实验一光电探测器特性测试实验

1实验一、光电探测器特性测试实验光电探测器是一种将辐射能转换成电讯号的器件，是光电系统的核心组成部分，在光电系统中的作用是发现信号、测量信号，并为随后的应用提取某些必要的信息。光电探测器的种类很多，新的器件也不断出现，按探测机理的物理效应可分为两大类：一类是利用各种光子效应的光子探测器，另一类是利用温度变化的热探测器。在众多的光电子效应中，只有光电子发射效应、光电导效应、光生伏特效应和光电磁效应得到广泛应用。本实验主要测试光敏电阻（光电导效应）以及光敏二极管、光敏三极管和光敏电池（光伏效应）等光子探测器的特性（包括光照特性、伏安特性、光谱特性等）。[实验目的]1．了解几种常见光电探测器的工作原理、光照特性、伏安特性和光谱响应特性；2．学会正确光电传感实验台。[实验仪器]ZY13OFSens12SB主机箱一台普通光源一个遮光筒一个光照度计探头一个光电器件实验（一）模板一个滤色片（七色）一套支架一套导线若干cds光敏电阻一个光敏三极管一个光敏二极管一个硅光电池一个图1-1光电器件实验(一)模板及接线图[实验原理]21、光敏电阻光敏电阻是用光电导体制成的光电器件，又称光导管．它是基于半导体光电效应工作的。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时可加直流电压，也可以加交流电压。当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值(亮电阻)急剧减少，因此电路中电流迅速增加。光敏电阻的暗电阻越大．而亮电阻越小．则性能越好，也就是说，暗电流要小，光电流要大，这样的光敏电阻的灵敏度就高。实际上，大多数光敏电阻的暗电阻往往超过1M欧，甚至高达100MΩ，而亮电阻即使在正常白昼条件下也可降到1kΩ以下，可见光敏电阻的灵敏度是相当高的。光照特性、伏安特性和光谱特性是光敏电阻的基本特性。2、光敏二极管光敏二极管是一种光伏探测器，主要利用了PN结的光伏效应。对光伏探测器总的伏安特性可表达为skTqVssDIeIIII)1(0式中I中是流过探测器总电流，Iso二极管反向饱和电流，Is是光照时的光电流，q是电子电荷，V是探测器两端电压，k为玻耳兹曼常数，T器件绝对温度。当入射光的强度发生变化，通过光敏二极管的电流随之变化，于是在光敏二极管的二端电压也发生变化。光照时导通，光不照时，处于截止状态，并且光电流和照度成线性关系。3、光敏三极管在光敏二极管的基础上，为了获得内增益，就利用了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5-2所示。BE光PNN＋EJSiO2ECVRLCBEIΨIΨβ(1+β)i+-(a)光敏三级管结构(b)使用电路(c)等效电路图1-2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和集电极并联：集电极-基极产生的电流，输入到三极管的基极再放大。不同之处是，集电极电流（光电流）由集电结上产生的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。4、光电池3当光照射到光电池P-N结上时，便在P-N结两端产生电动势。这种现象叫“光生伏特效应”，将光能转化为电能。该效应与材料、光的强度、波长等有关。[实验内容]一、光敏电阻特性测试1.亮电阻和暗电阻测量（1）图1-3是光敏电阻实验原理图（2）根据图1-1的光学系统装置图，安装好普通光源和光照度计探头（代替图中光敏电阻）及遮光筒，将主机箱的0～12V的可调电源与普通光源的两个插孔相连，将可调电源的调节旋钮逆时针方向慢慢调到底。将照度计探头的两个插孔“+”（红色）和“-”（黑色）与主机箱照度计输入端“+”、“-”对应连接。打开主机箱电源，顺时针方向慢慢调节0～12V可调电源幅度旋钮，使主机箱照度计显示100Lx。关闭电源。（3）撤下照度计连线及探头，换上光敏电阻。