光电检测技术实验指导

光电检测技术实验指导作者 徐熙平长春理工大学2010年4月实验的操作规程及注意事项为确保实验的顺利进行，保障人身安全和避免国家财产遭到不必要的损失。要求同学们必须严格地遵守实验室的实验规则，听从实验指导老师的指导，有秩序有步骤地做好实验。1. 在实验正式进行之前，首先要熟悉一下所用仪器、设备、量具等的性能，以及正确的操作规程和仪器正常的工作条件，切勿盲目操作。2. 在安装实验装置前，先断开电源和光信号源。实验装置安装完毕应认真检查，确定无误后，再请实验指导老师检查。检查完毕后，方可按要求合上电源。然后，即可按实验步骤进行实验。实验完毕，即将电源切断。3. 实验时，要集中精力，尽量排除外界干扰。4. 切勿随意触摸裸露导线以免触电。当一步实验完成或更换元件，应切断电源后再做下一步实验。在使用高压电源时，应注意高压电容的放电需要一定的时间，待留有一定时间放电结束后再做下一步实验。5. 实验时，还要注意光电检测器件等的极性，并避免强光照。实验中一旦发生事故或异常，应立即切断电源。经指导老师查明故障后，方可继续实验。6. 在实验室不许触动与自己实验无关的仪器设备。实验中使用的仪器和元件都必须倍加爱护。如有损坏，将按学校有关规定处理。7. 实验时必须保持安静、整洁，并集中精力。不许高声谈笑、乱抛纸屑和随地吐痰。8. 实验完毕，有时间要尽快地整理好数据，以便及时发现问题，做出必要的补充测量，待教师认为测量数据及计算结果符合要求而签字后，再将实验装置恢复原状，并整理清洁卫生，经指导老师同意后，方可离开实验室。1目录实验的操作规程及注意事项2目录1实验一 普朗克常数测量仪5一、实验目的5二、实验设备5三、实验原理5四、实验内容与步骤9五、实验数据14六、思考题15实验二 光敏电阻特性测量仪16一、实验目的16二、实验设备16三、实验原理16四、实验内容与步骤21五、思考题22实验三 电阻元件V-A特性测量试验仪23一、实验目的23二、实验设备23三、实验原理23四、实验内容与步骤25五、注意事项27实验四 太阳能电池特性测试试验仪28一、实验目的28二、实验设备28三、实验原理28四、实验内容与步骤29六、注意事项31实验五 硅光电池特性试验仪32一、实验目的32二、实验设备32三、实验原理32四、实验内容与步骤38五、实验数据39六、思考题40实验六 半导体制冷试验仪41一、实验目的41二、实验设备41三、实验原理41四、实验内容与步骤46五、实验数据46实验七 铁磁材料居里温度试验仪48一、实验目的48二、实验设备48三、实验原理48四、实验内容与步骤50五、实验数据51实验八 PN结正向压降温度特性测试仪52一、实验目的52二、实验设备52三、实验原理52四、实验内容与步骤54五、实验数据54实验九 多媒体光纤通信传输试验仪56概述56【实验一】 P-I特性曲线测量60一、实验目的60二、实验设备60三、实验原理60四、实验内容与步骤63五、实验数据63六、注意事项63【实验二】 光调制与接收64一、实验目的64二、实验设备64三、实验原理64四、实验内容与步骤68五、实验报告68【实验三】 任意信号波形光纤传输实验68一、实验目的68二、实验设备68三、实验原理69四、实验内容与步骤70五、实验数据70【实验四】 PCM编、解码实验70一、实验目的70二、实验设备70三、实验原理70四、实验内容与步骤78五、实验数据78【实验五】 模拟信号电光、光电转换传输实验79一、实验目的79二、实验设备79三、实验原理79四、实验内容与步骤79五、实验数据80【实验六】 语音信号光纤传输实验80一、实验目的80二、实验设备80三、实验原理81四、实验内容与步骤81五、实验数据82【实验七】 视频信号光纤传输实验82一、实验目的82二、实验设备82三、实验原理82四、实验内容与步骤82五、实验数据83实验十 光强与光通量测量试验仪84一、实验目的84二、实验设备84三、实验原理84四、实验内容与步骤87五、实验数据89实验十一 液晶电光效应试验仪90一、实验目的90二、实验设备90三、实验原理90四、实验内容与步骤94五、实验数据96六、思考题96七、注意事项97实验十二 单臂电桥试验仪98一、实验目的98二、实验设备98三、实验原理98四、实验内容与步骤98五、实验数据99六、注意事项99实验十三 单双臂电桥试验仪100实验十四 非平衡电桥试验仪101一、实验目的101二、实验设备101三、实验原理102四、实验内容与步骤106五、实验数据110六、思考题110七、注意事项111实验十五 交流电桥试验仪112实验一 普朗克常数测量仪当光束照射到某些金属表面时，会有电子从金属表面逸出，这种现象称为“光电效应”。对光电效应现象的研究，使人们进一步认识到光的波粒二象性的本质，促进了光的量子理论的建立和近代物理学的发展。