阻

，当I-V转换器的输出电压为xV，由

（2）知道，测量到的光功率为xmW。

同样由

（2），若选取反馈电阻Rf=285.7Ω，当I-V转换器的输出电压为xV，测量到的光功率为10xmW。

硅光电池接受到光功率而产生光电流的灵敏度与波长有关，这种与波长有关的灵敏度通常称做光谱响应R（λ）。

式

（2）中的K（λ）与R（λ）成正比。

已知K（650nm）=0.35mA/W和图4-3中的R（λ），能够求得

K（λ）=K（650nm）*R（λ）/R（650nm）（3）

当用针对λ为650nm设计的光功率计来测量532nm的光功率时必须作修正，在读数上乘以修正系数M（532nm），

M（532nm）=K（650nm）/K（532nm）=R（650nm）/R（532nm）（4）

硅光电池、运算放大器CA3140E、半导体激光器（

，λ=532nm各一套）、万用表、干电池、电路板（LightPowerMeterCircuit），可调电阻4.7k等。

器件介绍：

运算放大器CA3140E

实验中使用的运算放大器的型号为CA3140E，其引脚图如下：

使用时用单电源供电，即4脚接地，7脚接+6V，2脚为运放的负输入端，3脚为运放的正输入端，6脚为运放的输出端，1、5、8脚不接。

实验内容：

1.察看电路板上的电路，并且画出电原理图；

2.将运算放大器CA3140E插入电路板中集成芯片的位置，注意不要插错；

3.制作用1V表示650nm波长光1mw的简易光功率计

1）计算

的值。

实验中使用的是可调电阻来充当

，请用万用表的电阻档来测量

，同时调整到所需的阻值，并将其连接到电路板上。

2）连接硅光电池和电压表，并且连接供电的电池。

3测量650nm半导体激光器的功率并作记录。

4设计和调整

的大小，使光功率计的量程扩大5倍（即1V表示5mw的650nm的光），然后再测量532nm半导体激光器的功率（在读数上乘以修正系数M532nm，）。

讨论题：

如果用自制的激光光功率计（即1V表示1mw的650nm的光）来测量波长分别为450nm和780nm的光得到的电压值分别为2V和0.7V，则对应的光功率为多少？

实验五LED光源I—P特性曲线测试

发光二极管简称LED（LightEmittingDiode），是目前比较常用的半导体光源，它的输出光功率（P）随驱动电流（I）的变化而变化，因此测量LED光源的I—P特性曲线具有非常重要的理论意义和工程应用意义。

1.了解LED光源的发光机理，了解PIN探测器的基本构造和原理；

2.学习LED光源的光学特性和电学特性，熟悉其I—P特性，掌握I—P特性曲线的测量方法；

在光纤通信系统中，光源的基本功能是将电流形式的电能转变为光能，并将发出的光有效的耦合到光纤中。

光源是光纤通信的核心器件。

光源的种类有：

发光二极管（LED），半导体激光器及非半导体激光器。

发光二极管制造简单，便宜，光/电转换线性好，寿命长，可靠性高，温度特性好，可不用致冷器，但其相干性差，发光效率低，调制带宽窄。

发光二极管（LED）是靠PN结附近的电子和空穴对的复合而进行自发辐射发光。

当给发光二极管的PN结加正向电压时，外加电场将削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子的扩散运动加强，由于电子迁徙率总是远大于空穴的迁徙率，因此，电子由N区扩散到P区