试验一发光二极管光源的照度标定试验.docx
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试验一发光二极管光源的照度标定试验
光电检测技术
实验指导书
长春工业大学人文信息学院
电子信息系
2011-09
目录
实验一发光二极管（光源）的照度标定实验2
实验二光敏二极管的特性实验5
实验三光敏三极管特性实验7
实验一发光二极管（光源）的照度标定实验
一、实验目的：
了解发光二极管的工作原理；作出工作电流与光照度的对应关系及工作电压与光照度的对应关系曲线，为以后实验提供光源照度所需的输入电压或输入电流（即光源的输入电压或光源的输入电流代替相应的光源的照度）作依据。
二、基本原理：
半导体发光二极管筒称LED。
它是由Ⅲ－Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。
因此它具有一般二极管的正向导通；反向截止、击穿特性。
此外，在一定条件下，它还具有发光特性。
其发光原理如图1－1所示，当加上正向激励电压或电流时，在外电场作用下，在P－N结附近产生
图1—1发光二极管的工作原理
导带电子和价带空穴，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区，进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。
假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。
除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、价带中间附近）捕获，再与空穴复合，每次释放的能量不大，以热能的形式辐射出来。
发光的复量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。
由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数µm以内产生。
发光二极管的发光颜色由制作二极管的半导体化合物决定。
本实验使用纯白高亮发光二极管。
三、需用器件与单元：
主机箱中的0～20mA可调恒流源、转速调节0～24V电源、电流表、电压表、照度表；照度计探头；发光二极管；庶光筒。
四、实验步骤：
1、按图1－2A配置接线，接线注意＋、－极性。
图1—2A发光二极管工作电流与光照度的对应关系实验接线示意图
2、检查接线无误后，合上主机箱电源开关。
3、调节主机箱中的恒流源电流大小（电流表量程20mA档）即发光二管的工作电流大小就可改变光源的光照度值。
拔去发光二极管的其中一根连线头，则光照度为0（如果恒流源的起始电流不为0，要得到0照度只要断开光源的一根线）。
按表1进行标定实验（调节恒流源），得到照度—电流对应值。
4、关闭主机箱电源，再按图1—2B配置接线，接线注意＋、－极性。
5、合上主机箱电源，调节主机箱中的0～24V可调电压（电压表量程20V档）就可改变光源（发光二极管）的光照度值。
按表1进行标定实验（调节电压源），得到照度—电压对应值。
6、根据表1数据作出发光二极管的电流－照度、电压－照度特性曲线（图1—3）。
图1—2B发光二极管工作电压与光照度的对应关系实验接线示意图
表1发光二极管的电流、电压与照度的对应关系
照度（Lx）
0
10
20
…
90
100
110
…
190
200
210
…
290
300
电流（mA）
0
…
…
…
电压（V）
0
…
…
…
注：
由于发光二极管（光源）离散性较大，每个发光二极管的电流－照度对应值及电压－照度对应值是不同的。
实验者必须保存表1的标定值，为以后做光电实验服务。
如以后做实验提到光照度值只要调节恒流源相应电流值或电压源相应电压值，省去烦琐的每次光源照度测量。
实验者只能在相应的实验台（对应表1的相应实验台）完成以后的光电实验。
电流I（mA）电压U（V）
照度（Lx）照度（Lx）
图1—3发光二极管的电流－照度、电压－照度特性曲线
实验二光敏二极管的特性实验
一、实验目的：
了解光敏二极管工作原理及特性。