现在根据光电效应制成的光电器件已经被广泛的应用于工农业生产，科研和国防等各个领域。本仪器采用LED来代替汞灯光源，加深学生对LED和光电效应的理解。一、实验目的1观测光电效应的实验现象；2测量光电管的伏安特性曲线，验证截止电压的存在；3 验证爱因斯坦的光电效应方程，并根据爱因斯坦方程测量普朗克常数的数值；二、实验设备THQPC-3型普朗克常数测定仪主要包括：信号处理、阳极电压源、LED驱动、LED控制、采集卡、上位机软件等部分。三、实验原理1光电效应在一定频率的光的照射下，电子从金属表面逸出的现象称为光电效应，从金属表面逸出的电子称为光电子。图1是研究光电效应实验规律和测量普朗克常数的实验原理图。图中A ，K 组成抽成真空的光电管， A 为阳极， K为阴极。当频率为的光射到金属材料做成的阴极K上时，就有光电子逸出金属。若在A ，K 两端加上电压U 后，光电子将由K定向地运动到A，在回路中形成光电流I0。由实验可得光电效应的基本实验规律如下：（1）光强P一定时，随着光电管两端电压U的增大，光电流I增大达到饱和。对不同的光强，饱和光电流I0与入射光的光强P 成正比，其伏安特性曲线如图2所示。（2）当光电管两端加反向电压时，光电流逐渐减小，当光电流减小到零时，所对应的反向电压值称为截止电压U0 如图2所示，这表明此时具有最大动能的光电子刚好被反向电压所阻挡，即： （1）式中，m 、m V 和e 分别是电子的质量、速度和电荷量。（3）当改变入射光的频率时，截止电压U0 随之改变。U0与成线形关系，如图3所示。实验表明无论光强多大，照射时间多长，只有当入射光的频率 大于0时，才能产生光电效应。0称为截止频率，其对应的波长称为截止波长，亦称红限。另外对于不同的金属材料做成的阴极，截止频率0也不同。（4）光电效应是瞬时效应，只要入射光频率0，一经光线照射，立刻产生光电子。2光电效应方程1905年，爱因斯坦提出了光量子理论，成功地解释了光电效应。他认为一束频率为的光是一束以光速c运动的，具有能量h的粒子流，这些粒子称为光量子，简称光子。h为普朗克常量。当光照射到金属表面时，光子一个一个的打在金属表面上，金属中的电子要么不吸收能量，要么就吸收一个光子的全部能量。只有当这个能量大于电子脱离金属表面约束所需要的逸出功A时，电子才会以一定的初动能逸出金属表面，根据能量守恒有：12mv2=hv-A (2)上式称为爱因斯坦方程。它成功的解释了光电效应的规律。由（2）式可知，要能够产生光电效应，需要12mv20，即hv-A0，Ah，而Ah是截止频率0。实验时，只要测量出不同频率的光对应的截止电压O U ，作O U - 曲线，可得一条直线：eU0=12mv2=hv-AU0=hve-Ae=hve-hv0e (3)从直线斜率（he）可求出普朗克常量h 。从直线与横坐标轴的交点可求出阴极金属的截止频率0。式（3）中e为电子电量（公认值e =1.601019 C ）。3光电管的伏安特性曲线如图4所示：实线是实验测得的伏安特性曲线，图中虚线表示的是理论曲线，两条曲线的区别在于实验测量的光电流中包含有其他的干扰电流：（1）暗电流和本底电流：暗电流是由于电子的热运动以及光电管的壳漏电等原因使阴极未受到光照时也会产生电子流。本底电流是由于各种杂散光所产生的光电流。暗电流和本底电流还随外加电压的变换而变化。（2）阳极电流：在制作光电管时，阳极上也会被溅射到阴极材料，所以只要有光照射到阳极上，阳极上的阴极材料也会发射光电子，产生阳极电流。由于上述干扰电流的存在，当分别用不同频率的入射光照射光电管时，实际测得的光电流是各种电流的代数和，致使光电流的截止电压点不在是光电流的零点，而是实测曲线中直线部分和曲线部分相接处的点，称为“抬头点”。“抬头点”所对应的电压就是-U0。4汞灯和LED的发光原理汞灯的发光原理汞灯是线光谱光源，汞灯的光谱曲线如图 6 所示。汞灯的发光原理同日光灯的发光原理一样，属气体放电，是利用通过其中的电流作用而使气体产生光辐射的原理，即气体放电的电致发光原理而制成。这种光谱为原子所发，根据能级理论，原子中电子从高能级间跃迁到低能级，产生光辐射。从能级图可以看到各种谱线系的能级跃迁间距的差别，跃迁间距大，所发光的波长越短。不同的原子具有不同间距的能级图，也就具有不同的线光谱。LED发光原理发光二极管是由IIIVI 族化合物，如GaAs 、GaP 、GaAsP等半导体制成的，其核心是PN 结，因此具有一般PN 结的特性，另外在一定条件下，它还具有发光特性，在正向电压下，电子由N 区注入P 区，空穴有P 区注入N 区，进入对方区域的少数载流子（少子）和多数载流子（多子）发生复合而发光，如图5所示。理论和实验证明，光的峰值波长和材料的禁带宽度Eg有关，即：=1240Egnm式中Eg单位为电子伏特eV，如要产生可见光（波长范围为390nm760nm），半导体材料的禁带宽度Eg应该在3.18 eV1.63eV之间。