光敏二三极管实验指导书

1、光敏二三极管综合实验仪实验指导书光敏二三极管综合实验仪实验指导书I目目 录录 光敏二三极管综合实验仪说明.- 1 -实验一 光照度测试实验.- 3 -实验二 光敏二极管暗电流测量.- 6 -实验三 光敏二极管光电流测量.- 9 -实验四 光敏二极管光照特性测试.- 11 -实验五 光敏二极管伏安特性测试.- 13 -实验六 光敏二极管光谱特性测试.- 16 -实验七 光敏二极管灵敏度测量.- 18 -实验八 光敏二极管时间特性测试.- 20 -实验九 光敏三极管暗电流测量.- 22 -实验十 光敏三极管光电流测量.- 25 -实验十一 光敏三极管光照特性测试.- 27 -实验十二 光敏三极管伏

2、安特性测试.- 29 -实验十三 光敏三极管光谱特性测试.- 31 -实验十四 光敏三极管灵敏度测量.- 33 -实验十五 光敏三极管时间特性测试.- 35 -实验十六 光控开关设计实验（二次开发）.- 37 -实验十七 光电报警设计实验（二次开发）.- 39 -实验十八 简易光功率计设计实验（二次开发）.- 41 -光敏二三极管综合实验仪实验指导书光敏二三极管综合实验仪实验指导书- 1 -光敏二三极管综合实验光敏二三极管综合实验仪说明仪说明ZY12230B 光敏二三极管综合实验仪所有器件和光路结构集成于主机箱中。面板结构如图 0-1 所示。照度表电流表电压表调零众友光敏二极管三极管综合实验仪

3、光源调节单元脉冲发生单元特性测试单元创新实验单元光路单元图 0-1 光敏二三极管综合实验仪面板布局1、仪表单元提供照度表、电压表、电流表，参数如下：光照度计：量程 20Lx、200Lx 和 2000Lx 三档自由切换，最小可测照度 0.01Lx电压表：量程 DC200mV、DC2V、DC20V、DC200V 四档自由切换，最小可测电压0.1mV电流表：量程 DC2A 、DC20A 、DC200A、DC2mA、DC20 mA 、DC 200mA 六档自由切换，最小可测电流 1nA2、光源调节单元全数字光源控制，提供 LED 照度调节以及颜色切换控制。三个控制按钮， “颜色切换” 、“照度加” 、

4、 “照度减” 。 “颜色切换”按钮，每按一次，切换一次颜色，长按则依次切换颜色，颜色切换顺序为白、红、橙、黄、绿、青、蓝。 “照度加” 、 “照度减”提供各颜色照度调节，长按“照度加”或者“照度减”按钮超过两秒钟，则实现照度的加速调节。采用数码管指示当前颜色，各种颜色与数码管示值的对应关系见表 0-1。开机默认颜色为白光。开机自检三基色，分别为红、绿、蓝，对应数码管显示“1” 、 “4” 、 “6” 。表 0-1 数码管示值与光源颜色对应关系示值0123456光敏二三极管综合实验仪实验指导书光敏二三极管综合实验仪实验指导书- 2 -颜色白红橙黄绿青蓝3、脉冲发生单元提供窄脉冲信号发生，脉冲宽度

5、 100ms-1000ms 连续可调。4、特性测试单元提供光敏二极管三极管特性测试所必须的电源及器件，包括如下内容：一个 0-30V 连续可调直流稳压电源，五个固定值电阻，分别是RL1：5.6K，RL2：10K，RL3：20K，RL4：51K，RL5：100K，提供两个精密多圈可调电位器，分别是 RP1：10K，RP2：47K。5、创新实验单元提供创新实验所必须的电阻、电容、二极管、三极管、芯片等。并提供实验所必须的直流电源。6、光路单元提供用于特性测试以及创新实验的光源及探测器结构装置，集成照度计探头、光敏二极管、光敏三极管。光电器件光路结构接口标识如图 0-2 所示：光敏二极管光敏三极管照

6、度计蓝色黄色绿色黑色红色图 0-2 光路结构插孔标识光敏二三极管综合实验仪实验指导书光敏二三极管综合实验仪实验指导书- 3 -实验一实验一 光照度测试光照度测试实验实验一、实验目的一、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理；3、学会光照度的测量方法。二、实验内容二、实验内容对光照度进行测量，观察现象。三、实验仪器三、实验仪器光敏二三极管综合实验仪 一台连接导线 若干四、实验原理四、实验原理1、光照度基本知识、光照度基本知识光照度是光度计量的主要参数之一，而光度计量是光学计量最基本的部分。光度量是限于人眼能够见到的一部分辐射量，通过人眼的视觉效果去衡量，人眼的视觉效果对各种波

7、长是不同的，通常用 V（）表示，定义为人眼视觉函数或光谱光视效率。因此，光照度不是一个纯粹的物理量，而是一个与人眼视觉有关的生理、心理物理量。光照度是单位面积上接收的光通量，因而可以导出：由一个发光强度 I 的点光源，在相距 L 处的平面上产生的光照度与这个光源的发光强度成正比，与距离的平方成反比，即： （1-1）2/ LIE 式中：E-光照度，单位为 Lx； I-光源发光强度，单位为 cd； L-距离，单位为 m。2、光照度计的结构、光照度计的结构光照度计是用来测量光源照度的仪器，它的结构原理如图 1-1。图 1-1 照度计结构原理示意图图中 D 为光探测器，图 1-2 为典型的硅光探测器的

