光电探测实验原理

1、光电探测原理实验实验箱说明实验箱配备有012V可调的直流电压源，可为光电二极管提供可以调节的偏置电压。本实验箱还配有照度计、电压表和电流表，各表头显示单元和各种调节单元都放在面板上，而光源、照度计探头、硅光电池和硅光电二极管等不需要经常移动的器件都在实验箱里面固定，所有引出线都通过连线连接到面板上，学生做实验时只需要简单连线即可，连线、调节、观察和记录都很方便。实验箱还配备10K粗调电位器RP1和47K多圈精密细调电位器RP2，可供学生配合其它元件自己动手搭建实验之用，提高学生动手动脑能力。面板操作示意图(如图2)：实验2-1 光照度测试实验目的1、了解光照度基本知识；2、了解光照度测量基本原

2、理；3、学会光照度的测量方法。实验仪器光电探测原理实验箱 1台 实验步骤1、插上三相电源线，打开电源开关。2、顺时针缓慢调节“光照度调节”旋钮，增大光照度，观察照度值的变化。当表头显示为“1”时，说明已经超过量程，此时应更换量程为200Lx档。3、继续缓慢增大光照度，观察照度值的变化。当表头显示为“1”时，说明已经超过量程，此时应更换量程为2000Lx档。4、继续缓慢增大光照度，观察照度值的变化，注意观察在相邻量程转换时候的数值变化。5、将“光照度调节”旋钮调至最小值位置，照度计档位调到20Lx档，关闭电源。实验2-2 光电二极管光电特性测试实验目的1、了解光电二极管的工作原理和使用方法；2、

3、掌握光电二极管的光照度特性及其测试方法。实验仪器1、光电探测原理实验箱 1台2、连接导线 若干 实验原理1、光电二极管结构原理光电二极管的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比有很多共同之处，它们都有一个PN结，因此均属于单向导电性的非线性元件。但光电二极管作为一种光电器件，也有它特殊的地方。例如，光电二极管管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照；光电二极管PN结势垒区很薄，光生载流子的产生主要在PN结两边的扩散区，光电流主要来自扩散电流而不是漂移电流；又如，为了获得尽可能大的光电流，PN结面积比普通二极管要大的多，而且通常都以扩散层作为受光面，因此，受光面上的电极做的很小。为了提高光电转换能

4、力，PN结的深度较普通二极管浅。图2-2.1为光电二极管外形图（a）、结构简图（b）、符号（c） 和等效电路图（d）。光电二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图2-2.2，图中E为反向偏置电压），在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小（一般小于0.1微安），这个反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，称为光生载流子。它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号。因此光电二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态随着光电子技术的发展，光信号

5、在探测灵敏度、光谱响应范围及频率特性等方面的要求越来越高，为此，近年来出现了许多性能优良的光伏探测器，如硅、锗光电二极管、PIN 光电二极管、雪崩光电二极管（APD）等。光电二极管目前多采用硅或锗制成，但锗器件暗电流温度系数远大于硅器件，工艺也不如硅器件成熟，虽然它的响应波长大于硅器件，但实际应用尚不及后者广泛。下面着重介绍硅光电二极管的结构及工作原理。普通PN结硅光电二极管存在表面漏电流，为了减小表面漏电流，在器件的SiO2表面保护层中间扩散一个环行PN结，给环行结称为环极。在有环极的硅光电二极管中，通常有三根引出线：环极、前极和后极。通常环极接电源正极，后极接电源负极，前极通过负载接电源正

6、极，如图2-2.3。由于环极电位高于前极在环极形成阻挡层阻止表面漏电流流过，可使得负载的漏电流很小(小于0.05A)。若不使用环极也可将其断开做为空脚。硅光电二极管的封装可采用平面镜和聚焦透镜作入射窗口。采用凸透镜有聚光作用，有利于提高灵敏度。由于聚焦位置与入射光方向有关，因此能够减小杂散背景光的干扰，但也引起灵敏度随入射光方向而变化。所以在实际使用中入射光的对准是值得注意的问题。采用平面镜作窗口，虽然没有对准问题但要受到背景杂散光的干扰，在具体使用时，视系统的要求而定。2、光电二极管的基本光照特性光电二极管在一定偏压下，当入射光的强度发生变化，通过光电二极管的电流随之变化，并且光电流和照度成