发光二极管发出的光并非单一波长，其波长大体按图7所示，由图7可知，在LED的所发之光中有某一波长的光0 （图中对应的波长为450nm）的光强最大，该波长称为峰值波长。半角宽度（图中的=20nm）表示LED的光谱纯度，是指图中一半光强所对应的两波长之差（图中对应的光强为1半是的波长分别为为440nm、460nm）。无论是汞灯光源经过干涉滤光片后得到的光还是 LED 直接发出的光都不是单一波长的光，汞灯加滤光片得到的光是分别以365nm、405nm、436nm、546nm、577nm 为中心的有一定宽度的连续光谱，LED 发出的光也是以某一波长为中心的有一定宽度的连续光谱，只是汞灯经过滤光片后得到的光的光谱宽度比LED 发出的光的光谱宽度要小。由LED的发光光谱图可知，LED无法产生单一波长的光，但是当足够小时，我们可以近似认为LED发出的光为单一波长的光，因此采用几种不同颜色的LED就可以代替汞灯光源和滤色片来获得光源的传统方法，并且LED的发光稳定性更高。四、实验内容与步骤(一) 准备1将 THQPC-3 型普朗克常数测定仪接通电源，并将THQPC-3 型普朗克常数测定仪实验箱后面的纽子开关置于“自动测量”，将“阳极电压指示”调节到“-5.00”，将“LED 驱动电流指示”调节到“0.50”，并预热10 分钟。2将“电流量程切换”置于“10-11”的档位，按单片机的“复位”键，使LED全部处于“灭”状态。3调节“调零”电位器使“光电流指示”为“0.00”，仪器进入测试状态。(二) 测试1观测光电效应的基本规律（1）光频率一定时，观察光电流变化时光强的变化。将LED（P）点亮，使“阳极电压指示”为“0.00”。“电流量程切换”选取“10-9” 的档位。调节“LED驱动电流调节”电位器，使“LED驱动电流指示”从小到大慢慢增加，观察“光电流指示”的变化。（可以观察到光电流随光强的增大而增大）（2）观察同一种频率的光在不同光强下的截止电压是否相同，近而判断光电子的能量与光强的关系。“电流量程切换”选取10-10 档位，调节“色光选择”按钮，将LED（P）点亮，然后调节“阳极电压调节”电位器，使“光电流指示”为“0.00”。调节“LED驱动电流调节”电位器，使“LED驱动电流指示”从小到大慢慢增加，观察“光电流指示”的变化。（ 如果光电流保持为零 ，就说明电子的能量与光强无关，另外由于杂散光和光电管的暗电流影响，光电流会有微小变化）（3）观察不同频率的光对应的截止电压，近而判断截止电压与光频率的关系。调节“电流量程切换”选取10-10档位，调节“LED驱动电流调节”电位器，使“LED驱动电流指示”为“05.0”。 调节“色光选择”按钮，依次将LED（P）、LED（B）、LED（G）、LED（Y）、LED（R）点亮，并分别调节“阳极电压调节”电位器，使“光电流指示”为“0.00”，观察每个LED对应的阳极电压的绝对值是否随着波长的增大而减小。（如果是就说明光电子的能量与光频率成正比）（4）光源采用红外LED时，观察光强变化时光电流的变化。调节“电流量程切换”选取10-10档位，调节“色光选择”按钮，将LED（I）点亮，调节“阳极电压调节”电位器，使“阳极电压指示”为“0.00”。调节“LED驱动电流调节”电位器，使“LED驱动电流指示”从“0.00”变化到“20.0”，观察“光电流指示”的变化。（如果光电流一直为零，说明光电效应存在截止频率）2手动测量截止电压利用光电效应测量普朗克常数的关键是通过测量截止电压及其与频率的关系，进而求得h的值。但是由于存在光电管阳极的光电子发射以及弱电流测量上的困难等原因，使得利用I-V曲线确定截止电压有很大的随意性，从而不可避免的造成了系统误差。因此，能否准确的确定截止电压是实验的关键。由于光电效应中存在反向电流（反向电流起主要作用）和暗电流，导致了实际测量的曲线和理论曲线之间有一定的差异。根据不同特性的光电管测出的I-V曲线采用两种常用的方法确定截止电压。交点法适用于光电特性曲线的正向电流上升很快，而反向电流很小的情况。拐点法适用于反向电流很大，而且饱和的很快的情况。对于反向电流很大，而且饱和缓慢的情况，上述两种方法均会产生较大的误差，同时又考虑到LED光源的单一性相对汞灯比较差，经过大量的实验，在确定截止电压时采用了一种新的方法假设法（详细说明见附录），具体的操作如下：（1）粗略测量“截止电压”的范围；（a）调节“电流量程切换”选择“10-10”的档位，调节“色光选择”按钮，将LED（P）点亮，调节“LED驱动调节”电位器，使“光电流指示”为“-10.0”。（b）调节“阳极电压调节”电位器，使“阳极电压指示”从“-5.00”变化到“0.00”，观察“光电流指示”的变化，每间隔“0.50V”记录一次“光电流指示”的数据，并将对应的“光电流指示”数据记录在表格（5）中。