将光敏电阻的两个插孔通过连线连到主实验模块上光敏器件输入端。电流表输入端“+”插孔与模块上左下对应安培表输入端（红色）相连，电流表输入端“-”插孔与模块上左下对应安培表输入端（黑色）相连。电压表输入端“+”插孔与模块上左边对应电压表输入端（红色）相连，电压表输入端“-”插孔与模块上左边对应电压表输入端（黑色）相连。模块上0～5V电源输入端与主机箱上对应相连。（4）光敏电阻与光源之间用遮光筒连接。打开电源，调节0～5V电源幅度调节旋钮，使电压表显示5V（20V档），10秒钟左右（可观察主机箱上的定时器）读取电流表的值（亮电流）I亮和电压表的值U测。（5）将0～12V可调电源的调节旋钮逆时针方向慢慢旋到底后，调节0～5V电源幅度调节旋钮，使电压表显示5V（20V档），10秒钟左右读取电流表的值（暗电流）I暗和电压表的值U测。关闭电源。（6）根据以下公式，计算亮阻和暗阻（照度为100Lx，U测为+5V）UIR测亮亮＝；UIR测暗暗＝（7）光敏电阻在不同的照度下有不同的亮阻和暗阻；在不同的测量电压（U测）下有不同的亮阻和暗阻。如有兴趣可重复以上实验步骤做实验。2、光照特性测量光敏电阻的测量电压（U测）固定时，光敏电阻的光电流随光照强度变化而变化，它们之间的关系是非线性的。调节光源0～12V电压得到不同的光照度(测量方法同以上实验)，测得数据填入表1-1，并作曲线图。表1-1光照度（Lx）10030050070090011001300电流（mA）3、伏安特性测量AV＋5VCds光敏电阻图1-3光敏电阻实验原理4在一定的光照强度下，光电流随外加电压的变化而变化。测量时，根据表1-2，给定光照度，调节0～5V电压（由电压表监测），测得流过光敏电阻的电流,记录数据填入表5-2，并作不同照度下的三条伏安特性曲线。表1-24、光谱特性测量光敏电阻对不同波长的光，接收的光灵敏度是不一样的，这就是光敏电阻的光谱特性。实验时线路接法同图1-2，在光路装置中先用照度计窗口对准遮光筒，调节0～12V电源输出幅度旋钮，得到100Lx的照度。然后旋下光源前盖,更换不同的滤光片，可得到对应各种颜色的光。作光谱特性时，需调节0～5V电源输出幅度旋钮，使光敏电阻工作在固定电压+5V下。根据光敏电阻在某一固定工作电压（+5V），同一照度（100Lx），不同波长（颜色）时测量流过光敏电阻的电流值，就可作出其光谱特性曲线。实验数据填入表1-3。表1-3颜色波长(nm)100Lx照度下的电流红650橙610黄570绿530青480蓝450紫400二、光敏二极管特性测试1、光照特性测量根据图1-1接线，光敏二极管即为图中光电器件，测量光敏二极管的暗电流和亮电流。电流表输入端“+”与模块上左下对应安培表输入端（红色）相连，电流表输入端“-”与模块上左下对应安培表输入端（黑色）相连。电压表输入端“+”与模块上左边对应电压表输入端（红色）相连，电压表输入端“-”与模块上左边对应电压表输入端（黑色）相连。模块上0～5V电源输入端与主机箱上对应相连。暗电流测试：将主机箱中的0～12V可调稳压电源的调节旋钮逆时针方向慢慢旋到底。打开主机箱电源，顺时针方向慢慢地调节0～5V可调电源输出电压，使电压表显示5V（U测）。电压（V）电流（μA）光照度（Lx）1.2523451003005005读取主机箱上电流表（20μA档）的值即为光敏二极管的暗电流。亮电流测试：a、关闭主机箱电源，撤下光敏二极管，换上光照度计探头。用连接线将照度计探头的两个插孔与主机箱上的照度计输入的两个插孔“＋”、“－”分别相应连接；照度计探头与光源之间用遮光筒连接。b、打开主机箱电源，顺时针方向慢慢地调节0～12V可调电源（光源电压），使主机箱上照度计的读数为100Lx。c、撤下照度计探头，换上光敏二极管，读取电流表值，即为照度100Lx，U测5V（光敏二极管工作电压）时的亮电流。重复a、b、c实验步骤，把测量值填入表1-4，并作出曲线。