光電二三極管特性測試試驗報告

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光敏二極管特性測試試驗

一、試驗?zāi)康?/p>

1.學(xué)習(xí)光電器件的光電特性、伏安特性的測試方法；2.把握光電器件的工作原理、適用范圍和應(yīng)用基礎(chǔ)。二、試驗內(nèi)容

1、光電二極管暗電流測試試驗2、光電二極管光電流測試試驗3、光電二極管伏安特性測試試驗4、光電二極管光電特性測試試驗5、光電二極管時間特性測試試驗6、光電二極管光譜特性測試試驗7、光電三極管光電流測試試驗8、光電三極管伏安特性測試試驗9、光電三極管光電特性測試試驗10、光電三極管時間特性測試試驗11、光電三極管光譜特性測試試驗

三、試驗儀器

1、光電二三極管綜合試驗儀12、光通路組件13、光照度計14、電源線15、2#迭插頭對（紅色，50cm）106、2#迭插頭對（黑色，50cm）107、三相電源線18、試驗指導(dǎo)書1

四、試驗原理1、概述

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個套個根根根根本隨著光電子技術(shù)的發(fā)發(fā)展,光電檢測在靈敏度、光譜響應(yīng)范圍及頻率我等技術(shù)方面要求越來越高，為此，近年來出現(xiàn)了大量性能優(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。光敏晶體管尋常指光電二極管和光電三極管，尋常又稱光敏二極管和三敏三極管。

光敏二極管的種類好多，就材料來分，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(yīng)來分，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，如下圖。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間響應(yīng)。因此，在使用光敏二極管進(jìn)要了解其類型及性能是十分重要的。

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，因此它的頻率特性十分好。光生電動勢與光電池一致，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大量種，由于硅材料的暗電流溫度系數(shù)較小，工藝較成熟，因此在試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一致，工作原理都是基于內(nèi)光電效應(yīng)，和光敏電阻的區(qū)別僅在于光線照射在半導(dǎo)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(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而產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。對于不均勻半導(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壘都存在內(nèi)建電場，當(dāng)光照射這種半導(dǎo)體時，由于半導(dǎo)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(yīng)。均勻半導(dǎo)體體內(nèi)沒有內(nèi)建電場，當(dāng)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(kuò)散運動，且電子和空穴的遷移率不相等，使兩種載流

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子擴(kuò)散速度的不同從而導(dǎo)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(yīng)。此外，假使存在外加磁場，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。尋常把丹倍效應(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)和普通二極管相像，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尋常處于反向偏置狀態(tài)，如圖2（b）所示。

IcVNIΦ+-EPNU0RLμAceEa)b)圖2光敏二極管a)結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號b)基本電路圖3光敏三極管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(dāng)光照PN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。假使入射光的照度變化，光生電子—空穴對的濃度將相應(yīng)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(dāng)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(dāng)光線通過透明窗口照射集電結(jié)時，和光敏二極管的狀況相像，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(fù)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

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電流放大作用相像，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。

B光ESiO2EPNN＋V(a)光敏三級管結(jié)構(gòu)(b)使用電路E-EJRLBCIΨC+βIΨ(1+β)i(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iφ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(yīng)用于光電自動控制作光電開關(guān)應(yīng)用。

3、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)沒有光照的狀況下，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(dāng)有光電照的狀況下，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(dāng)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(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性關(guān)

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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(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)式如下：I=I0[1－exp(qV/kT)]＋I(xiàn)L

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(fù)），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=20Ic(mA)000lx210000lx5000lx12000lx1000lx-4-8V(V)-12

圖6光電二三極管的伏安特性曲線（5）響應(yīng)時間特性

光敏晶體管受調(diào)制光照射時，相對靈敏度與調(diào)制頻率的關(guān)系稱為頻率特性。如圖7所示。減少負(fù)載電阻能提高響應(yīng)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。試驗證明，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

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定的惰性，這種惰性尋常用時間常數(shù)表示。即當(dāng)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(yīng)時間。為衡量其長短，常用時間常數(shù)τ的大小來表示。當(dāng)用一個輻射脈沖光電探測器，假使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。如下圖

(a)10.90.1t上t(b)下t

圖7上升時間和下降時間

（a）入射光脈沖方波（b）響應(yīng)時間

（6）光譜特性

一般光電二三極管的光譜響應(yīng)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(guān)系。一般用相對響應(yīng)表示，試驗中光電二三極秘的響應(yīng)范圍為400~1100nm，峰值波長為800~900nm，由于試驗儀器所提供的波長范圍為400~650nm，因此，試驗所測出的光譜響應(yīng)曲線呈上升趨勢。

五、本卷須知

1、當(dāng)電壓表和電流表顯示為“1＿〞是說明超過量程，應(yīng)更換為適合量程；2、連線之前保證電源關(guān)閉。

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3、試驗過程中，請勿同時撥開兩種或兩種以上的光源開關(guān)，這樣會造成試驗所測試的數(shù)據(jù)不確鑿。

4、光電二極管偏壓不要接反。

六、試驗步驟

下面的試驗內(nèi)容為光電二極管的試驗內(nèi)容，試驗之前請拆卸結(jié)構(gòu)件，將光電二極管結(jié)構(gòu)件裝入對應(yīng)光器件插座中。1、光電二極管暗電流測試

試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十分小，只有nA數(shù)量級。這樣，試驗操作過程中，對電流表的要求較高，本試驗中，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(fù)極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負(fù)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(guān)BM2撥到“靜態(tài)特性〞，將撥位開關(guān)S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。