（c）通过调节“色光选择”按钮，分别使LED（B）、LED（G）、LED（Y）、LED（R）点亮，重复步骤上述操作，实验中测量LED（G）、LED（Y）、LED（R）的数据时，“电流量程选择”选择10-11。（d）分析表格（1）中的数据，找出每个LED对应的“光电流”开始发生变化的“阳极电压”范围。表格（1）（2）精确测量“截止电压”（a）调节“电流量程切换”选择“1010”的档位，调节“色光选择”按钮，将LED（P）点亮，调节“LED驱动电流调节”电位器，调节“LED驱动电流”时，以光电流为参考，调节“LED驱动电流”使“光电流”为“-10.0”。调节“阳极电压调节”电位器，使“阳极电压指示”在-2.20V到-1.70V之间变化，每间隔“0.02V”记录一次“光电流指示”的数据，并将数据记录在表格（2）中。（b）调节“电流量程切换”选择“1010”的档位，调节“色光选择”按钮，将LED（B）点亮，调节“LED驱动电流调节”电位器，调节“LED驱动电流”时，以光电流为参考，调节“LED驱动电流”使“光电流”为“-10.0”。调节“阳极电压调节”电位器，使“阳极电压指示”在-1.70V到-1.20V之间变化，每间隔“0.02V”记录一次“光电流指示”的数据，并将数据记录在表格（2）中。（c）调节“电流量程切换”选择“1011”的档位，调节“色光选择”按钮，将LED（G）点亮，调节“LED驱动电流调节”电位器，调节“LED驱动电流”时，以光电流为参考，调节“LED驱动电流”使“光电流”为“-10.0”。调节“阳极电压调节”电位器，使“阳极电压指示”在-1.30到-0.80V之间变化，每间隔“0.02V”记录一次“光电流指示”的数据，并将数据记录在表格（2）中。（d）调节“电流量程切换”选择“1011”的档位，调节“色光选择”按钮，将LED（Y）点亮，调节“LED驱动电流调节”电位器，调节“LED驱动电流”时，以光电流为参考，调节“LED驱动电流”使“光电流”为“-10.0”。调节“阳极电压调节”电位器，使“阳极电压指示”在-1.00到-0.50V之间变化，每间隔“0.02V”记录一次“光电流指示”的数据，并将数据记录在表格（2）中。（e）调节“电流量程切换”选择“1011”的档位，调节“色光选择”按钮，将LED（R）点亮，调节“LED驱动电流调节”电位器，调节“LED驱动电流”时，以光电流为参考，调节“LED驱动电流”使“光电流”为“-10.0”。调节“阳极电压调节”电位器，使“阳极电压指示”在-0.90到-0.40V之间变化，每间隔“0.02V”记录一次“光电流指示”的数据，并将数据记录在表格（2）中。（f）分析表格（2）中的数据，分别找出“光电流指示”开始连续变化所对应的“截止电压”值，并将数据记录在表格（3）中，示范请见附录1实验数据范例。表格（2）（3）测量普朗克常数a) 根据表格（3）中的数据拟合出U0-的曲线，如果是一条直线则证明爱因斯坦方程的正确性。b) 计算出直线的斜率K ，则h = eK ，并与理论值h = 6.62610-34JS 作比较，并计算实验相对误差 。3自动测量截止电压和普朗克常数（1）准备工作a) 用串口线将 THQPC-3 型普朗克常数测定仪实验箱和电脑连接起来。b) 在电脑上安装 THQPC-3 型普朗克常数测定仪的实验软件，并打开上位机软件。c) 将 THQPC-3 型普朗克常数测定仪实验箱后面的纽子开关置于“自动测量”d) 打开电源开关，并对“光电流”进行调零。（2）测量a、调节“色光选择”按钮点亮LED（P），电流量程切换选取“10-10”，调节“LED驱动电流调节”电位器，使“光电流指示”为“-10.0”；在上位机界面上点击“波长”的下拉菜单，选择“388”，然后点击“刷新”按钮，50s 后光电管在LED（P）照射下的IV 曲线就显示在对应的方框内，并且通过一定的算法计算出对应的截止电压，并显示在方框的下方。b、调节“色光选择”按钮点亮LED（B），电流量程切换选取“10-10”，调节“LED驱动电流调节”电位器，使“光电流指示”为“-10.0”；在上位机界面上点击“波长”的下拉菜单，选择“444”，然后点击“刷新”按钮，50s 后光电管在LED（B）照射下的IV 曲线就显示在对应的方框内，并且通过一定的算法计算出对应的截止电压，并显示在方框的下方。c、调节“色光选择”按钮点亮LED（G），电流量程切换选取“10-11”，调节“LED驱动电流调节”电位器，使“光电流指示”为“-10.0”；在上位机界面上点击“波长”的下拉菜单，选择“499”，然后点击“刷新”按钮，50s 后光电管在LED（G）照射下的IV 曲线就显示在对应的方框内，并且通过一定的算法计算出对应的截止电压，并显示在方框的下方。