光电探测器实验报告.docx

光电探测器特性测量实验摘 要： 本实验中探测并绘制了光电二极管的光谱响应曲线。分别运用脉冲法，幅频特性法和截止频率法对二极管和光敏电阻的响应时间进行了测量，并分析比较了这三种方法的利弊。最后自己设计连接电路测量光敏电阻的响应时间，更深入地理解了响应时间及测量原理。一、 引言光电探测器可将一定的光辐射转换为电信号，然后经过信号处理，去实现某种目的，它是光电系统的核心组成部分，其性能直接影响着光电系统的性能。因此，无论是设计还是使用光电系统，深入了解光电探测器的性能参数都是很重要的。通常，光电探测器的光电转换特性用响应度表示。响应特性用来表征光电探测器在确定入射光照下输出信号和入射光辐射之间的关系。主要的响应特征包括：响应度、光谱响应、时间响应特性等性能参数。本实验内容主要是光电探测器性能参数测量和光电探测器的一般使用方法，并专门列举了几种常用的光电探测器的使用方法。二、 实验原理1. 光电探测器光谱响应度的测量光谱响应度是光电探测器对单色入射辐射的响应能力。电压光谱响应度定义为在波长为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，即；同理，电流光谱响应度式中，为波长时的入射光功率；为光电探测器在入射光功率作用下的输出信号电压；则为输出用电流表示的输出信号电流。实验中用响应度和波长无关的热释电探测器作参考探测器，测得入射光功率为时的输出电压为。若用表示热释电探测器的响应度，则（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。在本实验中，Kf=100300，为热释电探测器的响应度，实验中在所用的25Hz调制频率下，900V/W）。然后在相同的光功率下，用硅光电二极管测量相应的单色光，得到输出电压，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Kb=150300。2. 光电探测器响应时间的测试表示时间响应特性的方法主要有脉冲响应特性法和幅频特性法。1) 脉冲响应响应落后于作用信号的现象称为弛豫。对于信号开始作用时产弛豫称为上升弛豫或起始弛豫；信号停止作用时的弛豫称为衰减弛豫。弛豫时间的具体定义如下：如用阶跃信号作用于器件，则起始弛豫定义为探测器的响应从零上升为稳定值的（1-1/e）（即63%）时所需的时间。衰减弛豫定义为信号撤去后，探测器的响应下降到稳定值的1/e（即37%）所需的时间。这类探测器有光电池、光敏电阻及热电探测器等。另一种定义弛豫时间的方法是：起始弛豫为响应值从稳态值的10%上升到90%所用的时间；衰减弛豫为响应从稳态值的90%下降到10%所用的时间。这种定义多用于响应速度很快的器件，如光电二极管、雪崩光电二极管和光电倍增管等。若光电探测器在单位阶跃信号作用下的起始阶跃响应函数为1-exp(-t/1)，衰减响应函数为exp(-t/2),则根据第一种定义，起始弛豫时间为1，衷减弛豫时间性为2。此外，如果测出了光电探测器的单位脉冲响应函数，则可直接用其半值宽度来表示时间特性。为了得到具有单位冲激函数形式的信号光源，即函数光源，可以采用脉冲式发光二极管、锁模激光器以及火花源等光源来近似。在通常测试中，更方便的是采用具有单位阶跃函数形式亮度分布的光源。从而得到单位阶跃响应函数，进而确定响应时间。2) 幅频特性由于光电探测器惰性的存在，使得其响应度不仅与入射辐射的波长有关，而且还是入射辐射调制频率的函数。这种函数关系还与入射光强信号的波形有关。通常定义光电探测器对正弦光信号的响应值和调制频率间的关系为它的幅频特性。许多光电探测器的幅频特性具有如下形式。 A()= 式中，A表示归一化后幅频特性；=2f为调制圆频率；f为调制频率；为响应时间。在实验中可以测得探测器输出电压V()为 V()= 式中V0为探测器在入射光调制频率为零时的输出电压。这样，如果测得调制频率为f1时的输出信号电压V1和调制频率为f2时为输出信号电压V2，就可由下式确定响应时间 = 截止频率法由于许多光电探测器的幅频特性都可由式（2-1）描述，人们为了更方便地表示这种特性，引出截止频率。它的定义是当输出信号功率降至超低频信号功率一半时，即信号电压降至超低频信号电压的70.7%时的调制频率。故fc频率点又称为三分贝点或拐点。由式（2-1）可知，由此可求出响应时间。 三、 实验装置及过程实验装置：WD30光栅单色仪、热释电探测器、硅光电二极管、选频放大器、调制盘、卤素灯、双踪示波器、光电探测器时间常数测试实验箱（峰值波长为900nm的光电二极管和可见光波段的光敏电阻以及峰值波长为900nm的红外发光管和可见光（红）发光管）、光敏电阻、LED灯。