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光电信号检测实验指导书实验一 光敏电阻特性实验实验原理:利用具有光电导效应的半导体材料制成的光敏传感器叫光敏电阻，又称为光导管。是一种均质的半导体光电器件,其结构如图1-1所示。光敏电阻采用梳状结构是由于在间距很近的电阻之间有可能采用大的灵敏面积,提高灵敏度。光敏电阻应用得极为广泛，可见光波段和大气透过的几个窗口都有适用的光敏电阻。利用光敏电阻制成的光控开关在日常生活中随处可见。当内光电效应发生时，光敏电阻电导率的改变量为： 在上式中，e为电荷电量，为空穴浓度的改变量，为电子浓度的改变量，表示迁移率。当两端加上电压U后，光电流为： 式中A为与电流垂直的表面，d为电极间的间距。在一定的光照度下，为恒定的值，因而光电流和电压成线性关系。光敏电阻的伏安特性如图1-2所示，不同的光照度可以得到不同的伏安特性，表明电阻值随光照度发生变化。光照度不变的情况下，电压越高，光电流也越大，光敏电阻的工作电压和电流都不能超过规定的最高额定值。 图1-2光敏电阻的伏安特性曲线 图1-3 光敏电阻的光照特性曲线光敏电阻的光照特性则如图 1-3 所示。不同的光敏电阻的光照特性是不同的，但是在大多数的情况下，曲线的形状都与图1-3 类似。由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不适宜作测量型的线性敏感元件，在自动控制中光敏电阻常用作开关量的光电传感器。 图 1-4 几种光敏电阻的光谱特性实验所需部件:稳压电源、光敏电阻、负载电阻（选配单元）、电压表、各种光源、遮光罩、激光器实验步骤:1. 测试光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电阻观察光敏电阻的结构，用遮光罩将光敏电阻完全掩盖，用万用表欧姆档测得的电阻值为暗电阻R暗，移开遮光罩，在环境光照下测得的光敏电阻的阻值为亮电阻R亮，暗电阻与亮电阻之差为光电阻，光电阻越大，则灵敏度越高。在光电器件模板的试件插座上接入另一光敏电阻，试作性能比较分析。2. 光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流按照图1-5接线，分别在暗光及有光源照射下测出输出电压暗和U亮，电流L暗=U暗/R，亮电流L亮=U亮/R，亮电流与暗电流之差称为光电流，光电流越大则灵敏度越高。3. 光敏电阻的伏安特性测试按照图1-5接线，电源可从直流稳压电源+2+12V间选用， 每次在一定的光照条件下，测出当加在光敏电阻上电压 为+2V；+4V；+6V；+8V；+10V时电阻R两端的电压UR，和电流数据，同时算出此时光敏电阻的阻值，并填入以下表格，根据实验数据画出光敏电阻的伏安特性曲线。 图1-5 光敏电阻的测量电路 光敏电阻伏安特性测试数据表（暗光） 电源电压（伏）246810UR（伏）电阻（欧姆）电流（ ）光敏电阻伏安特性测试数据表（正常环境光照）电源电压（伏）246810UR（伏）电阻（欧姆）电流 光敏电阻伏安特性测试数据表（白炽灯照射）电源电压（伏）246810UR（伏）电阻（欧姆）电流（ ）4. 光敏电阻的光照特性测试按照图1-5接好实验线路，负载电阻R选定1K，光源用白炽灯，（实验者可仔细调节光源控制旋钮，得到不同的光源亮度），每确定一种亮度后改变测试电路工作电压从0V-12V。从电源电压UCC=2V开始到UCC=10V，每次在一定的外加电压下测出光敏电阻在相对光照度从“弱光”到逐步增强（通过白炽灯亮度调节）的电流数据，即：，同时求出此时光敏电阻的阻值，即： 。这里要求尽量多的测点（不少于4个）不同照度下的电流数据，尤其要在弱光位置选择较多的数据点，以使所得到的数据点能够绘出较为完整的光照特性曲线。光敏电阻光照特性测试数据表（电源电压：2V）照度很弱较弱中等较强很强UR（伏）光电流光敏电阻光照特性测试数据表（电源电压：4V）照度很弱较弱中等较强很强UR（伏）光电流光敏电阻光照特性测试数据表（电源电压：6V）照度很弱较弱中等较强很强UR（伏）光电流光敏电阻光照特性测试数据表（电源电压：8V）照度很弱较弱中等较强很强UR（伏）光电流光敏电阻光照特性测试数据表（电源电压：10V ）照度很弱较弱中等较强很强UR（伏）光电流根据以上实验数据画出光敏电阻的一组光照特性曲线。5. 光敏电阻的光谱特性： 用不同的半导体材料制成的光敏电阻有着不同的光谱特性，见图1-4。当不同波长的入射光照到光敏电阻的光敏面上，光敏电阻就有不同的灵敏度。