二、基本原理：
当入射光子在本征半导体的p-n结及其附近产生电子—空穴对时，光生载流子受势垒区电场作用，电子漂移到n区，空穴漂移到p区。
电子和空穴分别在n区和p区积累，两端便产生电动势，这称为光生伏特效应，简称光伏效应。
光敏二极管基于这一原理。
如果在外电路中把p-n短接，就产生反向的短路电流，光照时反向电流会增加，并且光电流和照度基本成线性关系。
三、需用器件与单元：
主机箱中的转速调节0～24V电源、±2V～±10V步进可调直流稳压电源、电流表、电压表；光电器件实验
（一）模板、光敏二极管、发光二极管、庶光筒。
四、实验步骤：
1、光照特性：
将图2－2中的光敏电阻更换成光敏二极管（注意接线孔的颜色相对应即+、-极性），
按图2—2安装接线，测量光敏二极管的暗电流和亮电流。
图2—2光敏二极管特性实验接线图
暗电流测试：
将图2—2中主机箱中的将±2V～±10V的可调电源开关打到6V档，合
上主机箱电源，将0～24V可调稳压电源的调节旋钮逆时针方向缓慢旋到底，读取主机箱上电流表（20µA档）的值即为光敏二极管的暗电流。
暗电流基本为0µA，一般光敏二极管小于0.1µA，暗电流越小越好。
亮电流测试：
顺时针方向缓慢地调节0～24V电源（实验一的标定值）为表2—1照
度对应的电压值，光电流的测量（根据光电流的大小切换合适的电流表量程档）数据填入表2－1。
根据表2－1数据，作出图22－1光敏二极管工作电压为6V时的I—Lx特性曲线。
表2—1二极管光照特性实验数据
光照度（Lx）
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
光电流（µA）
I（µA）
Lx
图2—1光敏二极管光照特性曲线
2、伏安特性测量
光敏二极管在一定的光照度下，光电流随外加电压的变化而变化，测量时，在给定光
照度（实验一的标定的光照度对应的电压值）时，光敏二极管输入0V、2V～10V五档可调电压（调节图2—2中的±2V～±10V的电压），测得光敏二极管上的电流值填入表2—2，并在同一坐标图2—2中作出不同照度的伏安特性曲线族。
表2—2光敏二极管伏安特性实验数据
光敏二极管
电压（V）
0
2
4
6
8
10
照
度
Lx
0Lx
电流（µA）
10Lx
……
50Lx
电流（µA）
……
100Lx
电流（µA）
I（mA）
Vcc
图2—2光敏二极管伏安曲线族
实验三光敏三极管特性实验
一、实验目的：
了解光敏三极管结构、原理和特性。
二、基本原理：
在光敏二极管的基础上，为了获得内增益，就利用晶体三极管的电流放大作用，用Ge或Si单晶体制造NPN或PNP型光敏三极管。
其结构使用电路及等效电路如图43—1所示。
图43—1光敏三极管结构及等效电路
光敏三极管可以等效一个光电二极管与另一个一般晶体管基极集电极并联：
集电极-基极产生的电流，输入到共发三极管的基极在放大。
不同之处是，集电极电流（光电流）有集电结上产生的iφ控制。
集电极起双重作用；把光信号变成电信号起光电二极管作用；使光电流再放大起一般三极管的集电结作用。
一般光敏三极管只引出E、C两个电极，体积小，光电特性是非线性的，广泛应用于光电自动控制作光电开关应用。
三、需用器件与单元：
主机箱中的转速调节0～24V电源、±2V～±10V步进可调直流稳压电源、电流表、电压表；光电器件实验
（一）模板、光敏三极管、发光二极管、庶光筒。
四、实验步骤：
将图2－2中的光敏电阻更换成光敏三极管，实验步骤和方法与实验二完全相同，按照实验二实验。
表3—1三极管光照特性实验数据
光照度（Lx）
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
光电流（µA）
I（µA）
Lx
图3—1光敏三极管光照特性曲线
表3—2光敏三极管伏安特性实验数据
光敏二极管
电压（V）
0
2
4
6
8
10
照
度
Lx
0Lx
电流（µA）
10Lx
……
50Lx
电流（µA）
……
100Lx
电流（µA）
I（mA）
Vcc
图3—2光敏三极管伏安曲线族
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