光電二三極管特性測試實驗報告材料

1、實用標準文案光敏二極管特性測試實驗一、實驗目的1. 學習光電器件的光電特性、伏安特性的測試方法；2. 掌握光電器件的工作原理、適用范圍和應用基礎。二、實驗內(nèi)容1、光電二極管暗電流測試實驗2、光電二極管光電流測試實驗3、光電二極管伏安特性測試實驗4、光電二極管光電特性測試實驗5、光電二極管時間特性測試實驗6、光電二極管光譜特性測試實驗7、光電三極管光電流測試實驗8、光電三極管伏安特性測試實驗9、光電三極管光電特性測試實驗10、光電三極管時間特性測試實驗11、光電三極管光譜特性測試實驗三、實驗儀器1、光電二三極管綜合實驗儀1個2、光通路組件1套3、光照度計1個4、電源線1根5、2#迭插頭對（紅色，

2、 50cm）10根6、2#迭插頭對（黑色， 50cm）10根7、三相電源線1根8、實驗指導書1本四、實驗原理1、概述精彩文檔實用標準文案隨著光電子技術的發(fā)發(fā)展, 光電檢測在靈敏度、光譜響應范圍及頻率我等技術方面要求越來越高，為此， 近年來出現(xiàn)了許多性能優(yōu)良的光伏檢測器，如硅鍺光電二極管、 PIN 光電二極管和雪崩光電二極管（APD）等。光敏晶體管通常指光電二極管和光電三極管，通常又稱光敏二極管和三敏三極管。光敏二極管的種類很多，就材料來分，有鍺、硅制作的光敏二極管，也有IIIV 族化合物及其他化合物制作的二極管。從結(jié)構(gòu)我來分，有PN結(jié)、PIN 結(jié)、異質(zhì)結(jié)、肖特基勢壘及點接觸型等。從對光的響應來

3、分，有用于紫外光、紅外光等種類。不同種類的光敏二極管，具胡不同的光電特性和檢測性能。例如，鍺光敏二極管與硅光敏二極管相比，它在紅外光區(qū)域有很大的靈敏度，如圖所示。 這是由于鍺材料的禁帶寬度較硅小， 它的本征吸收限處于紅外區(qū)域， 因此在近紅外光區(qū)域應用；再一方面， 鍺光敏二極管有較大的電流輸出， 但它比硅光敏二極管有較大的反向暗電流，因此，它的噪聲較大。又如， PIN 型或雪崩型光敏二極管與擴散型 PN結(jié)光敏二極管相比具有很短的時間響應。因此，在使用光敏二極管進要了解其類型及性能是非常重要的。光敏二極管和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個 PN結(jié)。與光電池相比，它的突出特點是結(jié)面積小，因此它的頻率特

4、性非常好。 光生電動勢與光電池相同， 但輸出電流普遍比光電池小， 一般為數(shù)微安到數(shù)十微安。 按材料分，光敏二極管有硅、砷化鉛光敏二極管等許多種，由于硅材料的暗電流溫度系數(shù)較小，工藝較成熟，因此在實驗際中使用最為廣泛。光敏三極管與光敏二極管的工作原理基本相同，工作原理都是基于內(nèi)光電效應，和光敏電阻的差別僅在于光線照射在半導體 PN結(jié)上，PN結(jié)參與了光電轉(zhuǎn)換過程。2、光電二三極管的工作原理光生伏特效應： 光生伏特效應是一種內(nèi)光電效應。光生伏特效應是光照使不均勻半導體或均勻半導體中光生電子和空穴在空間分開而產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。對于不均勻半導體，由于同質(zhì)的半導體不同的摻雜形成的 PN結(jié)、不同質(zhì)的半導體組

5、成的異質(zhì)結(jié)或金屬與半導體接觸形成的肖特基勢壘都存在內(nèi)建電場， 當光照射這種半導體時，由于半導體對光的吸收而產(chǎn)生了光生電子和空穴， 它們在內(nèi)建電場的作用下就會向相反的方向移動和聚集而產(chǎn)生電位差。 這種現(xiàn)象是最重要的一類光生伏特效應。均勻半導體體內(nèi)沒有內(nèi)建電場， 當光照射時， 因眼光生載流子濃度梯度不同而引起載流子的擴散運動， 且電子和空穴的遷移率不相等， 使兩種載流精彩文檔實用標準文案子擴散速度的不同從而導致兩種電荷分開，而出現(xiàn)光生電勢。 這種現(xiàn)象稱為丹倍效應。此外，如果存在外加磁場， 也可使得擴散中的兩種載流子向相反方向偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生光生電勢。 通常把丹倍效應和光磁電效應成為體積光生伏特效應。