用高亮度LED（红、黄、绿、蓝）作为光源，发光管与光敏电阻顶端可用附件中的黑色软管连接。分别测出光敏电阻在各种光源照射下的光电流，再用固体激光器、日光（白光）作为光源，测得光电流，将测得的数据记入下表，据此做出两种光电阻大致的光谱特性曲线：光源激光红黄绿蓝白光电流( )6. 光敏电阻的温度特性：光敏电阻与其他半导体器件一样，性能受温度影响较大。随着温度的升高电阻值增大，灵敏度下降。请按图1-5测试电路，分别测出常温下和加温（可白炽灯光照加热35分钟）后的伏安特性曲线。注意事项: 实验时请注意不要超过光电阻的最大耗散功率P MAX, P MAX=LU 光源照射时灯胆及灯杯温度均很高，请勿用手触摸，以免烫伤。实验时各种不同波长光源选用的高亮度LED在不发光时均为透明材料封装，查看颜色及亮度均可从其顶端透镜前观察。用做光源时也应将透镜发光点对准光敏器件。实验二 光敏二极管特性实验实验原理:光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的，其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。光敏二极管的伏安特性相当于向下平移了的普通二极管，无光照时，有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流，它随入射光强度的变化而变化。光敏二极管结构见图3-1。实验所需部件:光敏二极管、稳压电源、负载电阻（实验选配单元中可变电阻）、遮光罩、光源、电压表（万用表）、微安表（万用表上的200mA档） 图2-1光敏二极管原理实验步骤:按图2-2接线,要注意光敏二极管是工作在反向工作电压的。由于硅光敏二极管的反向电流非常小，所以应视实验情况逐步提高工作电压，如有必要可用稳压电源上的10V或12V串接。1. 暗电流测试用遮光罩盖住光电器件模板,选择合适的电路反向工作电压，选择适当的负载电阻。打开仪器电源，调节负载电阻值，微安表显示的电流值即为暗电流，或用4 1/2位万用表200mV档测得负载电阻R上的压降U暗，则暗电流L暗=U暗/R。一般锗光敏二极管的暗电流要大于硅光敏二极管暗电流数十倍。可在试件插座上更换其他光敏二极管进行测试做性能比较。2. 光电流测试:缓慢揭开遮光罩，观察微安表上的电流值的变化,（也可将照度计探头置于光敏二极管同一感光处，观察当光照强度变化时光敏二极管光电流的变化）或是用4 1/2位万用表200mV档测得R上的压降U光,光电流L光=U光/R。如光电流较大，则可减小工作电压或调节加大负载电阻。3. 伏安特性测试实验图2-2 光敏二极管测试电路按图3-2连接实验线路,光源选用高亮度卤素灯,分别调节至“弱光”、“中光”和“强光”三种照度。负载电阻用万用表确定阻值1K欧姆。图3-2光敏二极管测试电路 将可调光源调至一种照度，每次在该照度下，测出加在光敏二极管上的各反向偏压与产生的光电流 的关系数据，其中光电流（1K为取样电阻），在三种光照度下重复上述实验。光敏二极管伏安特性测试数据表（照度： 弱 ）电压（伏）24681012UR（伏）电阻（欧姆）光电流光敏二极管伏安特性测试数据表（照度： 中 ）电压（伏）24681012UR（伏）电阻（欧姆）光电流光敏二极管伏安特性测试数据表（照度： 强 ）电压（伏）24681012UR（伏）电阻（欧姆）光电流根据实验数据画出光敏二极管的伏安曲线。图3-3 光敏二极管的伏安特性曲线4.光照度特性测试 实验电路见图3-2。光源选用高亮度卤素灯，由实验者按照从“弱-强”仔细调节光源电位器取得多种光照度 ，每选一种照度就选择3种反向偏压测试记录，测出光敏二极管在相对光照度为“弱光”到逐步增强的光电流数据，其中（1K为取样电阻）。光敏二极管光照特性测试数据表（电压： ）照度UR（伏）光电流光敏二极管光照特性测试数据表（电压： ）照度UR（伏）光电流光敏二极管光照特性测试数据表（电压： ）照度UR（伏）光电流根据实验数据画出光敏二极管的光照特性曲线。 图3-4光敏二极管的光照特性曲线 光敏二极管的光照特性亦呈良好线性，这是由于它的电流灵敏度一般为常数。而光敏三极管在弱光时灵敏度低些，在强光时则有饱和现象，这是由于电流放大倍数的非线性所至，对弱信号的检测不利。故一般在作线性检测元件时，可选择光敏二极管而不能用光敏三极管。注意事项:本实验中暗电流测试最高反向工作电压受仪器电压条件限制为12V（24V），硅光敏二极管暗电流很小，虽然提高了反向电压，但还是有可能不易测得。测试光电流时要缓慢地改变光照度，以免测试电路中的微安表指针打表，如微安表量程不够大，可选用万用表的200mA电流档。