8、相对光谱响应曲线；C 为余弦校正器，在光照度测量中，被测面上的光不可能都来自垂直方向，因此照度计必须进行余弦修正，使光探测器不同角度上的光度响应满足余弦关系。余弦校正器使用的是一种漫透射材料，当入射光不论以什么角度射在漫透射材料上时，光探测器接收到的始终是漫射光。余弦校正器的透光性要好；F 为 V（）校正器，在光照度测量中，除了希望光探测器有较高的灵敏度、较低的噪声、较宽的线性范围和较快的响应时间等外，还要求相对光谱响应符合视觉函数V（） ，而通常光探测器的光谱响应度与之相差甚远，因此需要进行 V（）匹配。匹配基本光敏二三极管综合实验仪实验指导书光敏二三极管综合实验仪实验指导书- 4 -上都是

9、通过给光探测器加适当的滤光片（V（）滤光片）来实现的，满足条件的滤光片往往需要不同型号和厚度的几片颜色玻璃组合来实现匹配。当 D 接收到通过 C 和 F 的光辐射时，所产生的光电信号，首先经过 I/V 变换，然后经过运算放大器 A 放大，最后在显示器上显示出相应的信号定标后就是照度值。图 1-2 典型的硅光敏二极管相对光谱响应曲线图 1-3 光谱光视效率曲线3、照度测量的误差因素、照度测量的误差因素1）照度计相对光谱响应度与 V（）的偏离引起的误差。2）接收器线性：也就是说接收器的响应度在整个指定输出范围内为常数。3）疲劳特性：疲劳是照度计在恒定的工作条件下，由投射照度引起的响应度可逆的暂时的

10、变化。4）照度计的方向性响应。5）由于量程改变产生的误差：这个误差是照度计的开关从一个量程变到邻近量程所产生的系统误差。6）温度依赖性：温度依赖性是用环境温度对照度头绝对响应度和相对光谱响应度的影响来表征。7）偏振依赖性：照度计的输出信号还依赖于光源的偏振状态。8）照度头接收面受非均匀照明的影响。光敏二三极管综合实验仪实验指导书光敏二三极管综合实验仪实验指导书- 5 -五、实验注意事项五、实验注意事项1、进行照度测量之前必须按照实验要求进行调零处理，2、若照度计表头显示为“1”时说明超过当前量程，应该选择合适的量程再测量。六、实验步骤六、实验步骤1、将脉冲发生单元 S1、S2、S3 开关拨向上

11、。2、照度计换至“200lx”档，逆时针旋动“电源调节”旋钮至不可调位置。3、打开实验仪电源，调节照度计“调零”旋钮，至照度计显示为“00.0”为止，关闭实验仪电源。4、连接光路结构红色插孔至照度计输入“+”插孔，连接光路结构上的黑色插孔至照度计输入“GND”插孔。5、打开实验仪电源，此时光源指示显示“0” 。6、按“照度加”或“照度减”按钮，观察照度计示数的变化情况。7、光照度不变，在照度计量程范围内，切换照度计档位，观察照度计示数变化情况。8、长按“照度减”按钮，调节使照度计示值最小，此时拔除光路结构与照度计的连线，逆时针旋出照度计探头。9、按“照度加”或“照度减”按钮，观察 LED 发光

12、情况。10、将“电源调节”旋钮逆时针旋至不可调位置，关闭实验仪电源，还原实验仪。七、实验报告要求七、实验报告要求1、观察实验现象，不用填写实验过程原始记录。2、写出完成本次实验后的心得体会以及对本次实验的改进意见。八、思考题八、思考题1、试列出你所知道的其他光度量单位。光敏二三极管综合实验仪实验指导书光敏二三极管综合实验仪实验指导书- 6 -实验二实验二 光敏二极管暗电流光敏二极管暗电流测量测量一、实验目的一、实验目的1、了解光敏二极管的工作原理、使用方法及用途；2、掌握光敏二极管的暗电流定义及其测量方法。二、实验内容二、实验内容1、光敏二极管暗电流的测量三、实验仪器三、实验仪器光敏二三极管综

13、合实验仪 一台连接导线 若干四、实验原理四、实验原理1、光生伏特效应和光伏探测器的原理、光生伏特效应和光伏探测器的原理光生伏特效应是光照使半导体产生光生电子和空穴，这些电子和空穴在某种“力”的作用下向相反的方向移动和积聚而产生电位差的现象。使电子和空穴向相反的方向移的“力”可以是同质半导体由于不同的掺杂形成的 p-n 结、不同质的半导体组成的异质结或金属和同质半导体接触形成的肖特基结的内建电场，也可以是磁场等。下面以 p-n 结为例说明光生伏特效应的原理。其原理如图 2-1 所示。图 2-1 光生伏特效应原理图如图 2-1a 所示，无光照时，P 区的多数载流子空穴和 n 区的多数载流子电子，由

14、于浓度差会向对方扩散，结果在接触面附近形成正负离子组成的空间电荷层及相应的由 n 区指向 P区的内建电场，该电场阻止两边的载流子的扩散，但使电子和空穴产生与扩散运动方向相反的漂移运动，最后达到热平衡，形成一个稳定的内建电场 E内。内建电场存在的区域称作耗尽层。从能量的角度看，内建电场 E内在耗尽层形成一个势垒，电子在 n 区具有较低的势能，在 P 区具有较高的势能，空穴则相反，如图 2-1b 所示，最终使能带发生倾斜。n 区的电子和P 区的空穴要想从一区进入另一区都需要提供能量。当有入射光作用时，如果光子的能量大于或等于带隙（） ，在耗尽层区、n 区和gEhf P 区都会发生受激吸收，即价带的

15、电子吸收光子的能量跃迁到导带形成光生电子-空穴对。光敏二三极管综合实验仪实验指导书光敏二三极管综合实验仪实验指导书- 7 -若电子-空穴对在耗尽层内，由于内部电场的作用，电子向 N 区运动，空穴向 P 区运动，形成漂移电流。若电子-空穴对在耗尽层两侧没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场的作用下，形成与漂移电流相同方向的电流，称为扩散电流。漂移电流和扩散电流的总和即为光生电流。若外电路开路，则光生的电子和空穴分别在 N 区和 P 区积累，形成电动势，这就是光生伏特效应。若外电路闭合，N区过剩的电子通过外电路流向 P 区，同样，P 区的空穴流向 N

