光電器件特性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)一光電轉(zhuǎn)換特性測(cè)試一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜OS圖象傳感器工作原理，初步掌握SSPA器件光電轉(zhuǎn)換特性曲線的測(cè)試方法。二、 實(shí)驗(yàn)原理1、 熟悉SSPA驅(qū)動(dòng)電路板。2、 波形觀察和記錄。按規(guī)定給驅(qū)動(dòng)板加上直流電源，用均勻直流光源照明SSPA器件，用脈沖示波器觀察并記錄器件工作波形及其相互位相關(guān)系、高低電平或幅度，包括S、4、4、V、Eost1 2o等信號(hào)。3、 光電轉(zhuǎn)換特性測(cè)試（見(jiàn)圖1）。圖1光電轉(zhuǎn)換特性測(cè)試裝置圖測(cè)試條件：①光源：2856。K鎢燈（用白熾小燈泡代替）。R=10K,C=51pFf=100KHz記錄積分時(shí)間T血（ms）三、 使用儀器、材料穩(wěn)壓源，光源（白熾燈），照度計(jì)，SSPA驅(qū)動(dòng)電路板，示波器，滑座支架。四、 實(shí)驗(yàn)步驟1、 由小到大改變光源（改變光強(qiáng)與器件之間的距離以及白熾燈本身自帶的控制亮度的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)），用示波器觀測(cè)記錄各光強(qiáng)下的視頻輸出匕幅度（mV）及對(duì)應(yīng)的照度H的值（匕），列表記錄（線性區(qū)至少取5個(gè)點(diǎn)，飽和區(qū)取3個(gè)點(diǎn)）。2、 用坐標(biāo)紙做出散點(diǎn)圖，擬合并繪出H?匕光電轉(zhuǎn)換曲線，標(biāo)出曲線上的特征點(diǎn)。五、 實(shí)驗(yàn)過(guò)程原始記錄（數(shù)據(jù)、圖表、計(jì)算等）1、連接好電路及各實(shí)驗(yàn)裝置，觀察并記錄SSPA器件工作波形（S、4、4、t1 2匕、Eos等），結(jié)果如下圖所示：VoKJNJM24mVS IIIt I I IEOS U ； V UT 12mV01t48mV0248mV5pfl,5|is*|圖2SSPA器件工作波形2、實(shí)驗(yàn)測(cè)得的原始數(shù)據(jù)如表1所示：表1光電轉(zhuǎn)換特性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)H(Lx)3.764.165.236.256.949.4711.4413.89V(mV)1012141518222222由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到H?V的曲線圖:o3、 由曲線圖可以得到U=22mV,H=9.47Lx。記錄的積分時(shí)間：世 sT=(2.5+1.5)x0.5ms=2ms。飽和曝光量E=HxT=9.47x2x10-3=1.894x10-2L-s靈敏度S=V°/Es=2/1.894x10-2T161x103tnV'(Lx-s)4、 通過(guò)H~V曲線，簡(jiǎn)要分析SSPA工作特性。由H?V。曲線得出，當(dāng)H<Hs時(shí)，SSPA器件的輸出電壓V正比于曝光量H，輸出電壓和照度具有良好線性關(guān)系，當(dāng)光照度達(dá)到H后，輸出的電壓達(dá)到最大值匕，且不再變化，這時(shí)稱H為飽和曝光量，匕稱為飽和電壓。實(shí)驗(yàn)二不均勻性、暗信號(hào)及動(dòng)態(tài)范I實(shí)驗(yàn)二不均勻性、暗信號(hào)及動(dòng)態(tài)范I測(cè)試一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私釹SPA器件參數(shù)的定義，初步掌握其簡(jiǎn)單的測(cè)試方法。二、 實(shí)驗(yàn)原理不均勻性NU測(cè)試。圖1不均勻性測(cè)試裝置框圖測(cè)試條件：①光源：直流日光燈（用白熾燈代替）。視頻信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)板放大后測(cè)試。記錄視頻信號(hào)頻率fv（KHz），積分時(shí)間TJms）。三、使用儀器、材料 V "SSPA驅(qū)動(dòng)電路板，白熾燈，照度計(jì)，電源，示波器等。四、 實(shí)驗(yàn)步驟1、 不均勻性NU測(cè)試：加大照射在SSPA光敏面上的光強(qiáng)，使視頻輸出達(dá)到飽和值匕，，記錄fv、］t、TOC\o"1-5"\h\zLax、'min，取其平均值咋=（匕啞+D2。 _減小光強(qiáng)（拉大光源與器件之間的距離）使器件輸出幅度為*=（'max+\./2，記錄視頻信號(hào)中的匕匕質(zhì)（不記第1,2位和末2位），平均值*。計(jì)算不均勻性NU值：NU=（V -V ）/Vx100%。2、暗信號(hào)及動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試 °、maX "e °無(wú)光照條件下，用示波器靈敏檔測(cè)試SSPA的視頻輸出即為暗信號(hào)匕（Vp”值），記錄其中的最大最小值匕max、匕min，即暗信號(hào)差值。 "機(jī)器可讀的動(dòng)態(tài)范圍DR按下式計(jì)算：DR=廠；△匕。\o"CurrentDocument"五、實(shí)驗(yàn)過(guò)程原始記錄（數(shù)據(jù)、圖表、計(jì)算等） "1、不均勻性NU測(cè)試①加大照射在SSPA光敏面上的光強(qiáng)，使視頻輸出達(dá)到飽和值V°、，記錄T=0.5x20日s=10日s，貝Vf=100KHz匕徂=（5.5+0.8）x0.2ms=1.26msV =4.2X0.5=2.1V,V.=3.8x0.5V=1.9V則T=吮疽匕"2弟減小光強(qiáng)，記錄信號(hào)V =5.2X0.2=1.04V,V.=4.8x0.2=0.96V,貝QV=1V。不均勻性NU值：NU='max二minX100%=L04-0'6x100%=8/'V 1 0o2、 暗信號(hào)及動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試無(wú)光照射時(shí)，用示波器靈敏檔測(cè)試SSPA的視頻輸出即為暗信號(hào)匕max=20mV、V=16mVn^V=4mV,即暗信號(hào)差值為4mV。動(dòng)態(tài)范圍：DR=匕$，\/=2 =500。/△' （4X10-3）3、 回答問(wèn)題：如果改變測(cè)NU時(shí)的視頻信號(hào)幅度，NU值將如何變化？答：增大視頻信號(hào)幅度，NU減小；減小視頻信號(hào)幅度，NU值增大。如果采用積分、采樣保持電路，dr值如何變化？答：由動(dòng)態(tài)范圍dr的定義可知：由于積分作用大大減小了開(kāi)關(guān)尖峰噪聲，使暗信號(hào)的差值^Vd減到比較小，因而使機(jī)器可讀出的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大。4、 補(bǔ)充問(wèn)題測(cè)頭發(fā)的直徑？答：從示波器里看出，一根頭發(fā)占據(jù)了3格的寬度，由于SSPA是128位的，因此其每格為50^m，所以頭發(fā)的長(zhǎng)度為150pm。實(shí)驗(yàn)五光電二極管的特性測(cè)試一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私夤怆姸O管的工作原理。掌握光電二極管基本性能的測(cè)試方法。掌握光電二極管的使用方法。二、 實(shí)驗(yàn)原理光電二極管的基本特性分為以下三方面：光照特性：在一定工作偏壓下，光電二極管的輸出電流i和照度e之間的關(guān)系。測(cè)試電路如圖1。 v伏安特性：指在一定照度下，光電二極管的光電流與偏壓的關(guān)系。測(cè)試如圖1。圖1光照、伏安特性測(cè)試電路三、 實(shí)驗(yàn)器材：白熾燈1臺(tái)，光電二極管2CU1支，照度計(jì)1臺(tái)，萬(wàn)用表1臺(tái)，電阻若干，實(shí)驗(yàn)板1塊，導(dǎo)線若干。四、 實(shí)驗(yàn)步驟：光電二極管光照特性的測(cè)試。錯(cuò)誤!未找到引用源。判斷光電二極管的極性，按圖1連接電路。選擇適當(dāng)?shù)钠珘篤，和負(fù)載電阻\。按表1的要求將測(cè)試換算結(jié)果逐點(diǎn)填入表中。 ° l改變偏壓V或負(fù)載rl，觀察光電二極管光照特性的變化。光電二極管伏安特性的測(cè)試。錯(cuò)誤!未找到引用源。按圖1接線，將電流計(jì)串入回路中。②調(diào)定合適的rl，記錄結(jié)果。五、 實(shí)驗(yàn)過(guò)程原始記錄（數(shù)據(jù)、圖表、計(jì)算等）光電二極管的光照特性測(cè)試的實(shí)驗(yàn)記錄表1光電二極管在七10，RL=3K。條件下的光照特性實(shí)驗(yàn)記錄 ; ° L 光電二極管 在匕=1（￥，RL=3K。條件下Ev（Lx）13320930341553263580092910651234