7、线性关系。当没有光照射时，测得的电流为暗电流。实验步骤实验装置原理框图如图2-2.4所示。1、负载RL选择RL1=2.4K。将面板上“光电二极管偏置电压输入”端与电流表“”端用导线连接，电流表“”端与RL1任一端连接，RL1另一端与“光电二极管偏置电压输入”端相连，此时光电二极管偏压为零。2、电流表档位调节至20A档，将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。打开电源开关，顺时针调节该旋钮，增大光照度值，分别记下不同照度下对应的光生电流值，填入表2.2.1。若电流表或照度计显示为“1”时说明超出量程，应改为合适的量程再测试。3、将“光照度调节”旋钮逆时针调节到最小值位置后关闭电源。4、作出零

8、偏压下光电二极管的光照度电流曲线。5、将电压表调到20V档，“幅度调节”旋钮逆时针调至最小值位置。将“直流电源0-12V”端与电压表“”端用导线连接，将“直流电源”的另一端（接地端）与电压表“”端相连。打开电源开关，顺时针调节“幅度调节”旋钮，直至电压表显示为6.00V为止。关闭电源开关，拆掉电压表两端与“直流电源”两端之间的连线，拆掉电流表“”端与RL1之间的连线。6、将“直流电源0-12V”端（即图2-2.4中的Ui+端）与RL1相连，将“直流电源”接地端（即图2-2.4中的Ui-端）与电流表“”端用导线连接。将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置，打开电源开关，记下此时电流表的读数，

9、即为暗电流值。7、重复步骤2,将数据填入表2.2.2中。作出在6V偏压下光电二极管的光照度电流曲线。8、比较两条曲线的区别。9、实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。数据处理：实验数据贴在报告后面，数据处理如下，零偏压下光电二极管的光照度电流曲线：6V偏压下光电二极管的光照度电流曲线：通过这两条曲线的比较，可以得知，在6V偏压下，二极管的光照度电流曲线的斜率要比在零偏压下光电二极管的光照度电流曲线斜率要大。实验2-3 光电二极管伏安特性测试实验目的1、加深对光电二极管的工作原理的理解；2、进一步熟悉光电二极管的基本应用；3、理解光电二极管的伏安特性并掌握其测试方法。实验仪器1、光电探测原理实验箱

10、1台2、连接导线 若干实验原理光电二极管的基本特性：光电二极管的输出光电流与偏压的关系称为伏安特性，如图2-3.1。实验步骤实验装置原理框图如图3-3.2所示。1、负载RL选择RL1=2.4K。将“光电二极管偏置电压输入”端与电流表“”端用导线连接，电流表“”端与RL1任一端连接，RL1另一端与“光电二极管偏置电压输入”端相连，此时光电二极管偏压为零。2、电流表档位调节至20A档，“光照度调节“旋钮逆时针调节至最小值位置。打开电源开关，顺时针调节照度调节旋钮，使照度值为50Lx，记下此时电流表读数，填入表3.1。关闭电源，拆掉电流表“”端与RL1之间的连线。3、电压表调到20V档，“幅度调节”

11、旋钮逆时针调至最小值位置。将“直流电源0-12V”端与RL1连接，将“直流电源另一端（接地端）与电流表“”端连接。再将电压表“”端与“直流电源0-12V”端相连，“直流电源”接地端与电压表“”端相连。4、打开电源开关，调节“幅度调节”旋钮，直至电压表显示为2.00V为止，记下光电二极管所加反向偏压为2V时电流表的读数，填入表3.1。5、重复步骤4，分别记下反向偏压为4V、6V、8V和10V时的电流表读数，填入表2.3.1。关闭电源。6、作出50Lx照度下的光电二极管伏安特性曲线。7、重复上述步骤。分别测量光电二极管在100Lx、200Lx照度下，不同偏压下的光生电流值，并分别作出伏安特性曲线。

