光电二极管特性测试及其变换电路Word下载.docx

1、万用表1个计算机1套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

2、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

3、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

4、支路中的电流即为所测器件的暗电流，如图 2所示I 心1 Dg I |T E Rl 0 U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

5、图2所示的电路连接电路图，负载 RL选择RL=20M Q。（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

6、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

7、光照特性测量光照度（Lx）100200300400500600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。 DgRlD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

8、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。n MI I1 DG IeT 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

9、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

10、接电路图，E选择0-15V直流电压，负载RL选择 RL=200k Qo（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

11、，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，

12、 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

13、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

14、）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=100k Q。（4） 打开电源，缓慢调节光照度

15、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）0.650.610.560.420.250.06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。