d、调节“色光选择”按钮点亮LED（Y），电流量程切换选取“10-11”，调节“LED驱动电流调节”电位器，使“光电流指示”为“-10.0”；在上位机界面上点击“波长”的下拉菜单，选择“499”，然后点击“刷新”按钮，50s 后光电管在LED（Y）照射下的IV 曲线就显示在对应的方框内，并且通过一定的算法计算出对应的截止电压，并显示在方框的下方。e、调节“色光选择”按钮点亮LED（R），电流量程切换选取“10-11”，调节“LED驱动电流调节”电位器，使“光电流指示”为“-10.0”；在上位机界面上点击“波长”的下拉菜单，选择“499”，然后点击“刷新”按钮，50s 后光电管在LED（R）照射下的IV 曲线就显示在对应的方框内，并且通过一定的算法计算出对应的截止电压，并显示在方框的下方。f、五条曲线都测量完成后点击“曲线拟合”按钮，五条曲线会显示在右侧的大方框内，在大方框的右侧显示的是爱因斯坦的光电效应方程的曲线，拟合出爱因斯坦直线的斜率，并计算出普朗克常数的数值以及与理论值的相对误差。五、实验数据根据表格（3）中的数据拟合出U0-的关系曲线，并计算出普朗克常数h ，并与理论值h = 6.62610-34JS作比较，并计算实验相对误差。（表中的数据不可能完全在一条直线上，做直线时要尽量使各个点均匀的分布在直线两测）表格（3）六、思考题1爱因斯坦光电效应方程的物理意义是什么？2什么是截止频率？什么是截止电压？3实验测得的光电管的伏安特性曲线与理想曲线有何不同？实验中如何确定截止电压？4实验结果的精度和误差主要取决于哪几个方面？15实验二 光敏电阻特性测量仪一、实验目的1了解光敏电阻的基本原理及特性。2了解LED发光二极管的驱动电流和输出光功率的关系；3掌握光敏电阻应用方法。二、实验设备1THQGM1型光敏电阻特性实验仪；2双踪示波器。三、实验原理1光敏电阻：光敏电阻又称光导管，它的工作原理是基于光电导效应：在无光照时，光敏电阻具有很高的阻值，在有光照时，当光子的能量大于材料禁带宽度，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，激发出可以导电的电子空穴对，使电阻降低；光线愈强，激发出的电子空穴对越多，电阻值越低；光照停止后，自由电子与空穴复合，导电性能下降，电阻恢复原值。光敏电阻几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，若在两端加一电压，则电路中的电流随光强弱而变化，这种现象在非接触式光电控制中十分有用。使用时既可加直流电压，也可加交流电压，光敏电阻的暗电阻一般为兆欧级，亮电阻在千欧以下。图1为光敏电阻的原理结构。它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质，半导体的两端装有电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。其时间常数一般在毫秒级，光敏电阻具有特性稳定、寿命长、价格低等优点。 图1光敏电阻通常用在陶瓷或硅衬底上沉积一层半导体材料CdS或CdSe制成。外覆一层透明树脂构成光学透镜用于光的聚焦，CdS或CdSe半导体材料在无光照射状态下，自由载流子很少，当受光照射时，载流子增加，电阻减小。其值与所用材料和制作工艺等相关，伴随着电阻的改变，其光响应时间也会改变。光敏电阻对不同的光波长，其灵敏度也不同。CdS的峰值响应波长在600nm附近 ，CdSe的峰值响应波长在750nm附近。光敏电阻的特性：（1）光谱特性光敏电阻对不同波长的光，光谱灵敏度不同，而且不同种类光敏电阻峰值波长也不同。光敏电阻的光谱灵敏度和峰值波长与所采用的材料、掺杂浓度有关。图2为硫化镉、硫化铅硫化铊光敏电阻的光谱特性曲线。由图可见，硫化镉光敏电阻可见光区域，接近人的视觉特性；而硫化铅在红外区域。图2 光敏电阻的光谱灵敏度（2）伏安特性 在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系，称为伏安特性。硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线如图3所示，由曲线可知，在给定的偏压下，光照度越大，光电流也越大，在一定的光照度下，电压越大，光电流也越大，且没有饱和现象。但是不能无限制地提高电压，任何光敏电阻都有最大额定功率，最高工作电压和最大额定电流，超过最大工作电压和最大额定电流，都可能导致光敏电阻永久性损坏。耗散功率500mW图3 光敏电阻的伏安特性（3）响应时间和频率特性在阶跃脉冲光照射下，光敏电阻的光电流要经历一段时间才达到最大饱和值，光照停止后，光电流也要经历一段时间才下降到零。这是光电导的弛豫现象，通常用响应时间来描述。响应时间又分为上升时间、和下降时间、，如图4所示。