6、光電二極管和光電三極管即為光電伏特器件。光敏二極管的結(jié)構(gòu)和普通二極管相似，只是它的PN結(jié)裝在管殼頂部，光線通過透鏡制成的窗口，可以集中照射在PN結(jié)上，圖 2（a）是其結(jié)構(gòu)示意圖。光敏二極管在電路中通常處于反向偏置狀態(tài)，如圖2（b）所示。I cVNcEI PeN+-EU0RL Aa)b)圖2 光敏二極管圖3 光敏三極管a) 結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號 b)基本電路a) 結(jié)構(gòu)示意圖 b)基本電路我們知道， PN結(jié)加反向電壓時，反向電流的大小取決于P 區(qū)和 N 區(qū)中少數(shù)載流子的濃度，無光照時 P 區(qū)中少數(shù)載流子 ( 電子 ) 和 N 區(qū)中的少數(shù)載流子 ( 空穴 ) 都很少，因此反向電流很小。但是當光照PN

7、結(jié)時，只要光子能量h 大于材料的禁帶寬度，就會在 PN結(jié)及其附近產(chǎn)生光生電子空穴對，從而使P 區(qū)和 N 區(qū)少數(shù)載流子濃度大大增加，它們在外加反向電壓和PN結(jié)內(nèi)電場作用下定向運動，分別在兩個方向上渡越PN結(jié)，使反向電流明顯增大。如果入射光的照度變化，光生電子空穴對的濃度將相應變動， 通過外電路的光電流強度也會隨之變動， 光敏二極管就把光信號轉(zhuǎn)換成了電信號。光敏三極管有兩個 PN結(jié)，因而可以獲得電流增益，它比光敏二極管具有更高的靈敏度。其結(jié)構(gòu)如圖 3（a）所示。當光敏三極管按圖 3（b）所示的電路連接時，它的集電結(jié)反向偏置，發(fā)射結(jié)正向偏置，無光照時僅有很小的穿透電流流過， 當光線通過透明窗口照射集

8、電結(jié)時，和光敏二極管的情況相似， 將使流過集電結(jié)的反向電流增大， 這就造成基區(qū)中正電荷的空穴的積累， 發(fā)射區(qū)中的多數(shù)載流子 ( 電子 ) 將大量注人基區(qū)， 由于基區(qū)很薄，只有一小部分從發(fā)射區(qū)注入的電子與基區(qū)的空穴復合， 而大部分電子將穿過基區(qū)流向與電源正極相接的集電極， 形成集電極電流。 這個過程與普通三極管的精彩文檔實用標準文案電流放大作用相似，它使集電極電流是原始光電流的 (l+ ) 倍。這樣集電極電流將隨入射光照度的改變而更加明顯地變化。在光敏二極管的基礎上， 為了獲得內(nèi)增益，就利用了晶體三極管的電流放大作用，用 Ge或 Si 單晶體制造 NPN或 PNP型光敏三極管。其結(jié)構(gòu)使用電路及等

9、效電路如圖 4所示。+光SiO2CBEECIIPNEJRLBN(1+ )iVE -(a) 光敏三級管結(jié)構(gòu)(b) 使用電路(c) 等效電路圖 4 光敏三極管結(jié)構(gòu)及等效電路光敏三極管可以等效一個光電二極管與另一個一般晶體管基極和集電極并聯(lián)：集電極 - 基極產(chǎn)生的電流，輸入到三極管的基極再放大。不同之處是，集電極電流（光電流）由集電結(jié)上產(chǎn)生的 i控制。集電極起雙重作用：把光信號變成電信號起光電二極管作用； 使光電流再放大起一般三極管的集電結(jié)作用。 一般光敏三極管只引出 E、 C 兩個電極，體積小，光電特性是非線性的，廣泛應用于光電自動控制作光電開關應用。3、光電二三極管的基本特性（ 1）暗電流光電二

10、三極管在一定偏壓，當沒有光照的情況下，即黑暗環(huán)境中，所測得的電流值即為光電二、三極管的暗電流。（ 2）光電流光電二極管在一定偏壓，當有光電照的情況下，所測得的電流值即為光電二、三極管在某特定光照下的光電流。（ 3）光照特性光電二極管在一定偏壓下， 當入射光的強度發(fā)生變化， 通過光電二三極管的電流隨之變化，即為光電二、三極管的光照特性。反向偏壓工作狀態(tài)下，在外加電壓E 和負載電阻RL 的很大變化范圍內(nèi)，光電流與入照光功率均具有很好的線性關精彩文檔實用標準文案系；在無偏壓工作狀態(tài)下，只有 RL較小時光電流與入照光功率成正比， RL 增大時光電流與光功率呈非線性關系。圖 5 光電二極管的光照特性（