16、 区，便形成了光生电流。当入射光变化时，光生电流随之变化，从而将光信号转换成电信号。这种由 PN 结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产生的电子-空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单的光敏二极管（PD） 。这种简单的光敏二极管（PD） ，由于 PN 结耗尽层只有几微米，大部分光入射光被中性区吸收，中性区内的电子和空穴是靠扩散运动形成电流的，一方面它形成电流的几率小，即转换效率低，另一方面响应速度也慢。为了改善这种情况，使用 PD 管时，总是施加适当的反向偏压，即 N 区加正电压，P 区加负电压，外加电压与内部电场方向相同，从而增大了耗尽层宽度，减小了中性区的宽度，从而提高

17、了转换效率和响应速度。2、光敏二极管的结构和原理、光敏二极管的结构和原理光敏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。但光敏二极管作为一种光电器件，也有它特殊的地方。例如，光敏二极管管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照；光敏二极管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力，PN 结的深度较普通二极管浅。图

18、2-2 为光敏二极管外形图（a） 、结构简图（b） 、符号（c）和等效电路图（d） 。NP+-光 a b c d 图 2-2 光敏二极管光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图 2-3） ，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做定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。如果在外部电路上接上负载，负载上就获得了电信号。因此光敏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。光敏二三

19、极管综合实验仪实验指导书光敏二三极管综合实验仪实验指导书- 8 -RLE图 2-3 光敏二极管工作电路五、实验注意事项五、实验注意事项1、连线之前要保证电源关闭。2、注意光敏二极管的极性，且反向偏压不要超过 20V。3、打开电源之前，将“电源调节”旋钮逆时针调至最小值。4、若照度计、电流表或电压表显示为“1”时说明超出当前量程，应选择合适的量程再测量。5、严禁将任何电源对地短路。六、实验步骤六、实验步骤1、将脉冲发生单元 S1、S2、S3 开关拨向下，用导线按照图 2-4 所示连接实验电路。ARL10-30V可调AKV图 2-4 光敏二极管实验测量电路（注意，光敏二极管的（注意，光敏二极管的

20、K 对应光路结构上的蓝色插孔，对应光路结构上的蓝色插孔，A 对应光路结构上的黄色插孔。对应光路结构上的黄色插孔。）2、电压表换至“20V”档，电流表换至“2uA”档，逆时针旋动“电源调节”旋钮至不可调位置。3、接好箱体交流电源，打开电源开关，调节“电源调节”旋钮，使电压表示数为10V，此时电流表示数即为光敏二极管电流暗电流值。4、将“电源调节”旋钮逆时针旋至不可调位置，关闭实验仪电源。七、思考题七、思考题1、试说明光敏二极管的暗电流存在的原因。光敏二三极管综合实验仪实验指导书光敏二三极管综合实验仪实验指导书- 9 -实验三实验三 光敏二极管光电流光敏二极管光电流测量测量一、实验目的一、实验目的

21、1、了解光敏二极管的工作原理、使用方法及用途二、实验内容二、实验内容1、光敏二极管光电流的测量三、实验仪器三、实验仪器光敏二三极管综合实验仪 一台连接导线 若干四、实验原理四、实验原理在上一次实验中，我们知道了光敏二极管的光生伏特效应，当有入射光作用时，如果光子的能量大于或等于带隙（） ，在耗尽层区、n 区和 P 区都会发生受激吸收，即价带gEhf 的电子吸收光子的能量跃迁到导带形成光生电子-空穴对。若电子-空穴对在耗尽层内，由于内部电场的作用，电子向 N 区运动，空穴向 P 区运动，形成漂移电流。若电子-空穴对在耗尽层两侧没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗

22、尽层，然后在电场的作用下，形成与漂移电流相同方向的电流，称为扩散电流。漂移电流和扩散电流的总和即为光生电流。若外电路开路，则光生的电子和空穴分别在 N 区和 P 区积累，形成电动势，这就是光生伏特效应。若外电路闭合，N 区过剩的电子通过外电路流向 P区，同样，P 区的空穴流向 N 区，便形成了光生电流。当入射光变化时，光生电流随之变化，从而将光信号转换成电信号。这里，光生电流信号的大小与入射光子的数量有关系。另一方面，我们还知道了光敏二极管工作时，一般加反向偏压，这样认为加了一个电场在 PN 结上，会改变固有的电子运动速度。因此，理论上讲偏压的大小也能够影响光生电流的大小。五、实验注意事项五、

23、实验注意事项1、连线之前要保证电源关闭。2、注意光敏二极管的极性，且反向偏压不要超过 20V。3、打开电源之前，将“电源调节”旋钮逆时针调至最小值。4、若照度计、电流表或电压表显示为“1”时说明超出当前量程，应选择合适的量程再测量。5、严禁将任何电源对地短路。六、实验步骤六、实验步骤1、按照图 3-1 所示连接电路，将脉冲发生单元 S1、S2、S3 开关拨向上。ARL10-30V可调AKV图 3-1 光敏二极管光电流测试电路光敏二三极管综合实验仪实验指导书光敏二三极管综合实验仪实验指导书- 10 -（注意，光敏二极管的（注意，光敏二极管的 K 对应光路结构上的蓝色插孔，对应光路结构上的蓝色插孔

