光電二三極管特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)報(bào)告材料

實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案光敏二極管特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.學(xué)習(xí)光電器件的光電特性、伏安特性的測(cè)試方法；2.掌握光電器件的工作原理、適用范圍和應(yīng)用基礎(chǔ)。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、光電二極管暗電流測(cè)試實(shí)驗(yàn)、光電二極管光電流測(cè)試實(shí)驗(yàn)、光電二極管伏安特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)、光電二極管光電特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)、光電二極管時(shí)間特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)、光電二極管光譜特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)、光電三極管光電流測(cè)試實(shí)驗(yàn)、光電三極管伏安特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)、光電三極管光電特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)、光電三極管時(shí)間特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)、光電三極管光譜特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)三、實(shí)驗(yàn)儀器1、光電二三極管綜合實(shí)驗(yàn)儀1個(gè)2、光通路組件1套3、光照度計(jì)1個(gè)精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案4、電源線(xiàn)1根5、2#迭插頭對(duì)（紅色，50cm）10根6、2#迭插頭對(duì)（黑色，50cm）10根7、三相電源線(xiàn)1根8、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)1本四、實(shí)驗(yàn)原理、概述隨著光電子技術(shù)的發(fā)發(fā)展 ,光電檢測(cè)在靈敏度、光譜響應(yīng)范圍及頻率我等技術(shù)方面要求越來(lái)越高，為此，近年來(lái)出現(xiàn)了許多性能優(yōu)良的光伏檢測(cè)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(chēng)光敏二極管和三敏三極管。光敏二極管的種類(lèi)很多，就材料來(lái)分，有鍺、硅制作的光敏二極管，也有 III－V族化合物及其他化合物制作的二極管。從結(jié)構(gòu)我來(lái)分，有 PN結(jié)、PIN結(jié)、異質(zhì)結(jié)、肖特基勢(shì)壘及點(diǎn)接觸型等。從對(duì)光的響應(yīng)來(lái)分，有用于紫外光、紅外光等種類(lèi)。不同種類(lèi)的光敏二極管，具胡不同的光電特性和檢測(cè)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(yīng)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(kuò)散型PN結(jié)光敏二極管相比具有很短的時(shí)間響應(yīng)。 因此，在使用光敏二極管進(jìn)要了解其類(lèi)型及性能是非常重要的。精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案光敏二極管和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè) PN結(jié)。與光電池相比，它的突出特點(diǎn)是結(jié)面積小，因此它的頻率特性非常好。 光生電動(dòng)勢(shì)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(shí)驗(yàn)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(yīng)，和光敏電阻的差別僅在于光線(xiàn)照射在半導(dǎo)體 PN結(jié)上，PN結(jié)參與了光電轉(zhuǎn)換過(guò)程。、光電二三極管的工作原理光生伏特效應(yīng)：光生伏特效應(yīng)是一種內(nèi)光電效應(yīng)。 光生伏特效應(yīng)是光照使不均勻半導(dǎo)體或均勻半導(dǎo)體中光生電子和空穴在空間分開(kāi)而產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。 對(duì)于不均勻半導(dǎo)體，由于同質(zhì)的半導(dǎo)體不同的摻雜形成的 PN結(jié)、不同質(zhì)的半導(dǎo)體組成的異質(zhì)結(jié)或金屬與半導(dǎo)體接觸形成的肖特基勢(shì)壘都存在內(nèi)建電場(chǎng)， 當(dāng)光照射這種半導(dǎo)體時(shí)，由于半導(dǎo)體對(duì)光的吸收而產(chǎn)生了光生電子和空穴， 它們?cè)趦?nèi)建電場(chǎng)的作用下就會(huì)向相反的方向移動(dòng)和聚集而產(chǎn)生電位差。 這種現(xiàn)象是最重要的一類(lèi)光生伏特效應(yīng)。均勻半導(dǎo)體體內(nèi)沒(méi)有內(nèi)建電場(chǎng)， 當(dāng)光照射時(shí)，因眼光生載流子濃度梯度不同而引起載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)， 且電子和空穴的遷移率不相等， 使兩種載流子擴(kuò)散速度的不同從而導(dǎo)致兩種電荷分開(kāi)， 而出現(xiàn)光生電勢(shì)。這種現(xiàn)象稱(chēng)為丹倍效應(yīng)。此外，如果存在外加磁場(chǎng)，也可使得擴(kuò)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(shì)。通常把丹倍效應(yīng)和光磁電效應(yīng)成為體積光生伏特效應(yīng)。 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(xiàn)通過(guò)精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案透鏡制成的窗口，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。IcVNcEPeIΦN+-EU0RLμAa)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(hào)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(shí)，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(wú)光照時(shí)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(dāng)光照PN結(jié)時(shí)，只要光子能量h大于材料的禁帶寬度，就會(huì)在PN結(jié)及其附近產(chǎn)生光生電子—空穴對(duì)，從而使 P區(qū)和N區(qū)少數(shù)載流子濃度大大增加，它們?cè)谕饧臃聪螂妷汉?PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)，分別在兩個(gè)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(duì)的濃度將相應(yīng)變動(dòng)， 通過(guò)外電路的光電流強(qiáng)度也會(huì)隨之變動(dòng)， 光敏二極管就把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電信號(hào)。光敏三極管有兩個(gè) 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(dāng)光敏三極管按圖 3（b）所示的電路連接時(shí)，它的集電結(jié)反向偏置，發(fā)射結(jié)正向偏置，無(wú)光照時(shí)僅有很小的穿透電流流過(guò)，當(dāng)光線(xiàn)通過(guò)透明窗口照射集電結(jié)時(shí)，和光敏二極管的情況相似，將使流過(guò)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(fù)合， 而大部分電子將穿過(guò)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(gè)過(guò)程與普通三極管的精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)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+β)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(chǔ)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)使用電路及等效電路如圖4所示。+光SiO2CBEECIΨβIΨPNEJRLBN＋(1+β)iVE-(a)光敏三級(jí)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(gè)光電二極管與另一個(gè)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iφ控制。集電極起雙重作用：把光信號(hào)變成電信號(hào)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(gè)電極，體積小，光電特性是非線(xiàn)性的，廣泛應(yīng)用于光電自動(dòng)控制作光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用。、光電二三極管的基本特性（1）暗電流光電二三極管在一定偏壓，當(dāng)沒(méi)有光照的情況下，即黑暗環(huán)境中，所測(cè)得的電流值即為光電二、三極管的暗電流。（2）光電流精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案光電二極管在一定偏壓，當(dāng)有光電照的情況下， 所測(cè)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(dāng)入射光的強(qiáng)度發(fā)生變化，通過(guò)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(fù)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(xiàn)性關(guān)系；在無(wú)偏壓工作狀態(tài)下，只有RL較小時(shí)光電流與入照光功率成正比， RL增大時(shí)光電流與光功率呈非線(xiàn)性關(guān)系。圖5光電二極管的光照特性（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(guān)系稱(chēng)為伏安特性。光電二極管的伏安特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式如