11、4）伏安特性在一定光照條件下，光電二、三極管的輸出光電流與偏壓的關系稱為伏安特性。光電二極管的伏安特性的數(shù)學表達式如下：I=I01 exp (qV/kT) IL其中 I0 是無光照的反向飽和電流， V 是二極管的端電壓（正向電壓為正，反向電壓為負），q 為電子電荷， k 為波耳茲常數(shù)， T 為 PN結(jié)的溫度，單位為 K，IL為無偏壓狀態(tài)下光照時的短路電流，它與光照時的光功率成正比。 ( 光電二極管的伏安特性如下圖所示 )3Ee=20000l x)Am10000lx(Ic25000lx2000lx11000lx-4-8-12V(V)圖 6 光電二三極管的伏安特性曲線（ 5）響應時間特性光敏晶體管

12、受調(diào)制光照射時， 相對靈敏度與調(diào)制頻率的關系稱為頻率特性。 如圖7 所示。減少負載電阻能提高響應頻率，但輸出降低。一般來說，光敏三極管的頻響比光敏二極管差得多，鍺光敏三極管的頻響比硅管小一個數(shù)量級。實驗證明，光電器件的信號的產(chǎn)生和消失不能隨著光強改變而立刻變化，會有一精彩文檔實用標準文案定的惰性，這種惰性通常用時間常數(shù)表示。 即當入射輻射到光電探測器后或入射輻射遮斷后，光電探測器的輸出升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需時間稱為響應時間。為衡量其長短， 常用時間常數(shù)的大小來表示。 當用一個輻射脈沖光電探測器，如果這個脈沖的上升和下降時間很短， 如方波，則光電探測器的輸出由于器件的惰性而有延遲，把從

13、 10%上升到 90%峰值處所需的時間稱為探測器的上升時間，而把從 90%下降到 10%所需的時間稱為下降時間。如圖所示(a)10.90.1t上t 下t(b)圖 7 上升時間和下降時間（ a）入射光脈沖方波（ b）響應時間（ 6）光譜特性一般光電二三極管的光譜響應特性表示在入射光能量保持一定的條件下， 光電二三極管在一定偏壓下所產(chǎn)生光電流與入射光波長之間的關系。 一般用相對響應表示，實驗中光電二三極秘的響應范圍為 4001100nm，峰值波長為 800900nm，由于實驗儀器所提供的波長范圍為 400650nm，因此，實驗所測出的光譜響應曲線呈上升趨勢。五、注意事項1、當電壓表和電流表顯示為“

14、1”是說明超過量程，應更換為合適量程；2、連線之前保證電源關閉。精彩文檔實用標準文案3、實驗過程中，請勿同時撥開兩種或兩種以上的光源開關，這樣會造成實驗所測試的數(shù)據(jù)不準確。4、光電二極管偏壓不要接反。六、實驗步驟下面的實驗內(nèi)容為光電二極管的實驗內(nèi)容，實驗之前請拆卸結(jié)構(gòu)件， 將光電二極管結(jié)構(gòu)件裝入對應光器件插座中。1、光電二極管暗電流測試實驗裝置原理框圖如圖8 所示，但是在實際操作過程中， 光電二極管和光電三極管的暗電流非常小，只有nA 數(shù)量級。這樣，實驗操作過程中，對電流表的要求較高，本實驗中，采用電路中串聯(lián)大電阻的方法，將圖8 中的 RL 改為 20M，再利用歐姆定律計算出支路中的電流即為所

15、測器件的暗電流，如圖8 所示。I暗V/RL圖 8（ 1）組裝好光通路組件，將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負極對應相連（紅為正極， 黑為負極），將光源調(diào)制單元 J4 與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（ 2）“光源驅(qū)動單元”的三擲開關 BM2撥到“靜態(tài)特性”，將撥位開關 S1，S2，S3，S4，S5，S6， S7 均撥下。（ 3）“光照度調(diào)節(jié)”調(diào)到最小，連接好光照度計，直流電源調(diào)至最小，打開照度計，此時照度計的讀數(shù)應為 0。（ 4）將電壓表直接與電源兩端相連，打開電源調(diào)節(jié)直流電源電位器，使得電壓輸出為 15V，關閉電源。（注意：在下面的實驗操作中請不要動電源調(diào)節(jié)電位器， 以保