表1-4照度Lx100200300400500600700800I亮（μA）2、伏安特性测量在一定的光照强度下，光电流随外加电压的变化而变化。测量时，根据表1-5，给定光照度，调节0～5V电压（由电压表监测），测得流过光敏二极管的电流,记录数据填入表4-2，并作不同照度下的三条伏安特性曲线。表1-53、光谱特性测量光谱特性测试用七种颜色的滤光片代替不同波长的光。实验方法与亮电流测试方法基本一样，不同点就是拧下光源前盖，更换不同颜色的滤色镜，调节光源电压，在相同照度(800Lx)下，测得光电流，填入表1-6，并作出曲线。表1-6红(650)橙(610)黄(570)绿(530)青(480)蓝(450)紫(400)800Lx三、光敏三极管特性测试1、光照特性测量电压（V）电流（μA）光照度（Lx）1.252345100300500颜色(nm)光电流(uA)照度6根据图5-1接线，光敏三极管即为图中光电器件，测量光敏三极管的暗电流和亮电流。电流表输入端“+”与模块上左下对应安培表输入端（红色）相连，电流表输入端“-”与模块上左下对应安培表输入端（黑色）相连。电压表输入端“+”与模块上左边对应电压表输入端（红色）相连，电压表输入端“-”与模块上左边对应电压表输入端（黑色）相连。模块上0～5V电源输入端与主机箱上对应相连。暗电流测试：将主机箱中的0～12V可调稳压电源的调节旋钮逆时针方向慢慢旋到底。打开主机箱电源，顺时针方向慢慢地调节0～5V可调电源输出电压，使电压表显示5V（U测）。读取主机箱上电流表（20μA档）的值即为光敏三极管的暗电流。关闭电源。亮电流测试：a、关闭主机箱电源，撤下光敏三极管，换上光照度计探头。用连接线将照度计探头的两个插孔与主机箱上的照度计输入的两个插孔“＋”、“－”分别相应连接；照度计探头与光源之间用遮光筒连接。b、打开主机箱电源，顺时针方向慢慢地调节0～12V可调电源（光源电压），使主机箱上照度计的读数为100Lx。c、撤下照度计探头，换上光敏三极管，读取电流表值，即为照度100Lx，U测5V（光敏二极管工作电压）时的亮电流。重复a、b、c实验步骤，测量不同照度下的亮电流值，填入表1-7，并作出光照特性曲线表1-7照度Lx100200300400500600700800I亮（mA）2、伏安特性测量在一定的光照强度下，光电流随外加电压的变化而变化。测量时，根据表5-8，给定光照度(100Lx)，调节0～5V电压（由电压表监测），测得流过光敏三极管的电流,记录数据填入表1-8，并作出伏安特性曲线。表1-83、光敏三极管的光谱特性测量光敏三极管对不同波长的光，接收灵敏度光不一样的，它有一个峰值响应波长。当入射光的波长大于峰值响应波长时，相对灵敏度要下降。光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长小于峰值响应波长时，相对灵敏度也要下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。实验时通过滤色片的得到不同波长的光，不同波长的光在相同的照度下，检测出对应的光敏三极管的电流大小，则得到不同波长的灵敏度。光敏三极管响应波长（光谱特性）的实验方法与亮电流测试方法基本一样，不同点就是拧下光源前盖，更换不同颜色的滤色镜，调节光源电压，在相同照度(100Lx)下，测得光电流，填入表1-9，并作出光谱特性曲线。表1—9电压（V）电流（mA）光照度（Lx）0.511.522.51007颜色(nm)光电流（mA）照度（Lx）红(650)橙(610)黄(570)绿(530)青(480)蓝(450)紫(400)100四、光电池特性测试1、光照特性测量硅光电池在不同的照度下，产生不同的光电流和光生电动势。它们之间的关系就是光照特性。（1）按图1-1接线：将光源两个插孔接入主机箱0～12V可调电源的相应插孔上（逆时针方向调节可调电源的旋钮到底），将光电池的两个插孔接到实验模板的硅光电池上（根据颜色对应连接）。（2）将照度计探头两个插孔接