24、，A 对应光路结构上的黄色插孔。对应光路结构上的黄色插孔。）2、照度计换至“200lx”档，电压表换至“20V”档，电流表换至“200uA”档，逆时针旋动“电源调节”旋钮至不可调位置。3、打开实验仪电源，调节照度计“调零”旋钮，至照度计显示为“00.0”为止，关闭实验仪电源。4、连接光路结构红色插孔至照度计输入“+”插孔，连接光路结构上的黑色插孔至照度计输入“-”插孔。5、打开实验仪电源，此时光源调节指示显示“0” ，按“照度加”或“照度减” ，调节使照度计显示“100.0”lx 左右，调节“电源调节”旋钮，至电压表显示“10.00”V。此时电流表显示值即为光电流值。6、将“电源调节”旋钮逆时

25、针旋至不可调位置，关闭实验仪电源。七、思考题七、思考题1、试分析光敏二极管光生电流与哪些因素有关系，如何验证。2、正常工作时，为什么要给光敏二极管加反向偏压。光敏二三极管综合实验仪实验指导书光敏二三极管综合实验仪实验指导书- 11 -实验四实验四 光敏二极管光照特性测试光敏二极管光照特性测试一、实验目的一、实验目的1、了解光敏二极管的工作原理、使用方法及用途；2、掌握光敏二极管的光照特性及其测试方法。二、实验内容二、实验内容1、光敏二极管光照特性测试三、实验仪器三、实验仪器光敏二三极管综合实验仪 一台连接导线 若干四、实验原理四、实验原理前面我们已经讲过了光敏二极管光生伏特效应的原理，那么，光

26、生电流与入射光强之间到底是怎样一种关系？光敏二极管在一定负偏压下，当入射光的强度发生变化时，通过光敏二极管的电流随之变化，在较小负载电阻下，光电流和照度成线性关系。如图 4-1 所示。这就是光敏二极管的光照特性。图 4-1 光照特性曲线五、实验注意事项五、实验注意事项1、连线之前要保证电源关闭。2、注意光敏二极管的极性，且反向偏压不要超过 20V。3、打开电源之前，将“电源调节”旋钮逆时针调至最小值。4、若照度计、电流表或电压表显示为“1”时说明超出当前量程，应选择合适的量程再测量。5、严禁将任何电源对地短路。六、实验步骤六、实验步骤1、按照图 4-2 所示连接电路，将脉冲发生单元 S1、S2

27、、S3 开关拨向上。光敏二三极管综合实验仪实验指导书光敏二三极管综合实验仪实验指导书- 12 -ARL10-30V可调AKV图 4-2 光敏二极管光照特性测试电路（注意，光敏二极管的（注意，光敏二极管的 K 对应光路结构上的蓝色插孔，对应光路结构上的蓝色插孔，A 对应光路结构上的黄色插孔。对应光路结构上的黄色插孔。）2、照度计换至“200lx”档，电压表换至“20V”档，电流表换至“200uA”档，逆时针旋动“电源调节”旋钮至不可调位置。3、打开实验仪电源，调节照度计“调零”旋钮，至照度计显示为“00.0”为止，关闭实验仪电源。4、连接光路结构红色插孔至照度计输入“+”插孔，连接光路结构上的黑

28、色插孔至照度计输入“GND”插孔。5、打开实验仪电源，此时光源调节指示显示“0” ，调节“电源调节”旋钮至电压表显示“10.00”V，按“照度减”按钮，使照度计显示为“00.0”lx。（注：受数字电路限制，数控电路无法控制（注：受数字电路限制，数控电路无法控制 LED 照度完全为照度完全为“00.0” ，要调至，要调至“0”时，时，需将开关需将开关 S1、S2、S3 拨向下方，需要测量非零照度时，再将三个开关拨向上方）拨向下方，需要测量非零照度时，再将三个开关拨向上方）6、按“照度加”或“照度减”按钮，按照表 4-1 记录数据，并绘制“照度-电流”关系曲线。表 4-1 光敏二极管光照特性测试照

29、度(lx)050100150200250300350400450500550电流7、将“电源调节”旋钮逆时针旋至不可调位置，关闭实验仪电源。七、实验报告要求七、实验报告要求1、分析光敏二极管的光照特性，并画出光照特性曲线。八、实验思考题八、实验思考题 1、在不同偏压下，光敏二极管的光照特性曲线会有什么区别？试从原理进行分析。光敏二三极管综合实验仪实验指导书光敏二三极管综合实验仪实验指导书- 13 -实验五实验五 光敏二极管伏安特性测试光敏二极管伏安特性测试一、实验目的一、实验目的1、了解光敏二极管的工作原理、使用方法及用途；2、掌握光敏二极管的伏安特性及其测试方法。二、实验内容二、实验内容1、

30、光敏二极管伏安特性测试三、实验仪器三、实验仪器光敏二三极管综合实验仪 一台连接导线 若干四、实验原理四、实验原理光敏二极管（PD）就是一个 p-n 结，根据对 p-n 结的研究，无光照时，p-n 结上的电压V 和通过它的电流的伏安关系为 （5-1）) 1(/KTqVSODeII式中为 p-n 结的反向饱和电流，为波尔兹曼常数，T 为热力SOIKJk/10381123学温度，q 为电子电荷量。有光照时，产生光生电流 IS （5-hPqIS2）式中为量子效率，为光功率。P这两部分电流方向相同，则总电流 I 为 （5-3）SKTqVSOIeII) 1(/图 5-1 表示光照 P-N 结的伏安特性，图

31、 5-1 P-N 结的理想伏安特性有光照时，相对于无光照曲线向下平移，光照越强，曲线愈往下平移，光电流越大。图中第一象限为 P-N 结加正偏压状态，此时 P-N 结暗电流 ID远大于光生电流，做为探测器工作在这个区域是没有意义的。第三象限为 P-N 结加反偏压状态，此时 P-N 结暗电流 ID=ISO，光敏二三极管综合实验仪实验指导书光敏二三极管综合实验仪实验指导书- 14 -数值很小，远小于光生电流 IS，光伏探测器输出的总电流，光伏探测器SSSOIIII多工作在这个区域。由图可见，在低反压下电流随电压变化比较明显，这是因为反向偏压增加使耗尽层加宽，结电场增强，使结区光的吸收率和光生载流子的