图4 光敏电阻的响应时间常用时间常数来描述响应时间的长短。光敏电阻的时间常数在数量级。实验表明：光敏电阻的响应时间与前历时间有关，在暗处防置时间越长，响应时间越长；响应时间也与照度有关，照度越大，响应时间越短。由于不同材料光敏电阻有不同的响应时间，因而它们的频率特性也不相同。图5表示不同材料光敏电阻的频率特性，即相对光谱灵敏度与照度调制频率的关系曲线。图5 光敏电阻的频率特性2.LED的工作原理：当某些半导体材料形成的PN结加正向电压时,空穴与电子在PN结复合时将产生特定波长的光，发光的波长与半导体材料的能级间隙有关。发光波长可由下式确定： (1)式（1）中h为普朗克常数，c为光速。在实际的半导体材料中能级间隙有一个宽度，因此发光二极管发出光的波长不是单一的，其发光波长半宽度一般在2540nm左右，随半导体材料的不同而有差别。发光二极管输出光功率P与驱动电流I的关系由下式决定： (2)式2中，为发光效率，是光子能量，是电荷常数。式（2）表明LED输出光功率与驱动电流呈线性关系，当电流较大时由于PN结不能及时散热，输出光功率可能会趋向饱和。本实验用一个驱动电流可调的红色超高亮度发光二极管作为实验用光源。系统采用的发光二极管驱动和调制电路如图6所示。信号调制采用光强度调制的方法，发送光强度调节器用来调节流过LED的静态驱动电流，从而改变发光二极管的发射光功率。设定的静态驱动电流调节范围为020毫安，对应面板上的光发送强度驱动显示值为02000单位。正弦调制信号经电容、电阻网络及运放跟随隔离后耦合到放大环节，与发光二极管静态驱动电流迭加后使发光二极管发送随正弦波调制信号变化的光信号，如图7所示，变化的光信号可用于测定光敏电阻的频率响应特性。图 6. 发送光的设定驱动和调制电路框图。图 7. LED发光二极管的正弦信号调制原理3光敏电阻的应用方式光敏电阻可以有各种应用方式，图（8）所示光敏电阻以一个电阻R1串取，R1固定不变，当光照增加时，光敏电阻Rm减小，更多的电流流过R1两端，输出电压增加，图（9）所示光敏电阻用于可变频率振荡器，振荡器频率依赖于入射光强度。当光增加，Rm减小，振荡器频率增加。图（10）所示光敏电阻作为一放大倍数可变的增益电阻。当入射光强改变时，Rm变化，输出电压Vo改变，VO的值为图（11）所示光敏电阻用于发光管的控制。当入射光强改变时，Rm变化，改变灯的状态。 图8图 9图 10图 11四、实验内容与步骤1光敏电阻阻值与输入光信号强度关系特性测定打开仪器电源，调节发光二极管静态驱动电流，其调节范围为020mA，将功能转换开关分别打到关，将光敏电阻输出断连接到图5所示电路位置，将电压放大器输出端连接到数字电压表头的输入端，分别测定光敏电阻阻值与输入光信号关系。记录数据并在同一张方格纸上作图。2光敏电阻的频率响应将功能转换开关分别打到开，在LED偏置电流为5mA与10mA下，在信号输入端加正弦调制信号，使LED发送调制的光信号，保持输入正弦信号的幅度不变，调节信号发生器频率，用示波器观测并测定记录发送光信号的频率变化时，光敏电阻输出信号幅度的变化，比较光敏电阻在不同光强度下的实验结果，分析原因。3光敏电阻作为可控电位器将光敏电阻输出断连接到图3所示电路位置，分压器输出端连接到数字电压表头的输入端，从020mA调节发光二极管静态驱动电流，实验测定光敏电阻分压器输出电压随输入光强的关系曲线。4光敏电阻可控振荡器将光敏电阻输出断连接到图4所示电路位置，将振荡器输出端连接到示波器，从020mA调节发光二极管静态驱动电流，实验测定光敏电阻振荡器输出频率随输入光强的关系曲线。5光敏电阻可控开关将光敏电阻输出断连接到图6所示电路位置，从020mA调节发光二极管静态驱动电流，实验测定当LED灯开关时输入光强值，分析其开关特性。五、思考题1光敏电阻的值为何与入射光波长有关？2光敏电阻光控开关开和关时的输入光强值是否一样，为何要做的不一样？实验三 电阻元件V-A特性测量试验仪电阻是电学中常用的物理量，利用欧姆定律求导体电阻的方法称为伏安法，它是测量电阻的基本方法之一。为了研究材料的导电性，通常作出其伏安特性曲线，了解它的电压与电流的关系。伏安特性曲线是直线的元件称为线性元件，伏安特性曲线不是直线的元件称为非线性元件，这两种元件的电阻都可以用伏安法测量，但由于测量时电表被引入测量电路，电表内阻必然会影响测量结果，因而应考虑对测量结果进行必要的修正，以减小系统误差。一、实验目的1学习常用电磁学仪器仪表的正确使用及简单电路的连接方法；2掌握用伏安法测量电阻及其误差分析的基本方法；3学习测量线性电阻和非线性电阻的伏安特性；4学习用作图法处理实验数据，并对所得伏安特性曲线进行分析。