V(mv)5.010.22439.957.467.977.686.4101.2110.4―0 I" ^ 1.673.4813.319.1322.6325.8728.833.7336.8光電二極管的光照特性測(cè)試數(shù)據(jù)所得E-V、E-I曲線如圖:EW圖 E-1圖]2Cffia?頗顧fl2fl40的30面1M 0S典1$M叫胡邪*呻|圖3圖3光電二極管在Vc=1(V,Rl=75。條件下的光照特性測(cè)試結(jié)果光電二極管在光電二極管在V=10/,R=3K。條件下4,(mAP\V&)0C24L68101214500101011111111121210001920202121212222表3光電二極管的光照特性實(shí)驗(yàn)記錄圖2光電二極管在Vc=1(V,Rl=3K。條件下的光照特性測(cè)試結(jié)果表2光電二極管在V=1(,R=75。條件下的光照特性實(shí)驗(yàn)記錄光電二極管c L 在V=10/,R=75。條件下EV(Lx)13-217217307426554856103912321775V^(mv)00.20.40.60.81.31.51.93.1I" ^ 02.675.338.010.6717.332025.3341.33150024252525262626262000282930303031313125003334353536363637光電二極管伏安特性曲線如下： 光安■性曲就R.=那一 此驟5PVLK3)圖4光電二極管伏安特性曲線3、回答下列問(wèn)題：R固定，V改變，光照特性曲線變化否？V固定，R改變，光電二極管光照特性曲TOC\o"1-5"\h\zL c c L線變化否？答：R固定，V改變時(shí)，光電二極管耗盡層厚度隨著V改變而改變，V增大時(shí)光電L c c c流也將變大，最后趨于一個(gè)穩(wěn)定值。故光照特性曲線隨著的V減小而上移，最終趨于一c條穩(wěn)定的曲線；V固定，R改變時(shí)，負(fù)載電阻R增大，電阻的時(shí)間常數(shù)變大，光電二極c L L管的響應(yīng)速度變慢，即單位時(shí)間流過(guò)的載流子減少，導(dǎo)致光電流減小。在光照不變情況下，曲線斜率變小，即曲線變得較平緩。光電二極管偏壓為零時(shí)，為什么有光電流輸出？由于光電二極管PN結(jié)存在內(nèi)建電場(chǎng)，即使光電二極管偏壓為零，光照時(shí)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)，仍然能在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下形成漂移電流以及形成與漂移電流相同方向的擴(kuò)散電流。對(duì)于反偏的二極管，總有一定的電流流過(guò)它，即暗電流，其隨溫度升高而增大。光電二極管反向偏壓進(jìn)一步加大后，為什么光電流趨于飽和，與所加電壓幾乎無(wú)關(guān)，而僅取決于光照強(qiáng)度？在低反向電壓下，光電流隨電壓變化很敏感，這是由于反向偏置電壓使耗盡層加寬并使電場(chǎng)強(qiáng)度加強(qiáng)，從而提高了光吸收率及對(duì)載流子的搜集。電壓進(jìn)一步加大，對(duì)光生載流子收集已達(dá)極限，光生電流趨于飽和，這樣光生電流與外加反向電壓大小幾乎無(wú)關(guān)，僅取決于光照強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)六光電三極管的特性測(cè)試一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私夤怆娙龢O管的工作特點(diǎn)。掌握光電三極管基本性能的測(cè)試。學(xué)會(huì)使用光電三極管。二、 實(shí)驗(yàn)原理光電三極管的基本特性分為以下三個(gè)方面：光照特性：光電三極管在一定偏壓下，受光的照度Ev與產(chǎn)生的光電流I之間的關(guān)系。伏安特性：光電三極管在一定照度下，光電流I隨偏壓的變化。圖1光電三極管工作電路三、 實(shí)驗(yàn)器材：白熾燈1臺(tái)，光電三極管1個(gè)，照度計(jì)1臺(tái)，萬(wàn)用表1臺(tái)，電阻若干，實(shí)驗(yàn)板1塊，導(dǎo)線若干。四、 實(shí)驗(yàn)步驟：光電池光照特性的測(cè)試。9按圖1連接線路；0選擇適當(dāng)?shù)钠珘篤和負(fù)載電阻R，測(cè)試當(dāng)照度E變化時(shí)，V和I』相對(duì)應(yīng)的值。c L v o9伏安特性的測(cè)試：9按圖1連接線路，將電流計(jì)串入回路中；9記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。五、 實(shí)驗(yàn)記錄：1.光電三極管的光照特性測(cè)試的實(shí)驗(yàn)記錄光電三極管的光照特性測(cè)試數(shù)據(jù)：表1光電三極管在Vc=1（V,Rl=3K。條件下的光照特性實(shí)驗(yàn)記錄光電三極管 在Vc=1（V,%=3KQ條件下E、JLx）145207306406501615742 830 929 1129

