光电二极管特性参数的测量及原理应用(精)

工作总结实验报告//光电池/光敏电阻/光电二极管特性参数的测量指导人：朱小姐实验类型：工作检验及年终总结实验地点：搏盛科技光电子半导体实验室实验目的：销售技能的考察，产品及相关知识的了解情况，年终总结实验日期：2011年12月26日姓名：陈帅职位：销售工程师手机号：159********Email:[e-mail]概述光电效应是指入射光子与探测器材料中的束缚电子发生相互作用，使束缚电子变成为自由电子的效应。光电效应分为内光电效应与外光电效应两类。入射光子引起探测器材料表面发射电子的效应称为外光电效应。入射光子激发的载流子（电子或空穴）仍保留在材料内部的效应称为内光电效应。内光电效应器件有光电导探测器（例如光敏电阻）、光生伏特器件（光电池、光电二极管、光电三极管）。实验内容测量三种内光电效应器件（光敏电阻、光电池、光电二极管）的特性参数。注意事项a做实验请关灯，以达到良好的测量效果。b拆卸数据线时不要用力硬拽，拆不下来请转个角度拆。c请在自己的实验桌上做实验，不要到别的实验桌旁干扰同事做实验，更不要动他人的仪器。d请勿触摸光学镜片的表面。e测量时不要碰导线，否则数据不稳定。更不能用力拉扯导线，导致接头脱落。f实验完毕关闭所有电源开关。实验报告报告开头请填入姓名、职位、手机号、实验日期。实验完成后，请将报告打印出来，在有实验数据、图表的页脚签名，然后交到朱小姐办公桌上。Word文件请以“实验报告+姓名”命名，发到朱小姐邮箱。请在元旦节前完成。签名:第1页光敏电阻的特性曲线测量一.目的要求测量CdS（硫化镉）光敏电阻的伏安特性和光照特性。实验要求达到：1、使用Excel或绘图软件Origin绘制出伏安特性特性曲线2、绘制出光照特性曲线3、理解光敏电阻的光电特性二.实验原理某些物质吸收了光子的能量产生本征吸收或杂质吸收，从而改变了物质电导率的现象称为物质的光电导效应。光电导效应只发生在某些半导体材料中，金属没有光电导效应。光敏电阻是基于光电导效应工作的元件。光敏电阻具有体积小，坚固耐用，价格低廉，光谱响应范围宽等优点。广泛应用于微弱辐射信号的探测领域。由于光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，只要把它当作电阻值随光照度而变化的可变电阻器对待即可，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。因此光敏电阻在电子电路、仪器仪表、光电控制、计量分析以及光电制导、激光外差探测等领域中获得了十分广泛的应用。如图，光功率为P的光照射到光敏电，则光敏层单位时间所吸收：阻上，假设光全部被吸收的光量子数密度N应为N=Phνbdl（1）光敏层每秒产生的电子数密度Ge为：Ge=ηN（2）η为有效量子效率，表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为：η=单位时间内光电转换产生的有效电子空穴对数单位时间内入射光量子数（3）理想情况下，入射一个光量子产生一对电子空穴，η=1。实际上，η1。光敏层内电子总产生率应为热电子产生率Gt与光电子产生率Ge之和：Ge+Gt=ηN+rt（4）在热平衡状态下，半导体的热电子产生率Gt与热电子复合率rt相平衡。导带中的电子与价带中的空穴的总复合率R应为：R=Kf(∆n+ni(∆p+pi（5）式中，Kf为载流子的复合几率，Δn为导带中的光生电子浓度，Δp为导带中的光生空穴浓度，ni与pi分别为热激发电子与空穴的浓度。同样，热电子复合率与导带内热电子浓度ni及价带内空穴浓度pi的乘积成正比。即签名:第2页rt=Kfnipi（6）在热平衡状态载流子的产生率应与复合率相等。