二、实验设备电阻元件伏安特性测量实验仪集成了020V可调直流稳压电源；直流数字电压表，量程为2V/20V可调，内阻为1MW；直流数字毫安表，量程为200mA /2Ma/20mA/200mA可调，其相对应内阻分别为1KW、100W、10W、1W；待测240W/2W金属膜电阻、待测稳压管（5.6V）、待测小灯炮（12V/0.1A）等。三、实验原理在温度一定的情况下，当一个元件两端加上电压，元件内有电流通过时，电压与电流之比称为该元件的电阻。若元件两端的电压与通过它的电流不成正比例，则伏安特性曲线不再是直线，而是一条曲线，这类元件称为非线性元件。一般金属导体电阻是线性电阻，它与外加电压的大小和方向无关，其伏安特性曲线是一条直线。电阻是导体材料的重要特性，在电学实验中经常要对电阻进行测量。测量电阻的方法有多种，伏安法是常用的基本方法之一。所谓伏安法，就是运用欧姆定律，测出电阻两端的电压V和其上通过的电流I，根据 (1)即可求得阻值R。也可运用作图法，做出伏安特性曲线，从曲线上求得电阻的阻值。对有些电阻，其伏安特性曲线为直线，称为线性电阻，如常用的碳膜电阻、线绕电阻、金属膜电阻等。另外，有些元件，伏安特性曲线为曲线，称为非线性电阻元件，如灯泡、晶体二极管、稳压管、热敏电阻等。非线性电阻元件的阻值是不确定的，只有通过作图法才能反映它的特性。用伏安法测电阻，原理简单，测量方便，但由于电表内阻接入的影响，给测量带来一定系统误差。在电流表内接法中，如图（1）所示。由于电压表测出的电压值V包括了电流表两端的电压，因此，测量值要大于被测电阻的实际值。由 (2)可见，由于电流表内阻不可忽略，故给测量带来一定的误差。图（1）电流表内接在电流表外接法中，如图（2）所示。由于电流表测出的电流I包括了流过电压表的电流，因此，测量值要小于被测电阻的实际值。由 (3)可见，由于电压表内阻不是无穷大，故给测量带来一定的误差。上述两种连接电路的方法，都给测量带来一定的系统误差，即测量方法误差。为此，必须对测量结果进行修正。其修正值为 (4)其中R为测量值，为实际值。图（2） 电流表外接为了减小上述误差，必须根据待测阻值的大小和电表内阻的不同，正确选择测量电路。当且时，选择电流表内接法。且时，选择电流表外接法。，时，两种接法均可。经过以上选择，可以减小由于电表接入带来的系统误差，但电表本身的仪器误差仍然存在，它取决于电表的准确度等级和量程，其相对误差为 (5)式中和为电流表和电压表允许的最大示值误差。四、实验内容与步骤1测量金属膜电阻的伏安特性（1）电流表内接法根据图（1）连接好电路。金属膜电阻为240W，每改变一次电压V值，读出相应的电流I值，填入下表中，做出伏安特性曲线，并从曲线上求得电阻值。电压(V)电流(mA)（2）电流表外接法根据图（2）连接好电路，重复实验步骤（1）。（3）根据电表内阻的大小，分析上述两种测量方法中，哪种电路的系统误差小。2测量稳压管的伏安特性（1）稳压管的稳压特性稳压管实质上就是一个面结型硅二极管，它具有陡峭的反向击穿特性，工作在反向击穿状态。在制造稳压管的工艺上，使它具有低压击穿特性。稳压管电路中，串入限流电阻，使稳压管击穿后电流不超过允许的数值，因此击穿状态可以长期持续，并能很好地重复工作而不致损坏。稳压管的特性曲线如图（3）所示，它的正向特性和一般硅二极管一样，但反向击穿特性较陡。由图可见，当反向电压增加到击穿电压以后，稳压管进入击穿状态在曲线的AB段，虽然反向电流在很大的范围内变化，但它两端的电压变化很小，即基本恒定。利用稳压管的这一特性，可以达到稳压的目的。图（3）稳压管特性曲线（2）稳压管的参数1）稳定电压。即稳压管在反向击穿后其两端的实际工作电压。这一参数随工作电流和温度的不同略有改变，并且分散性较大，例如2CW14型的=67.5V。但对每一个管子而言，对应于某一工作电流，稳定电压有相应的确定值。2）稳定电流。即稳压管的电压等于稳定电压时的工作电流。3）动态电阻。是稳压管电压变化和相应的电流变化之比，即，显然，越小，稳压效果越好，动态电阻的数值随工作电流的增加而减小。但当工作电流510mA以后，减小的不显著，而当1mA时，明显增加，阻值较大。4）最大稳定电流和最小稳定电流。是指稳压管的最大工作电流，超过此值，即超过了管子的允许耗散功率；是指稳压管的最小工作电流，低于此值，不再稳定，常取=12mA。（3）稳压管伏安特性测定的实验电路实验电路如图（4）所示。E为012V可调直流稳压电源，R为限流电阻器。图（4） 稳压管的正向特性测量图（4）测量稳压管的正向特性1）按图（4）连接电路，R阻值调到最大，可调稳压电源的输出为零。2）增大输出电压，使电压表的读数逐渐增大，观察加在稳压管上电压随电流变化的现象，通过观察确定测量范围，即电压与电流的调节范围。3）测定稳压管的正向特性曲线，不应等间隔的取点，即电压的测量值不应等间隔地取，而是在电流变化缓慢区间，电压间隔取的疏一些，在电流变化迅速区间，电压间隔取得密一些。如测试的2CW14型稳压管，电压在0V0.7V区间取35个点即可。