32、收集效率增大。当反向偏压进一步增加，光生载流子的收集已达极限，光电流趋于饱和。这时，光电流与外加反向偏压几乎无关，而仅取决于入射光功率。图中还标注了开路光电压和短路光电流的定义。由式（5-3）式可以求得光伏探测器的输出电压 （5-4）) 1ln(SOSIIIqkTV在 P-N 结开路时（即外负载电阻） ，光伏探测器的输出电压称为开路电压，LROCV这时经外回路负载上的总电流，在式（5-4）中，将代入，可得开路电压的表LR0I0I达式 （5-5）) 1ln(OSSOCIIqkTV若将 P-N 短路（即 V=O） ，由式（5-2）可得短路电流为SCI （5-6）PhqIISSC和是光伏探测器的两个

33、重要参数，其数值可以从伏安特性曲线上得到；由式OCVSCI（5-5） 、 （5-6）可看出，两者都随光强增大而增大，但随光强增大线性上升，而则SCIOCV按对数规律增加，如图 5-2 所示。图 5-2 和随光强变化曲线OCVSCI五、实验注意事项五、实验注意事项1、连线之前要保证电源关闭。2、注意光敏二极管的极性，且反向偏压不要超过 20V。3、打开电源之前，将“电源调节”旋钮逆时针调至最小值。4、若照度计、电流表或电压表显示为“1”时说明超出当前量程，应选择合适的量程再测量。光敏二三极管综合实验仪实验指导书光敏二三极管综合实验仪实验指导书- 15 -5、严禁将任何电源对地短路。六、实验步骤六

34、、实验步骤1、按照图 5-3 所示连接电路，将脉冲发生单元 S1、S2、S3 开关拨向上。ARL10-30V可调AKV图 5-3 光敏二极管伏安特性测试（注意，光敏二极管的（注意，光敏二极管的 K 对应光路结构上的蓝色插孔，对应光路结构上的蓝色插孔，A 对应光路结构上的黄色插孔。对应光路结构上的黄色插孔。）2、照度计换至“200lx”档，电压表换至“20V”档，电流表换至“200uA”档，逆时针旋动“电源调节”旋钮至不可调位置。3、打开实验仪电源，调节照度计“调零”旋钮，至照度计显示 “00.0”为止，关闭实验仪电源。4、连接光路结构红色插孔至照度计输入“+”插孔，连接光路结构上的黑色插孔至照

35、度计输入“GND”插孔。5、打开实验仪电源，此时光源调节指示显示“0” ，按“照度加”或“照度减”按钮，使照度计显示尽量接近“100.0”lx。6、调节“电压调节”旋钮，按照表 5-1 记录数据，并绘制“电压-电流”关系曲线。表 5-1 光敏二极管伏安特性测试电压(V)0123456789电流(uA)7、将“电源调节”旋钮逆时针旋至不可调位置，关闭实验仪电源。七、实验报告要求七、实验报告要求1、分析光敏二极管的伏安特性，并画出伏安特性曲线。八、实验思考题八、实验思考题 1、试测试绘制不同照度下的光敏二极管伏安特性曲线，比较它们的异同。光敏二三极管综合实验仪实验指导书光敏二三极管综合实验仪实验指

36、导书- 16 -实验六实验六 光敏二极管光谱特性测试光敏二极管光谱特性测试一、实验目的一、实验目的1、了解光敏二极管的工作原理、使用方法及用途；2、掌握光敏二极管的光谱特性及其测试方法。二、实验内容二、实验内容1、光敏二极管光谱特性测试三、实验仪器三、实验仪器光敏二三极管综合实验仪 一台连接导线 若干四、实验原理四、实验原理以等功率的不同单色辐射波长的光作用于光敏二极管时，其响应程度或电流灵敏度与波长的关系曲线称为光敏二极管的光谱响应。图 6-1 为两种不同材质的光敏二极管的光谱响应曲线。由该曲线可以看出，典型硅光敏二极管光谱响应长波限约为 1.1m，短波限接近0.4m，峰值响应波长约为 0.

37、9m。硅光电二极管光谱响应长波限受硅材料的禁带宽度 Eg的限制，短波限受材料 PN 结厚度对光吸收的影响，减薄 PN 结的厚度可提高短波限的光谱响应，锗的光谱响应范围较宽。图 6-1 典型光敏二极管光谱响应曲线光敏二极管光谱响应特性的测量非常复杂，它需要各种单色光源，而且，必须使各种单色光源在被测器件光敏面上的光照度严格相等。在上述条件满足的情况下才能真正测得光敏二极管的光谱响应。我们这里涉及了简单的测量光敏二极管光谱特性测量的实验，通过测量在一定光照度下的单色光对光敏二极管光生电流的关系曲线来近似光谱响应曲线。实际上，这种方法也能正确的反映光敏二极管光谱响应特性。五、实验注意事项五、实验注意

38、事项1、连线之前要保证电源关闭。2、注意光敏二极管的极性，且反向偏压不要超过 20V。3、打开电源之前，将“电源调节”旋钮逆时针调至最小值。4、若照度计、电流表或电压表显示为“1”时说明超出当前量程，应选择合适的量程再测量。5、严禁将任何电源对地短路。光敏二三极管综合实验仪实验指导书光敏二三极管综合实验仪实验指导书- 17 -六、实验步骤六、实验步骤1、按照图 6-2 所示连接电路，将脉冲发生单元 S1、S2、S3 开关拨向上。ARL10-30V可调AKV图 6-2 光敏二极管光谱特性测试（注意，光敏二极管的（注意，光敏二极管的 K 对应光路结构上的蓝色插孔，对应光路结构上的蓝色插孔，A 对应