即ηN+Kfnipi=Kf(∆n+ni(∆p+pi（7）在非平衡状态下，载流子的时间变化率应等于载流子的总产生率与总复合率的差：d∆n=ηN+Kfnipi−Kf(∆n+ni(∆p+pi=ηN−Kf(∆n∆p+∆pni+∆npi（8）dt下面分为弱光与强光照射两种情况讨论式（8）：①在弱光照射下光生载流子浓度Δn远小于热激发电子浓度ni，光生空穴浓度Δp远小于热激发空穴的浓度pi，并考虑到本征吸收的特点，Δn=Δp，式（8）可简化为d∆n=ηN−Kf∆n(ni+pidt（9）−t利用初始条件t=0时，Δn=0，解微分方程得：∆n=ητN(1−e式中τ=1/Kf(ni+pi，称为载流子的平均寿命。τ（10）由式（10）可见，光激发载流子浓度随时间按指数规律上升，当tτ时，载流子浓度Δn达到稳态值Δn0，即达到动态平衡状态：∆n0=ητN（11）（12）光激发载流子引起半导体电导率的变化为：∆σ=∆n0qµ=ητqµN式中，μ为电子迁移率μn与空穴迁移率μp之和。光敏电阻受光照后阻值会变小也可以这么定性理解：当内光电效应发生时，固体材料吸收的能量使部分价带电子迁移到导带，同时在价带中留下空穴。这样材料中的载流子数目增加，材料的电导率也就增加。当光敏电阻两端加上电压U后，光电流为：Iph=A为与电流垂直的截面积，d为电极间的距离。A∆σUd（13）由式（12）与式（13）可知：在一定照度下，光敏电阻两端所加电压与光电流为线性关系，伏安特性曲线符合欧姆定律。光敏电阻具有与普通电阻相似的伏安特性，但它的电阻值是随入射光照度变化的。可以测出在不同光照下加在光敏电阻两端的电压与流过它的电流的关系曲签名:第3页线，即光敏电阻的伏安特性曲线，伏安特性曲线过零点，其斜率为某光照度下的电阻值。图1不同光照下光敏电阻的伏安特性曲线弱光照射下半导体材料的光电导g为：g=∆σbdητqµbdητqµ=N=Pllhνl2（14）可以看出，弱光照下的半导体材料的电导与光功率P成线性关系。光照度越大，电导越大，电阻的阻值越小。将式（14）两边微分得：dg=ηqτµdPhνl2（15）由此可得半导体材料在弱光照射下的光电导灵敏度：Sg=dgηqτµλ=dPhcl2（16）可见，在弱光照射下的半导体材料的光电导灵敏度与光电导材料两电极间的长度l的平方成反比，为与材料性质有关的常数。电导随光照量变化越大的光敏电阻就越灵敏。在一定外加电压下，光敏电阻的光电流与光通量之间的关系称为光照特性。光敏电阻阻值随光照的增加而减小。当照度很低时，光敏电阻的光照特性近似为线性关系，斜率大致相同。随光照度的增高，光照特性从线性渐变到非线性。当照度变得很高时，曲线近似为抛物线性。图2光敏电阻的光照特性曲线签名:第4页②在强光照射下Δnni，Δppi，式（8）可以简化为：d∆n=ηNe,λ−Kf∆n2dt⎞2t⎟tanh⎟τ⎠1（17）⎛ηN利用初始条件t=0时，Δn=0，解微分方程得：∆n=⎜e,λ⎜K⎝f白色LED光源准直透镜起偏器P1（18）式中τ=1起偏器P2聚焦透镜光敏元件转盘ηKfNe,λ为强光照作用下载流子的平均寿命。在强光照情况下，半导体材料的光电导与光功率为抛物线关系：⎛ηbd⎞⎟g=qµ⎜⎜hνKl3⎟Pf⎝⎠两边微分得：dg=1212数字检流计（19）1⎛ηbd⎞⎟PdPqµ⎜2⎜hνKfl3⎟⎝⎠12LM07电器箱1−2（20）12半导体材料在强光照射下的光电导灵敏：Sg1dg1⎛ηbd⎞−2⎟P==qµ⎜dP2⎜hνKfl3⎟⎝⎠（21）在强光照射下半导体材料的光电导灵敏度不仅与材料的性质有关而且与光照度有关，是非线性的。从图2可以看出，光照度越高，光电导灵敏度越低。三.实验装置仪器设备主要有：导轨、光具座、LED光源、CdS光敏电阻、电源箱、数字检流计、硬纸片。光源为发光二极管，它具有效率高、体积小、耗电少、寿命长等优点，且改变电源电压可以改变LED灯亮度。为了充分利用光源，在光源后放置了透镜L1，这样点光源经透镜L1为出射平行光，再经棱镜L2聚焦到光敏电阻上。为了减少环境光的影响，将光敏电阻置于遮光筒内，遮光筒开有一小孔，供发光二极管的光照入。光照度的变化通过转动偏振片P1和P2的夹角达到减光效果，由马吕斯定律：I=I0cos2α（22）I0为当两偏振片平行时的出射光强。当两偏振片之间有夹角α时，光强就按式（22）减小，也就是起到减光效果。I为通过偏振片后的光强。