实验四 光电池特性测试实验原理:光电池的结构其实是一个较大面积的半导体PN结，工作原理是光生伏特效应,当负载接入PN两极（电路中的E）后即得到功率输出。在一定光照度下，硅光电池的伏安特性呈非线性。 图7-2 硅光电池伏安特性曲线当光照射硅光电池的时候，将产生一个由N区流向P区的光生电流；同时由于PN结二极管的特性，存在正向二极管管电流，此电流方向与光生电流方向相反。所以实际获得的电流为： 图7-3硅光电池光照特性曲线式中V为结电压，为二极管反向饱和电流，n为理想系数，表示PN结的特性，通常在1和2之间，为波尔兹曼常熟，T为绝对温度。短路电流是指负载电阻相对于光电池的内阻来讲是很小的时候的电流。在一定的光照度下，当光电池被短路时，结电压V为0，从而有： 负载电阻在20欧姆以下时，短路电流与光照有比较好的线性关系，负载电阻过大，则线性会变坏。开路电压则是指负载电阻远大于光电池的内阻时硅光电池两端的电压，而当硅光电池的输出端开路时有，由（3）（4）式可得开路电压为： 图7-3为硅光电池的光照特性曲线。开路电压与光照度之间为对数关系，因而具有饱和性。因此，把硅光电池作为敏感元件时，应该把它当作电流源的形式使用，即利用短路电流与光照度成线性的特点，这是硅光电池的主要优点。实验所需器件: 两种光电池、各类光源、实验选配电路、电压表（万用表）自备、微安表（毫安表）、激光器、照度计（用户选配）实验步骤:图7-1为光电池结构原理及测试电路，图中E为光电池。1. 光电池短路电流测试：光电池的内阻在不同光照时是不同的，所以在测得暗光条件下光电池的内阻后（图7-1左）,应选用相对小得多的负载电阻。(这样所测得的电流近似短路电流)，试用阻值为1、5、10、20、30或更大的负载电阻接入测试电路。打开光源，在不同的距离和角度照射光电池，记录光电流的变化情况，可以看出，负载电阻越小（小于20欧姆），光电流与光强的线性关系就越好。2. 光电池光电特性测试：光电池的光生电动势与光电流和光照度的关系为光电池的光电特性。用遮光罩盖住光电器件模板，用电压表或4 1/2位万用表测得光电池的电势，取走遮光罩，打开光源灯光，改变灯光投射角度与光电池的距离，即改变光电池接收的光通量，测量光生电动势与光电流的变化情况，并将测试数据填入下表：照度很弱较弱中等较强很强光生电势光电流可以看出，它们之间的关系是非线性的，当达到一定程度的光强后，开路电压就趋于饱和了。 3. 硅光电池的伏安特性测试按照图7-1所示连接好实验线路，其中负载电阻用选配单元中的可调电阻(从0调至5K),由实验者自行连接到电路中。光源用白炽灯灯，分别选用“弱光”、“中光”和“强光”三种照度。将可调光源打开，每次在一定的照度下，调节实验选配单元中的可调电阻并用万用表确定阻值，然后测出一组硅光电池的开路电压UOC和取样电阻R1两端的电压UR1,则光电流 I=UR1/R1(R1为取样电阻的阻值)，改变负载电阻，测出尽可能多的数据点，以绘出完整的伏安特性曲线。,然后再另两种光照度下重复上述实验。硅光电池伏安特性测试数据表（照度：弱 ）Rx1（欧姆）UOC（伏）UR1（伏）光电流硅光电池伏安特性测试数据表（照度：中 ）Rx1（欧姆）UOC（伏）UR1（伏）光电流硅光电池伏安特性测试数据表（照度： 强 ）Rx1（欧姆）UOC（伏）UR1（伏）光电流根据实验数据画出硅光电池的伏安特性曲线。当光电池负载为电阻时，光照射下的光电池的输出电压与电流的关系，见图7-3。曲线的横坐标值为光电池开路电压值，纵坐标为短路电流值。当接入负载电阻RL时，负载线RL与伏安特性曲线的交点为工作点，此时光电池的输出电流与电压的乘积为光功率。在上述试验中，分别测得在不同负载条件下，光电池的输出功率，求得最佳工作点。将光电池分别串、并联，测出其工作性能与输出功率，并得出定性的结论。注意事项: 光电池串、并联时请注意电压极性，以免电压相互抵消或短路。实验五 光栅衍射实验光栅距的测定与测距实验（一）光栅距的测定实验目的：了解光栅的结构及光栅距的测量方法。实验所需部件：光栅、激光器、直尺与投射屏（自备）。实验步骤：1、 激光器放入光栅正对面的激光器支座中，接通激光2、 电源后调节上下左右位置使光点对准光栅组中点后3、 用紧定螺丝固定。4、 在光栅后方安放好投射屏，观察到一组有序排列的衍射光斑，与激光器正对的光斑为中央光斑，依次向两侧为一级、二级、三级衍射光斑。如图20-1所示。请观察光斑的大小及光强的变化规律。5、 根据光栅衍射规律，光栅距D与激光波长、衍射距离L、中央光斑与一级光斑的间距S存在下列的关系：（式中单位：L、S为mm，为nm, D为m）根据此关系式，已知固体激光器的激光波长为650nm，用直尺量得