39、光路结构上的黄色插孔。对应光路结构上的黄色插孔。 ）2、照度计换至“200lx”档，电压表换至“20V”档，电流表换至“200uA”档，逆时针旋动“电源调节”旋钮至不可调位置。3、打开实验仪电源，调节照度计“调零”旋钮，至照度计显示为“00.0”为止，关闭实验仪电源。4、连接光路结构红色插孔至照度计输入“+”插孔，连接光路结构上的黑色插孔至照度计输入“GND”插孔。5、打开实验仪电源，此时光源调节指示显示“0” 。6、调节“电源调节”旋钮，使电压表示数为“10.00”V。7、迅速按下“颜色切换”按钮，然后弹起，使“光源指示”显示为“1” ，按“照度加”或“照度减”按钮，使照度计显示在“80.0

40、”lx 左右。记录此时电流表示值，记录在表 6-1中。8、按照步骤 7 调节“颜色切换”按钮至“光源指示”分别显示 “2” 、 “3” 、 “4” 、 “5” 、“6” ，调节对应光源下的照度至“100.0”lx 左右，同时记下，在各个光源 100lx 照度下电流表的示值，记录在表 6-1 中。表 6-1 光敏二极管光谱特性测试光源1(红色)2(橙色)3(黄色)4(绿色)5(青色)6(蓝色)电流(uA)9、将“电源调节”旋钮逆时针旋至不可调位置，关闭实验仪电源。七、实验报告要求七、实验报告要求1、分析光敏二极管的光谱特性，画出光敏二极管光谱特性曲线。八、实验思考题八、实验思考题 1、根据光敏二

41、极管光谱特性的定义，还有那些简单易行的测量光谱响应的方法？光敏二三极管综合实验仪实验指导书光敏二三极管综合实验仪实验指导书- 18 -实验七实验七 光敏二极管灵敏度测量光敏二极管灵敏度测量一、实验目的一、实验目的1、了解光敏二极管的工作原理、使用方法及用途；2、掌握光敏二极管的灵敏度定义及其测试方法。二、实验内容二、实验内容1、光敏二极管灵敏度测试三、实验仪器三、实验仪器光敏二三极管综合实验仪 一台连接导线 若干四、实验原理四、实验原理通过课本知识我们已经知道，光敏二极管的全电流方程为： （7-1）,(1)(1)qUadkTeDqIeIehc 定义光敏二极管的电流灵敏度为入射到光敏面上辐射量的

42、变化（例如通量变化）引d起电流变化与辐射量变化之比。通过对式（7-1）进行微分可以得到dI （7-2）(1)adidIqSedhc 虽然，当某波长的辐射作用于光电二极管时，其电流灵敏度为与材料有关的常数，表明光敏二极管的光电转换特性的线性关系。必须指出，电流灵敏度与入射辐射波长的关系是很复杂的，因此在定义光敏二极管的电流灵敏度时，通常将其峰值响应波长的电流灵敏度作为光敏二极管的电流灵敏度。在式（7-2）中，表面上看它与波长成正比，但是，材料的吸收系数还隐含着与入射辐射波长的关系。因此，常把光敏二极管的电流灵敏度与波长的关系曲线称为光谱响应。也就是我们上次实验的内容。按照光敏二极管电流灵敏度的定

43、义，实验采用红光作为测量光源，相对于其他光源来说，红光的波长更加接近于光谱响应曲线的峰值波长。五、实验注意事项五、实验注意事项1、连线之前要保证电源关闭。2、注意光敏二极管的极性，且反向偏压不要超过 20V。3、打开电源之前，将“电源调节”旋钮逆时针调至最小值。4、若照度计、电流表或电压表显示为“1”时说明超出当前量程，应选择合适的量程再测量。5、严禁将任何电源对地短路。六、实验步骤六、实验步骤1、按照图 7-1 所示连接电路，将脉冲发生单元 S2、S3 开关拨向下，S1 开关拨向上。光敏二三极管综合实验仪实验指导书光敏二三极管综合实验仪实验指导书- 19 -ARL10-30V可调AKV图 7

44、-1 光敏二极管灵敏度特性测试（注意，光敏二极管的（注意，光敏二极管的 K 对应光路结构上的蓝色插孔，对应光路结构上的蓝色插孔，A 对应光路结构上的黄色插孔。对应光路结构上的黄色插孔。 ）2、照度计换至“200lx”档，电压表换至“20V”档，电流表换至“200uA”档，逆时针旋动“电源调节”旋钮至不可调位置。3、打开实验仪电源，调节照度计“调零”旋钮，至照度计显示为“00.0”为止，关闭实验仪电源。4、连接光路结构红色插孔至照度计输入“+”插孔，连接光路结构上的黑色插孔至照度计输入“GND”插孔。5、打开实验仪电源，此时光源调节指示显示“0” 。 6、调节“电源调节”旋钮，使电压表显示为“1

45、0.00”V。7、迅速按下“颜色切换”按钮，然后弹起，使“光源指示”显示为“1” ，按“照度加”或“照度减”按钮，使照度计显示在“00.0”lx 左右。8、将 S1 拨向下方，记录此时的电流表示值。1I9、将 S1 拨向上方，按“照度加”或“照度减”按钮，使照度计显示在“10.00”lx 左右。记录此时电流表示值。2I10、计算该偏压下的光敏二极管红光电流灵敏度。2110iIISlx11、将“电源调节”旋钮逆时针旋至不可调位置，关闭实验仪电源。七、实验思考题七、实验思考题 1、为什么要使用红色光源作为光敏二极管灵敏度测量光源？光敏二三极管综合实验仪实验指导书光敏二三极管综合实验仪实验指导书-