（5）测量稳压管的反向特性1）将稳压管反接；2）定性观察被测稳压管的反向特性，通过观察确定测量反向特性时电压的调节范围（即该型号稳压管的最大工作电流所对应的电压值）。3）测量反向特性，同样在电流变化迅速区域，电压间隔应取得密一些。3测量小灯炮的伏安特性给定一只12V/0.1A小灯炮，已知UH=12伏，IH=100mA，起始电流为20mA，毫安表内阻为1W，电压表内阻为1MW。要求：1）自行设计测量伏安特性的线路；2）测量小灯泡的伏安特性；3）绘制小灯泡的伏安特性曲线；4）判定小灯炮是线性元件还是非线性元件。五、注意事项1使用电源时要防止短路，接通和断开电路前应使输出为零，先粗调然后再慢慢微调。2测量金属膜电阻的伏安特性时，所加电压不得使电阻超过额定输出功率。3测量稳压管伏安特性时，电路中电流值不应超过其最大稳定电流。实验四 太阳能电池特性测试试验仪一、实验目的1熟悉太阳能电池的工作原理；2太阳能电池光电特性测量。二、实验设备THQTN-1型 太阳能电池特性测试实验仪。三、实验原理1 太阳能电池板结构图1 太阳能电池板结构示意图以硅太阳能电池为例：结构示意图如图1。硅太阳电池是以硅半导体材料制成的大面积PN结经串联、并联构成，在N型材料层面上制作金属栅线为面接触电极，背面也制作金属膜作为接触电极，这样就形成了太阳能电池板。为了减小光的反射损失，一般在表面覆盖一层减反射膜。 2 光伏效应都用光照射到半导体PN结上时，半导体PN结吸收光能后，两端产生电动势，这种现象称为光生伏特效应。由于P-N结耗尽区存在着较强的内建静电场，因而产生在耗尽区中的电子和空穴，在内建静电场的作用下，各向相反方向运动，离开耗尽区，结果使P区电势升高，N区电势降低，P-N结两端形成光生电动势，这就是P-N结的光生伏特效应。3 太阳能电池的特性参数太阳能电池工作原理基于光伏效应。当光照射到太阳能电池板时，太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收的光子的能量转化为电能。在没有光照时, 可将太阳能电池视为一个二极管,其正向偏压与通过的电流的关系为 (1)是二极管的反向饱和电流，称为理想系数，是表示PN结特性的参数，通常为1。是波尔兹曼常数，为电子的电荷量，为热力学温度。（可令）当太阳能电池短路时，我们可以得到短路电流为ISC，当太阳能电池开路时，我们可以得到开路电压为UOC。当太阳能电池接上负载R时，所得到的负载U-I特性曲线如（图四）所示，负载R可从零至无穷大，当负载为Rm时，太阳能电池的输出功率最大，它对应的最大功率为Pm：Pm=ImUm (2)上式中Im和Um分别为最佳工作电流和最佳工作电压，将Voc与Isc的乘积与最大输出功率Pm之比定义为填充因子FF： (3)FF为太阳能电池的重要特性参数，FF越大则输出功率越高。FF取决于入射光强、材料禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。太阳能电池的转换效率定义为太阳能电池的最大输出功率与照射到太阳能电池的总辐射能Pin之比，即 (4)图2 太阳能电池的伏安特性曲线四、实验内容与步骤（1）测量太阳能电池无光照时的伏安特性（直流偏压从02V）连接测量电路如图3所示：图3利用测得的正向偏压时IU关系数据，画出IU曲线。（2）在不加偏压时，用白炽灯光照射，测量太阳能电池特性(4片串联负载特性更明显)。连接测量电路如图3所示：注意：此时光源到太阳能电池距离不能太近，可选择为35cm之后。图4（a）测量短路电流、开路电压和入射光强J。（b）测量电池在不同负载电阻下，对变化关系，画出曲线图。（c）求太阳能电池的最大输出功率，最佳工作电压和最佳工作电流。（d）计算填充因子：（e）计算转换效率：（3）电池的串联和并联电池串联输出电流不变，电压相加。电池并联输出电压不变，电流相加。五、实验数据1、无光照时伏安特性表（并绘出曲线）U（V）I（mA）2、不加偏压且有光照时测量(1) 入射光强J= 串联ISC= , UOC= 并联ISC= , UOC= (2) 电池在不同负载电阻下，I对U的变化关系（并绘出曲线） 入射光强J= R()99999k8k7k6k5k4k3k2k1k100101U(V)I(mA)P(mW)(3) 最佳功率Pm= 最佳工作电压Um= 最佳工作电流Im= (4) 计算填充因子：(5) 计算转换效率：(6) 阐述太阳能电池串并联输出电流电压的变化规律：备注：光功率Pin为单位面积的入射光强J太阳能电池的有效面积，且本实验的太阳能电池单片有效面积为2060mm2。六、注意事项1. 实验室，避免太阳光照射太阳能电池。2. 连接电路时，保持电源开关断开。3. 做实验时，电压、电流及入射光强会跳动几个字（因电网电压不稳定导致光源不稳定造成），属正常现象，对