12、比较三条伏安特性特性曲线有什么不同。8、实验完毕，拆除所有连线。将“幅度调节”和“光照度调节”旋钮都逆时针旋到底。数据处理：实验数据贴在报告后面，数据处理如下 ： 50Lx照度下的光电二极管伏安特性曲线：100Lx照度下的光电二极管伏安特性曲线：200Lx照度下的光电二极管伏安特性曲线：通过比较在50Lx、100Lx、200Lx照度下的光电二极管伏安特性曲线，可知，随着照度越大，曲线的斜率越大。实验2-4 光电池光电特性测试实验目的1、了解光电池的工作原理和基本使用方法；2、掌握光电池的伏安特性及其测试方法。实验仪器1、光电探测原理实验箱 1 台2、连接导线 若干实验原理1、结构原理光电池是一

13、种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。 光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。它实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴， 电子-空穴对从表面向内迅速扩散， 在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电极(a)(b)电动势。 图2-4.1为硅光电池原理图。其中（a) 结构示意图； (b) 等效电路。图2-4.1 硅光电池原理图2、光电池基本特性(1) 光谱特性 光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的，如图2-4.2

14、。(2) 光照特性 光电池在不同光照度下， 其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性，如图2-4.3。实验步骤1、开路电压特性测试实验装置原理框图如图2-4.4所示。（1）将“光电池电压输出”端与电压表“”端相连，“光电池电压输出”端与电压表“”端相连。电压表档位调至2V档，“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。（2）打开电源开关 。顺时针调节“光照度调节”旋钮，逐渐增大光照度，记下不同光照度下的开路电压值，填入表2.4.1。（3）关闭电源开关，照度值调至最小，拆除所有连线。（4）作出光照度开路电压特性曲线。2、短路电流特性测试实验装置原理框图如图2-4.5所示。（1）将“

15、光电池电压输出”端与电流表“”端相连，“光电池电压输出”端与电流表“”端相连。电流表档位调至20A档，“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。（2）打开电源开关。顺时针调节“光照度调节”旋钮，逐渐增大光照度，记下不同光照度下的短路电流值，填入表4.2。（3）关闭电源开关，照度值调至最小，拆除所有连线。（4）作出光照度短路电流特性曲线。数据处理：实验数据贴在报告后面，数据处理如下 ：光照度开路电压特性曲线如下：光照度短路电流特性曲线：通过比较两条曲线可以知道，光照度与短路电流更接近线性关系。实验2-5 光电池伏安特性测试实验目的1、加深对光电池的工作原理的理解；2、进一步熟悉光电池的基本应用；

16、3、理解光电池的伏安特性并掌握其测试方法。实验仪器1、光电探测原理实验箱 1 台2、连接导线 若干 实验原理相同照度下，光电池的输出电流和电压会随负载的变化而变化。实验步骤实验装置原理框图如图2-5.1所示。1、负载选择RL1=2.4K。将“光电池电压输出”端与电阻RL1任一端连接，电阻RL1另一端与电流表“”端相连，电流表“”端与“光电池电压输出”端相连，再将电压表两端与“光电池电压输出”两端用导线相连接（注意极性不要接反）。“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。将电压表选择2V档，电流表选择200A档。2、打开电源，将光照度调节至50Lx，记录电流表和电压表读数，填入表5.1。3、将负载换成分别换成RL2、RL3、R1和R2，阻值分别为5.6 K、10 K、51K和100 K，重复步骤1和2，分别记录电流表和电压表的读数，填入表2.5.1。关闭电源。4、作出光电池的光生电流和光生电压随负载变化的V-I曲线。5、改变光照度为100Lx、200Lx、重复上述步骤，分别填写表2.5.2、2.5.3。6、比较三条曲线有什么不同，并分析原