16、證直流電源輸出電精彩文檔實用標準文案壓不變）（ 5）按圖 8 所示的電路連接電路圖，負載 RL選擇 RL15=20M。（ 6）打開電源開關，等電壓表讀數(shù)穩(wěn)定后測得負載電阻RL上的壓降 V 暗，則暗電流 L 暗=V 暗/RL。所得的暗電流即為偏置電壓在15V 時的暗電流 .( 注: 在測試暗電流時 , 應先將光電器件置于黑暗環(huán)境中30 分鐘以上 , 否則測試過程中電壓表需一段時間后才可穩(wěn)定)（ 7）實驗完畢，直流電源調(diào)至最小, 關閉電源，拆除所有連線。2、光電二極管光電流測試實驗裝置原理圖如圖9 所示。圖 9（ 1）組裝好光通路組件，將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負極對應相連（紅為

17、正極， 黑為負極），將光源調(diào)制單元 J4 與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（ 2）“光源驅(qū)動單元”的三擲開關 BM2撥到“靜態(tài)特性”，將撥位開關 S1撥上，S2，S3，S4，S5， S6，S7 均撥下。（ 3）按圖 9 連接電路圖， RL 取 RL4=1K歐。（ 4）打開電源 , 緩慢調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)電位器， 直到光照為 300lx（約為環(huán)境光照），緩慢調(diào)節(jié)直流調(diào)節(jié)電位器到電壓表顯示為 6V，請出此時電流表的讀數(shù)，即為光電二極管在偏壓 6V，光照 300lx 時的光電流。（ 5）實驗完畢，將光照度調(diào)至最小，直流電源調(diào)至最小，關閉電源，拆除所有連線。3、光電二極管光照特性精彩文檔實用標準文

18、案實驗裝置原理框圖如圖9 所示。（ 1）組裝好光通路組件，將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負極對應相連（紅為正極， 黑為負極），將光源調(diào)制單元 J4 與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（ 2）“光源驅(qū)動單元”的三擲開關 BM2撥到“靜態(tài)”，將撥位開關 S1 撥上， S2，S3，S4，S5，S6， S7 均撥下。（ 3）按圖 9 所示的電路連接電路圖，負載 RL選擇 RL4=1K歐。（ 4）將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)至最小值位置。打開電源，調(diào)節(jié)直流電源電位器，直到顯示值為 8V 左右，順時針調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)電位器，增大光照度值，分別記下不同照度下對應的光生電流值， 填入下表。

19、 若電流表或照度計顯示為“ 1”時說明超出量程，應改為合適的量程再測試。光照度（ Lx） 0100300500700800光生電流（ A）（ 5）將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)到最小值位置后關閉電源。（ 6）將以上連接的電路中改為如下圖 10 連接（即 0 偏壓），RL 取 RL4=1K歐。圖 10光照度（Lx） 0100300500700800精彩文檔實用標準文案光生電流（7）打開電源，（ A）順時針調(diào)節(jié)該光照度調(diào)節(jié)旋鈕，增大光照度值，分別記下不同照度下對應的光生電流值，填入下表。若電流表或照度計顯示為“ 1”時說明超出量程，應改為合適的量程再測試。（ 8）根據(jù)上面兩表中實驗數(shù)據(jù)，在同一坐標

20、軸中作出兩條曲線，并進行比較。（ 9）實驗完畢，將光照度調(diào)至最小，直流電源調(diào)至最小，關閉電源，拆除所有連線。4、光電二極管伏安特性實驗裝置原理框圖如圖8 所示。圖 9（ 1）組裝好光通路組件，將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負極對應相連（紅為正極， 黑為負極），將光源調(diào)制單元 J4 與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（ 2）“光源驅(qū)動單元”的三擲開關 BM2撥到“靜態(tài)”，將撥位開關 S1 撥上， S2，S3，S4，S5，S6， S7 均撥下。（ 4）按圖 9 所示的電路連接電路圖，負載RL選擇 RL5=2K歐。精彩文檔實用標準文案（ 5）打開電源順時針調(diào)節(jié)照度調(diào)節(jié)旋鈕，使照度

21、值為 500Lx，保持光照度不變，調(diào)節(jié)電源電壓電位器，使反向偏壓為 0V、2V，4V、 6V、8V、 10V、12V 時的電流表讀數(shù)，填入下表，關閉電源。（注意：直流電源不可調(diào)至高于20V，以免燒壞光電二極管）偏壓（ V）0-2-4-6-8-10-12（6）根據(jù)光生電流上述實驗（ A）結(jié)果，作出500Lx 照度下的光電二極管伏安特性曲線。（ 7）重復上述步驟。分別測量光電二極管在 300Lx 和 800Lx 照度下，不同偏壓下的光生電流值，在同一坐標軸作出伏安特性曲線。并進行比較（ 8）實驗完畢，將光照度調(diào)至最小，直流電源調(diào)至最小，關閉電源，拆除所有連線。5. 光電二極管時間響應特性測試（ 1