46、20 -实验八实验八 光敏二极管时间特性测试光敏二极管时间特性测试一、实验目的一、实验目的1、了解光敏二极管的工作原理、使用方法及用途；2、掌握光敏二极管的时间特性定义及其测试方法。二、实验内容二、实验内容1、光敏二极管时间特性测试三、实验仪器三、实验仪器光敏二三极管综合实验仪 一台连接导线 若干四、实验原理四、实验原理以频率调制的辐射作用于 PN 结硅光敏二极管光敏面时，PN 结硅光敏二极管电流的f产生要经过下面 3 个过程：（1）在 PN 结区产生的光生载流子渡越结区的时间，称为漂移时间；dr（2）在 PN 结区外产生的光生载流子扩散到 PN 结区内所需要的时间，称为扩散时p间；（3）在

47、PN 结电容、管芯电阻以及负载电阻构成的 RC 延迟时间。jCiRLRRC设载流子在结区内的飘移速度为，PN 结区的宽度为 W，载流子在结区内的最长飘移d时间为 （8-1）/drdW一般的 PN 结硅光敏二极管，内电场强度都在V/cm 以上，载流子的平均漂移速iE510度要高于cm/s，PN 结区的宽度一般约为 100um。由式（8-1）可知，漂移时间= 710drs，为 ns 数量级。910对于 PN 结硅光敏二极管，入射辐射在 PN 结势垒区以外激发的光生载流子必须经过扩散运动到势垒区内，才能受内建电场的作用，并分别拉向 P 区与 N 区。载流子的扩散运动往往很慢，因此扩散时间很长，约为

48、100ns，它是限制 PN 结硅光敏二极管时间响应的主p要因素。另一个因素是 PN 结电容和管芯电阻以及负载电阻构成的 RC 延迟时间，jCiRLRRC有 （8-2）()RCjiLCRR普通 PN 结硅光敏二极管的管芯内阻约为 250，PN 结电容常为几个 pF，在负iRjC载电阻很大时，时间常数将成为影响硅光敏二极管时间响应的一个重要因素，应用LRRC时必须注意。以上分析可见，影响 PN 结硅光敏二极管时间响应的主要因素是 PN 结区外载流子的扩散时间，如何扩展 PN 结区是提高硅光敏二极管时间响应的重要措施。增高反向偏置电压p会提高内建电场的强度，扩展 PN 结的耗尽区。但是反向偏置电压的

49、提高也会加大结电容，光敏二三极管综合实验仪实验指导书光敏二三极管综合实验仪实验指导书- 21 -使 RC 时间常数增大。因此，必须从 PN 结的结构设计方面考虑如何在不使偏压增大的RC情况下使耗尽区扩展到整个 PN 结器件，才能消除扩散时间。五、实验注意事项五、实验注意事项1、连线之前要保证电源关闭。2、注意光敏二极管的极性，且反向偏压不要超过 20V。3、打开电源之前，将“电源调节”旋钮逆时针调至最小值。4、若照度计、电流表或电压表显示为“1”时说明超出当前量程，应选择合适的量程再测量。5、严禁将任何电源对地短路。六、实验步骤六、实验步骤1、按照图 8-1 所示连接电路，将脉冲发生单元 S1

50、、S2、S3 开关拨向下。RL20-30V可调VAK图 8-1 光敏二极管时间特性测试（注意，光敏二极管的（注意，光敏二极管的 K 对应光路结构上的蓝色插孔，对应光路结构上的蓝色插孔，A 对应光路结构上的黄色插孔。对应光路结构上的黄色插孔。 ）2、电压表换至“20V”档，电流表换至“200uA”档，逆时针旋动“电源调节”旋钮至不可调位置。3、用导线连接脉冲发生单元方波发生插孔与“R” 、 “G” 、 “B”插孔，连接脉冲发生单元“GND”与 0-30V 可调电源“-”插孔。4、打开实验仪电源，调节“电源调节”旋钮，使电压表示数 10V。5、用双通道示波器探头 1 测试方波发生插孔，用双通道示波

51、器探头 2 测试光路结构黄色插孔，读出 2 通道的上升时间，此上升时间即为光敏二极管时间特性参数。（注意：如果实验仪接地不良，容易导致蓝色插孔处的波形抖动。（注意：如果实验仪接地不良，容易导致蓝色插孔处的波形抖动。 ）6、将“电源调节”旋钮逆时针旋至不可调位置，关闭实验仪电源。七、实验思考题七、实验思考题 1、光敏二极管的时间响应与哪些因素有关？光敏二三极管综合实验仪实验指导书光敏二三极管综合实验仪实验指导书- 22 -实验九实验九 光敏三极管暗电流测量光敏三极管暗电流测量一、实验目的一、实验目的1、了解光敏三极管的工作原理、使用方法及用途；2、掌握光敏三极管的暗电流定义及其测试方法。二、实验

52、内容二、实验内容1、光敏三极管暗电流测试三、实验仪器三、实验仪器光敏二三极管综合实验仪 一台连接导线 若干四、实验原理四、实验原理光敏三极管与普通双晶体管十分相似，不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN 结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此，光敏三极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通三极管。其结构与一般晶体管相类似，但也有其特殊的地方。如图 9-1（a）所示，图中 e、b、c 分别表示光敏三极管的发射极、基极和集电极。正常工作时保证基极-集电极结（b-e 结）为反偏压状态，并作为受光结（即基区为光照区） 。光敏三极管通常有 NPN 和 PNP 型两种结构，常

53、用的材料有硅和锗。例如用硅材料制作的NPN 结构有 3DU 型，PNP 型有 3GU 型，本实验系统中使用 3DU 型。采用硅的 NPN 型光敏三极管其暗电流比锗光敏三极管小，且受温度变化影响小。光敏三极管的工作有两个过程，一是光电转换；二是光电流放大。光电转换过程是在 b-c 结内进行，它与一般光敏二极管相同。当集电极加上相对于发射极为正向电压而基极开路时（图 9-1（b） ） ，则 b-c 结处于反向偏压状态。无光照时，由于热激发而产生的少数载流子，电子从基极进入集电极，空穴则从集电极移向基极，在外电路中有电流（即暗电流）流过。当光照射基区时，在该区产生电子-空穴对，光生电子在内电场作用下