（3）“光照度調(diào)理〞調(diào)到最小，連接好光照度計，直流電源調(diào)至最小，開啟照度計，此時照度計的讀數(shù)應(yīng)為0。

（4）將電壓表直接與電源兩端相連，開啟電源調(diào)理直流電源電位器，使得電壓輸出為15V，關(guān)閉電源。

（注意：在下面的試驗操作中請不要動電源調(diào)理電位器，以保證直流電源輸出電

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壓不變）

（5）按圖8所示的電路連接電路圖，負(fù)載RL選擇RL15=20M。

（6）開啟電源開關(guān)，等電壓表讀數(shù)穩(wěn)定后測得負(fù)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(yīng)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）試驗完畢，直流電源調(diào)至最小,關(guān)閉電源，拆除所有連線。

2、光電二極管光電流測試試驗裝置原理圖如圖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(fù)極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負(fù)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(guān)BM2撥到“靜態(tài)特性〞，將撥位開關(guān)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）開啟電源,緩慢調(diào)理光照度調(diào)理電位器，直到光照為300lx（約為環(huán)境光照），緩慢調(diào)理直流調(diào)理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）試驗完畢，將光照度調(diào)至最小，直流電源調(diào)至最小，關(guān)閉電源，拆除所有連線。

3、光電二極管光照特性

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試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(fù)極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負(fù)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(guān)BM2撥到“靜態(tài)〞，將撥位開關(guān)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(fù)載RL選擇RL4=1K歐。

（4）將“光照度調(diào)理〞旋鈕逆時針調(diào)理至最小值位置。開啟電源，調(diào)理直流電源電位器，直到顯示值為8V左右，順時針調(diào)理光照度調(diào)理電位器，增大光照度值，分別記錄下來不同照度下對應(yīng)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(yīng)改為適合的量程再測試。光照度（Lx）0光生電流（μA）（5）將“光照度調(diào)理〞旋鈕逆時針調(diào)理到最小值位置后關(guān)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。

100300500700800圖10

光照度（Lx）01003005007008009

光生電流（μA）（7）開啟電源，順時針調(diào)理該光照度調(diào)理旋鈕，增

大光照度值，分別記錄下來不同照度下對應(yīng)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(yīng)改為適合的量程再測試。

（8）根據(jù)上面兩表中試驗數(shù)據(jù)，在同一坐標(biāo)軸中作出兩條曲線，并進(jìn)行比較。（9）試驗完畢，將光照度調(diào)至最小，直流電源調(diào)至最小，關(guān)閉電源，拆除所有連線。

4、光電二極管伏安特性試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(fù)極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負(fù)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(guān)BM2撥到“靜態(tài)〞，將撥位開關(guān)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(fù)載RL選擇RL5=2K歐。

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（5）開啟電源順時針調(diào)理照度調(diào)理旋鈕，使照度值為500Lx，保持光照度不變，調(diào)理電源電壓電位器，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(guān)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)上述試驗結(jié)果，作出500Lx

度下的光電二極管伏安特性曲線。

（7）重復(fù)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(biāo)軸作出伏安特性曲線。并進(jìn)行比較

（8）試驗完畢，將光照度調(diào)至最小，直流電源調(diào)至最小，關(guān)閉電源，拆除所有連線。

5.光電二極管時間響應(yīng)特性測試

（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(fù)極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負(fù)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(guān)BM2撥到“脈沖〞，將撥位開關(guān)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(fù)載RL選擇RL=1K歐。

（4）示波器的測試點應(yīng)為A點，為了測試便利，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。

照

光生電流（μA）A11

圖11

（5）開啟電源，白光對應(yīng)的發(fā)光二極管亮，其余的發(fā)光二極管不亮。用示波器的第一通道與接TP和GND（即為輸入的脈沖光信號），用示波器的其次通道接TP2。（6）觀測示波器兩個通道信號，緩慢調(diào)理直流電源電位器直到示波器上觀測到信號明了為止，并作出試驗記錄（描繪出兩個通道波形）。

（7）緩慢調(diào)理脈沖寬度調(diào)理，增大輸入脈沖的脈沖信號的寬度，觀測示波器兩個通道信號的變化，并作出試驗記錄（描繪出兩個通道的波形）并進(jìn)行分析。（8）試驗完畢，關(guān)閉電源，拆除導(dǎo)線。

6、光電二極管光譜特性測試

當(dāng)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。本試驗儀采用高亮度LED（白、紅、橙、黃、綠、藍(lán)、紫）作為光源，產(chǎn)生400～630nm離散光譜。

光譜響應(yīng)度是光電探測器對單色入射輻射的響應(yīng)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。本試驗所采用的方法是基準(zhǔn)探測器法，在一致光功率的輻射下，則有

?(?)?

UK?f(?)Uf

U?(?)式中，f為基準(zhǔn)探測器顯示的電壓值，K為基準(zhǔn)電壓的放大倍數(shù)，f為基準(zhǔn)

探測器的響應(yīng)度。取在測試過程中,由

?(?)?U?f(?)Uf取一致值,則試驗所測測試的響應(yīng)度大小

的大小確定.下圖為基準(zhǔn)探測器的光譜響應(yīng)曲線。

12

1.210.80.60.40.202300400600800100012023400

圖12基準(zhǔn)探測器的光譜響應(yīng)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(fù)極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負(fù)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(guān)BM2撥到“靜態(tài)特性〞，將撥位開關(guān)S1，S2，S4，S3，S5，S6，S7均撥下。

（3）將直流電源正負(fù)極直接與電壓表相連，開啟電源，調(diào)理電源電位器至電壓表為10V，關(guān)閉電源。

（4）按如圖13連接電路圖，RL取RL10=100K歐。

圖13

（5）開啟電源，緩慢調(diào)理光照度調(diào)理電位器到最大，依次將S2，S