签名:第5页实验所用光敏电阻为最常见的CdS(硫化镉光敏电阻。它的光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率,峰值响应波长为0.52μm,在可见光波段范围内的灵敏度最高,因此,被广泛地应用于灯光的自动控制,照相机中电子快门的自动测光等。三种光敏电阻的光谱响应特性四.实验步骤、测量内容(1将发光二极管的底座锁定螺丝顺时针拧紧,固定在滑轨上。打开发光二极管的电源盒背面的开关,将电源盒面板上的旋钮顺时针旋到底(即光照度开到最大。将透镜L1滑动到距离发光二极管9厘米处(L1透镜的焦距,将底座的锁定螺丝顺时针拧紧在滑轨上。(2光路同轴等高调节:将所有的器件调到同一高度,光束穿过各器件的中心。(3在光敏电阻前立一张硬纸片。一边滑动透镜L2,一边观察纸上的光斑,使光斑聚成尽可能小的光点。如果聚光效果仍不够好,可以在滑动透镜L2的同时,稍微滑动透镜L1,以达到良好的聚光效果。(4撤掉硬纸片,将光敏电阻的黑色扇形挡板转开,露出光敏电阻黄色转盘上的小孔,观察光是否照进小孔。将导线的一端插入转盘上“光敏电阻”背面的插口。背面有三个插口,要插入到“光敏电阻”正背后的那个插口。插入即可,不必旋转。导线另一端连接到“LM07光电池光敏电阻综合实验仪”电控箱面板上的“光电阻”接口,将“MT数字检流计”电控箱背面的导线接到“LM07光电池光敏电阻综合实验仪”电控箱面板上的“光电流”接口,将电控箱上面板上的光电阻开关拨到“开”的位置。(5打开“LM07光电池光敏电阻综合实验仪”的电源开关。面板右上角的“电压调节”旋钮可调节“供给电压”(对光敏电阻施加的外部电压。(6将两只偏振片P1、P2转盘上的0°刻度线与标线对齐。打开“MT数字检流计”的电源开关。面板上显示的是光电流数值。如果光电流显示为1,表示数值溢出了,请将增益旋钮逆时针旋到最小。将“供给电压”从10V→8V→6V→4V→2V→0V依次递减,把相应的光电流数值填入表1中。(7旋转两偏振片中的一只,每次转15°,直到两偏振片的光轴夹角为90°。每次转角度后,将“供给电压”从10V→8V→6V→4V→2V→0V依次递减,把相应的光电流数值填入表1中。注意:由于经常旋转偏振器的转盘,螺丝可能脱扣。即使两只转盘上的0°刻度线与标线对齐,并不代表真实情况是这样。可以转动其中一只偏振器的刻度盘,当光电流最大时,视作两偏振片的光轴夹角为0°,然后再依次转15°。五.数据记录与绘图表1不同光照下加在光敏电阻两端的电压与流过它的电流的关系αcos2αI(μAU=0VU=2VU=4VU=6VU=8VU=10V90°075°0.0760°0.2545°0.530°0.7515°0.930°1根据表1中的数据,使用Excel或绘图软件Origin绘制出如图1所示的光敏电阻伏安特性曲线。1μA=1×10-6A对表1中的数据进行线性拟合,电脑算出直线的斜率,将斜率填入表2中。斜率的倒数即光敏电阻在不同光照度下的电阻值,将计算出的电阻值也填入表2中。1KΩ=1×103Ω表2光敏电阻阻值与光照度的关系αcos2α伏安特性曲线的斜率k电阻R=1/k(KΩ90°075°0.0760°0.2545°0.530°0.7515°0.90°1根据表2的数据,使用Excel或绘图软件Origin绘制出光敏电阻的光照特性曲线:五.观察与思考1、随着温度的升高,光敏电阻的暗电阻和灵敏度会怎样?2、光敏电阻效应有什么可能的应用?光电池的特性曲线测量目的要求测量光电池的光照特性和伏安特性。实验要求达到:1、测量光电池在光照状态下的短路电流Isc、开路电压Uoc、最大输出功率Pmax、填充因子FF2、了解光电池的光伏特性和黑暗状态下的伏安特性(二极管特性实验原理1839年,法国科学家贝克雷尔(Becqurel就发现,光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应”,简称“光伏效应”。具有光生伏特效应的半导体材料有很多,例如硅(Si、锗(Ge、硒(Se、砷化镓(GaAs等半导体材料。利用这些材料能够制