54、漂移到集电极，形成光电流，这一过程类似于光敏二极管。与此同时。空穴则留在基区，使基区的电位升高，发射极便有大量电子经基极流向集电极，总的集电极电流为 （9-1）pppc1IIII）（式中 为共发射极电流放大倍数。因此，光敏三极管等效于一个光敏二极管与一般晶体基极-集电极结的并联。它是把基极-集电极光敏二极管的电流（光电流 IP）放大 倍的光伏探测器，可用图 9-1（c）来表示。光敏二三极管综合实验仪实验指导书光敏二三极管综合实验仪实验指导书- 23 -(a)(b)(c)ebhNPNchebcRLVAbecIPIP(1+)IP图 9-1 光敏三极管结构及工作原理（a）结构示意图 （b）光电变换原

55、理 （c）电流放大作用图 9-2（c）示出了光敏三极管的暗电流与温度的关系。由于晶体管的放大作用，基极开路时的暗电流及它随温度上升都比光敏二极管大。(a)(b)(c)0200400600800 10001234I(mA)L(lux)010203040501234I(mA)U(V)200400600800(lux)0204060801000.11100.01I=0uAT(C)图 9-2 光敏三极管特性五、实验注意事项五、实验注意事项1、连线之前要保证电源关闭。2、打开电源之前，将“电源调节”旋钮逆时针调至最小值。3、若照度计、电流表或电压表显示为“1”时说明超出当前量程，应选择合适的量程再测量。

56、4、严禁将任何电源对地短路。六、实验步骤六、实验步骤1、将脉冲发生单元 S1、S2、S3 开关拨向下，按照图 9-3 所示连接实验电路。光敏二三极管综合实验仪实验指导书光敏二三极管综合实验仪实验指导书- 24 -ARL10-30V可调VEC图 9-3 光敏三极管实验测量电路（注意：光敏三极管的（注意：光敏三极管的 C 对应光路结构上的蓝色插孔，对应光路结构上的蓝色插孔，E 对应光路结构上的绿色插孔。对应光路结构上的绿色插孔。 ）2、电压表换至“20V”档，电流表换至“200uA”档，逆时针旋动“电源调节”旋钮至不可调位置。3、接好箱体交流电源，打开电源开关，调节“电源调节”旋钮，使电压表示数为

57、 6V，此时电流表示数即为光敏三极管电流暗电流值。4、将“电源调节”旋钮逆时针旋至不可调位置，关闭实验仪电源。光敏二三极管综合实验仪实验指导书光敏二三极管综合实验仪实验指导书- 25 -实验十实验十 光敏三极管光电流测量光敏三极管光电流测量一、实验目的一、实验目的1、了解光敏三极管的工作原理、使用方法及用途；2、掌握光敏三极管的光电流定义及其测试方法。二、实验内容二、实验内容1、光敏三极管光电流测试三、实验仪器三、实验仪器光敏二三极管综合实验仪 一台连接导线 若干四、实验原理四、实验原理光敏三极管的工作有两个过程，一是光电转换；二是光电流放大。光电转换过程是在 b-c 结内进行，它与一般光敏二

58、极管相同。当集电极加上相对于发射极为正向电压而基极开路时（图 10-1（b） ） ，则 b-c 结处于反向偏压状态。无光照时，由于热激发而产生的少数载流子，电子从基极进入集电极，空穴则从集电极移向基极，在外电路中有电流（即暗电流）流过。当光照射基区时，在该区产生电子-空穴对，光生电子在内电场作用下漂移到集电极，形成光电流，这一过程类似于光敏二极管。与此同时。空穴则留在基区，使基区的电位升高，发射极便有大量电子经基极流向集电极，总的集电极电流为pppc1IIII）（式中 为共发射极电流放大倍数。因此，光敏三极管等效于一个光敏二极管与一般晶体基极-集电极结的并联。它是把基极-集电极光敏二极管的电流

59、（光电流 IP）放大 倍的光伏探测器，可用图 10-1（c）来表示。(a)(b)(c)ebhNPNchebcRLVAbecIPIP(1+)IP图 10-1 光敏三极管结构及工作原理（a）结构示意图 （b）光电变换原理 （c）电流放大作用五、实验注意事项五、实验注意事项1、连线之前要保证电源关闭。光敏二三极管综合实验仪实验指导书光敏二三极管综合实验仪实验指导书- 26 -2、打开电源之前，将“电源调节”旋钮逆时针调至最小值。3、若照度计、电流表或电压表显示为“1”时说明超出当前量程，应选择合适的量程再测量。4、严禁将任何电源对地短路。六、实验步骤六、实验步骤1、按照图 10-2 所示连接电路，将

60、脉冲发生单元 S1、S2、S3 开关拨向上。ARL10-30V可调VEC图 10-2 光敏三极管光电流测试（注意：光敏三极管的（注意：光敏三极管的 C 对应光路结构上的蓝色插孔，对应光路结构上的蓝色插孔，E 对应光路结构上的绿色插孔。对应光路结构上的绿色插孔。 ）2、照度计换至“200lx”档，电压表换至“20V”档，电流表换至“200uA”档，逆时针旋动“电源调节”旋钮至不可调位置。3、打开实验仪电源，调节照度计“调零”旋钮，至照度计显示为“00.0”为止，关闭实验仪电源。4、连接光路结构红色插孔至照度计输入“+”插孔，连接光路结构上的黑色插孔至照度计输入“GND”插孔。5、打开实验仪电源，