实验步骤：（一）用脉冲法测量光电二极管的响应时间1. 探测器选择光电二极管，选定偏压为15V和负载10K，波形为方波。2. 在反向偏压为15V时，改变探测器的偏置电阻，观察探测器在不同偏置电阻时的脉冲响应时间。 3. 选定负载为l0kW，改变其偏压分别为5V，10V和15V。观察并记录不同反偏下光电二极管的响应时间。（二）用幅频特性法测量CdSe光敏电阻的响应时间1. 探测器选择CdSe光敏电阻，偏压为15V，负载10K，波形为正弦波。2. 改变光波信号频率，记录不同频率下CdSe相应的的输出电压。3. 以V2为y轴，以（Vf）2为x轴进行直线拟合，由=可知拟合所得直线斜率k=-（2）2，截距=V02。（三）用截止频率法测量CdSe光敏电阻的响应时间将正弦波的频率调到超低频（最低频），测量此时CdSe的输出电压，近似等于V0，逐渐调高正弦波的频率，当CdSe的输出衰减到V0的70.7时记录此时的调制频率fc，并由式确定响应时间t。（四）光谱响应度的测量1.打开光源开关，调整光源位置，使之成像在单色仪入射狭缝上，选择最宽的入射狭缝以及最窄的出射狭缝。把热释电器件光敏面对准出射狭缝，并连接好与放大器和数字示波器，打开选频放大器的开关。 2.转动光谱手轮，记下探测器的入射波长及数字示波器上相应波长的输出电压值，每隔约0.25mm测量一次输出电压，记录刻度与对应的输出电压。3.用光电二极管换下热释电器件，重复步骤2，刻度与步骤2中的选取一致。4.利用刻度与波长的线性关系算出刻度对应的波长，由公式算出光电二极管的光谱响应度并作图。四、 实验结果及分析(一) 脉冲法测光电二极管响应时间1) 偏压为15V时不同负载下的响应时间：负载电阻/5001K10K50K100K下降时间/us535260103170上升时间/us434556113203平均时间t/us4848.558108186.5由右图可知负载越大，上升时间和下降时间都增大，其平均时间与负载呈线性关系。2) 负载为10k时不同偏压下的响应时间：偏压/V51015下降时间t1/us666160上升时间t2/us635856平均时间t/us64.559.558由右图可知负载一定时，偏压越大，上升时间和下降时间都减小，且上升时间大于下降时间。对光电二极管响应时间随负载增大而增大现象的解释： 光电二极管是由一个 PN 结组成的半导体器件。当 PN 结加正向偏压时，势垒区的电场随正向偏压的增加而减弱，势垒区宽度变窄，空间电荷数量减少。因为空间电荷是由不能移动的杂质离子组成的，所以空间电荷的减小是由于 n 区和 p 区的空穴过来中和了势垒区中一部分电离施主和电离受主。这就是说，再外加正向偏压增强时，将有一部分电子和空穴“存入”势垒区。反之，当正向偏压减小时，势垒区的电场增强，势垒区宽度增加，空间电荷数量增多，这就是有一部分电子和空穴从势垒中“取出”。对于加反向偏压的情况，可作类似分析。总之，PN 结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区“存入”和“取出”作用，导致势垒区的空间电荷数量随外加电压而变化，这和一个电容器的充放电作用相似。这种 PN 结的电容效应称为势垒电容。于是可以将光电二极管当作电容器考虑。根据 RC 电路的特性，有 = ，即在不考虑电容变化的情况下弛豫时间和电路中的总负载成正比，取 15V 偏压下衰减弛豫-R关系进行直线拟合如下图所示，得R2 = 0.994.基本已呈现线性，截距基本为零，可能由于信号源本身或电路中其它元件有不可忽略的电阻。于是有光电二极管响应时间随负载增大而增大。(二) 幅频特性法测光敏电阻响应时间由=12V12-V22(V2f2)2-(V1f1)2，令f1=0，V1=V0得：1V2=（2V0）2f2+1V02以V2为y轴，以（V*f）2为x轴进行直线拟合如右图所示：Equationy = a + b*xAdj. R-Square0.998ValueStandard Error1/V2Intercept2.3E-60.3E-61/V2Slope3.79E-90.04E-9截距=1V02=（2.30.3）*10（-6）不确定度uV0=dV0d*u=-u23=-0.3*10002*12.167=-40所以V0=1/uV0=6.60.4*102mV斜率k=（2V0）2=（3.790.04）*10（-9）不确定度u=ddk*uk=-V0uk4k=-660*0.04*10-94*3.79*10-9=-0.03*10(-3)所以=3.230.03*10（-3）s由图可看出，高频段频率不太稳定，故取100Hz以下的数据重新拟合：Equationy = a + b*xAdj. R-Square0.998ValueStandard Error1/V2Intercept1.38E-60.18E-61/V2Slope4.19E-90.05E-9数据处理同上，结果如下所示：相关系数响应时间/msV0/mV0.9988.760.05(8.50.6)*102与上一个结果相比响应时间和V0均增大。