22、）組裝好光通路組件，將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負極對應相連（紅為正極， 黑為負極），將光源調(diào)制單元 J4 與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（ 2）“光源驅(qū)動單元”的三擲開關 BM2撥到“脈沖”，將撥位開關 S1 撥上， S2，S3，S4，S5，S6， S7 均撥下。（ 3）按圖 11 所示的電路連接電路圖，負載 RL選擇 RL=1K歐。（ 4）示波器的測試點應為 A 點，為了測試方便，可把示波器的測試點使用迭插頭對引至信號測試區(qū)的 TP1和 TP2，TP1與直流電源的地相連。A精彩文檔實用標準文案圖 11（ 5）打開電源，白光對應的發(fā)光二極管亮，其余的發(fā)光二極管不亮。

23、用示波器的第一通道與接 TP和 GND（即為輸入的脈沖光信號） ，用示波器的第二通道接 TP2。（ 6）觀察示波器兩個通道信號，緩慢調(diào)節(jié)直流電源電位器直到示波器上觀察到信號清晰為止，并作出實驗記錄（描繪出兩個通道波形） 。（ 7）緩慢調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)節(jié)，增大輸入脈沖的脈沖信號的寬度，觀察示波器兩個通道信號的變化，并作出實驗記錄（描繪出兩個通道的波形）并進行分析。（ 8）實驗完畢，關閉電源，拆除導線。6、光電二極管光譜特性測試當不同波長的入射光照到光電二極管上， 光電二極管就有不同的靈敏度。 本實驗儀采用高亮度 LED（白、紅、橙、黃、綠、藍、紫）作為光源，產(chǎn)生 400630nm離散光譜。光譜響應

24、度是光電探測器對單色入射輻射的響應能力。定義為在波長的單位入射功率的照射下，光電探測器輸出的信號電壓或電流信號。即為v ( )V ( )I ( )i ()P( )或P( )式中， P( ) 為波長為時的入射光功率； V ( ) 為光電探測器在入射光功率 P( )作用下的輸出信號電壓；I ( ) 則為輸出用電流表示的輸出信號電流。本實驗所采用的方法是基準探測器法，在相同光功率的輻射下，則有( )UKf ( )U f式中， U f 為基準探測器顯示的電壓值， K 為基準電壓的放大倍數(shù)，f ( ) 為基準探測器的響應度。取在測試過程中 , U f 取相同值 , 則實驗所測測試的響應度大小由 ( )

25、U f ( ) 的大小確定 . 下圖為基準探測器的光譜響應曲線。精彩文檔實用標準文案1.210.80.60.40.200200400600800100012001400圖 12基準探測器的光譜響應曲線（ 1）組裝好光通路組件，將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負極對應相連（紅為正極， 黑為負極），將光源調(diào)制單元 J4 與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（ 2）“光源驅(qū)動單元”的三擲開關 BM2撥到“靜態(tài)特性”，將撥位開關 S1，S2，S4，S3，S5，S6， S7 均撥下。（ 3）將直流電源正負極直接與電壓表相連，打開電源，調(diào)節(jié)電源電位器至電壓表為 10V，關閉電源。（ 4）按

26、如圖 13 連接電路圖， RL 取 RL10=100K歐。圖 13（ 5）打開電源，緩慢調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)電位器到最大，依次將S2，S3， S4，S5，S6，S7 撥上后撥下，記下當上述開關撥向上時, 照度計讀數(shù)最小時照度計的讀數(shù)E 作為參考。（注意：請不要同時將兩個撥位開關撥上）（ 6） S2 撥上，緩慢調(diào)節(jié)電位器直到照度計顯示為 E，將電壓表測試所得的數(shù)據(jù)填入下表，再將 S2撥下；（ 7）重復操作步驟（ 6），分別測試出橙，黃，綠，藍，紫在光照度 E 下電壓表精彩文檔實用標準文案的讀數(shù)，填入下表。波長（ nm）紅橙（605） 黃(585)綠（ 520） 藍（ 460） 紫（ 400）（630）基準響應度0.650.610.560.420.250.06R 電壓（ mV）光電流(U/R)響應度（ 8）根據(jù)所測試得到的數(shù)據(jù)，做出光電二極管的光譜特性曲線。七實驗結(jié)果1光電二極管光照特性（ 1）圖 9 條件下光照度（Lx） 01003