V(mV)0.91.86.215.223.528.730.831.732.836oI/A)0.30.62.075.077.839.5710.2710.5710.9312.0光電三極管的光照特性測(cè)試數(shù)據(jù)曲線:圖2光電三極管在Vc=1(V,Rl=3K。條件下的光照特性測(cè)試結(jié)果表2光電三極管在V=1(,R=75。條件下的光照特性實(shí)驗(yàn)記錄光電三極管c L 在v=1(y,R=75。條件下E(Lx)143196242(282400L5006248159541164—v V(mV)0.050.090.150.20.370.470.720.810.860.93―o 、啤)0.671.22.02.674.936.279.610.811.4712.4光電三極管的光照特性測(cè)試數(shù)據(jù)曲線:圖3光電三極管在"1(,Rl=75。條件下的光照特性測(cè)試結(jié)果光電三極管伏安特性的實(shí)驗(yàn)記錄表3光電三極管在V=1(V,R=75。條件下的光照特性實(shí)驗(yàn)記錄光電三極管 在V=1(V,R=3K。條件下&)0c24L681012145003.08.19.310.912.214.217.220.410007.218.521.223.927.631.437.845.4150014.148.255.262.269.480.295.2111.2光電三極管伏安特性測(cè)試數(shù)據(jù)曲線:圖4光電三極管伏安特性測(cè)試數(shù)據(jù)曲線六、思考總結(jié)光電三極管與光電二極管各有什么優(yōu)缺點(diǎn)。它們都具有高頻性能好、量子效率高、靈敏度高、偏置電壓低、功耗小、線性范圍大、體積小、質(zhì)量輕和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。兩者比較而言，（1） 光電二極管光照特性的線性比較好，而光電三極管光照特性曲線的線性比較差。（2） 由于光電三極管有放大作用，在相同照度下，它的光電流和靈敏度要比光電二極管的大幾十倍。（3） 在零偏值時(shí)，光電二極管能產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，電路中有電流，而這時(shí)光電三極管的集電結(jié)雖然也能產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，但因?yàn)榧娊Y(jié)無(wú)反向偏壓，就沒(méi)有電流放大作用。（4） 光電三極管響應(yīng)時(shí)間要比光電二極管長(zhǎng)，頻率響應(yīng)較低，一般不易在寬帶的光通信等系統(tǒng)中作探測(cè)器。光電三極管若采用較小的發(fā)射區(qū)面積，是有利于對(duì)弱光的檢測(cè)還是強(qiáng)光的檢測(cè)?反之則如何？光電三極管若采用較小的發(fā)射區(qū)面積，則有利于對(duì)強(qiáng)光的檢測(cè)。因?yàn)榘l(fā)射區(qū)面積小，PN結(jié)獲得的光能少，弱光可能無(wú)法激勵(lì)出足夠的空穴一電子對(duì)。反之，光電三極管若采用較大的發(fā)射區(qū)面積，則有利于對(duì)弱光的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)七光電池的特性測(cè)試一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私夤怆姵氐墓ぷ魈攸c(diǎn)。掌握光電池基本性能的測(cè)試方法。學(xué)會(huì)使用光電池。二、 實(shí)驗(yàn)原理光照特性：光電池的光生電動(dòng)勢(shì)和光電流與照度的關(guān)系。圖1光電池工作電路三、 使用儀器、材料白熾燈1臺(tái)，光電池1塊，照度計(jì)1臺(tái)，萬(wàn)用表1臺(tái)，不同阻值的電阻2-3個(gè)，實(shí)驗(yàn)板1塊，導(dǎo)線若干。四、 實(shí)驗(yàn)步驟1.光電池光照特性的測(cè)試Q光電池的兩端不接負(fù)載，測(cè)試E變化