(三) 截止频率法测光敏电阻响应时间实验仪器所能调节到的最小的频率为7.37Hz，对应的输出电压为1.14V，以此作为近似的V0，调节频率至V=V0*0.707=805.98mV（实际调节至800mV）时，得截止频率fc=13.5Hz，响应时间=12fc=11.8ms分析：由1V2=（2V0）2f2+1V02可知，f若继续减小V将增大，所以V0偏小，所得截止频率偏大，响应时间偏小。再观察之前幅频特性法得出的结果，取频率较低的数据时，所得V0和响应时间均增大，但还是小于截止频率法测得的结果，说明幅频特性法在低频时更准确。(四) 光电二极管响应度测量由单色仪刻度与波长已知的四组数据算出刻度与波长的对应关系：Equationy = a + b*xAdj. R-Square1ValueStandard ErrorwavelengthIntercept-1.965260.75216wavelengthSlope100.09830.10517得：=100.100.11x+(-2.00.8)利用此关系式算出其它刻度对应的波长，作光谱响应度与波长的曲线如右图所示：A实验结果：约在波长为974nm处有最大的响应度。B分析：实验中的光源为钨灯，可以产生连续波长的光，便于测得连续的光谱响应度曲线，但由于单色光强度低，所以需要选频放大器。若要测得某个特定波长下的响应度，可选取汞灯等具有特征谱线的光源，其单色光强度大，不需要选频放大器，缺点是无法获得连续的响应曲线。实验中通过与热释电探测器的响应曲线对比而间接获得光电二极管的响应曲线，是因为热释电探测器的响应度基本不随波长变化，且试验中难以毫无干扰地直接测出光源入射二极管前在不同波长下的强度，单色仪本身的响应度也会造成干扰，利用热释电探测器采用控制变量法就能排除以上干扰。(五) 探究光敏电阻的频率特性如右图所示连接电路（电源正极要先与电阻箱相连，否则会发生短路）。调节信号发生器的输出电压，分别在LDE灯照度为370lux，1003lux，98lux，743lux时测量不同频率下光敏电阻两端的电压，以V2为y轴，以（V*f）2为x轴进行直线拟合，结果如下图所示：370lux 1003lux 98lux743lux 总 总Equationy = a + b*xValueStandard ErrorAdj. R-Square370luxIntercept0.2090.0060.98Slope1.99E-40.06E-41003luxIntercept0.2870.0080.98Slope2.57E-40.09E-498luxIntercept1.570.080.98Slope3.09 E-30.11E-3743luxIntercept0.2330.0070.97Slope1.94E-40.08E-4对数据的处理与步骤二相同，结果如下：信号发生器电压/V7.710.76.310.0光照强度/lux370100398743响应时间/ms4.9170.0074.7710.0087.0780.0134.5880.009V0/V2.190.031.870.030.800.022.100.03实验结果显示：1）信号发生器电压与LED光照强度呈非线性关系； 2）光照强度越大与响应时间及V0没有很明显的对应关系。 注意事项与现象分析：1) 室内光源的干扰：将LED和光敏电阻放置在密闭黑盒子里，关闭室内灯光，减小干扰；2）LED光照角度及距离对强度计示数影响很大：测LED光照强度时要将LED垂直正对强度计中心,无LED光照时强度计在黑盒子里示数小于0.5lux，可忽略；3）一开始电阻箱阻值较小，示波器上显示峰峰值只有几百毫伏，无法准确读数，增大电阻箱阻值至600，峰峰值增大至1-2V，可以清晰读数：用万用表测得光敏电阻在不接收光照时电阻约为14k，接受光照后电阻约为5 k，若电阻箱阻值太小，则光敏电阻在接受光照前后两端电压变化不大，导致峰峰值太低，增大电阻箱阻值，使其远小于14k，但与5 k可以比拟，则光敏电阻在接受光照前后两端电压变化较大，峰峰值增大。4）之前的实验结果分析得出较高频段结果拟合更准确，但本实验中频率增大至40Hz左右示数便极不稳定导致无法读数，造成了较大误差。5）本电路中示波器测得的响应时间实际上包括两部分：左边电路中LED电信号转化成光信