光电传感器实验方案的设计与实践——光电二极管特性(编辑修改稿)

光电传感器实验方案的设计与实践——光电二极管特性(编辑修改稿)内容摘要：

区和 N区少数载流子浓度大大增加，它们在外加反向电压和 PN 结内电场作用下定向运动， 8 分别在两个方向上渡越 PN 结，使反向电流明显增大。 如果入射光的照度变化，光生电子 — 空 穴对的浓度将相应变动，通过外电路的光电流强度也会随之变动，光敏二极管就把光信号转换成了电信号。 光电二 极管的基本特性 （ 1）暗电流 光电二 极管在一定偏压 ，当没有光照的情况下，即黑暗环境中，所测得的电流值即为光电二 极管的暗电流。 （ 2）光电流 光电二 极管在一定偏压，当有光电照的情况下，所测得的电流值即为光电二极管在某特定光照下的光电流。 （ 3）光照特性 光电二极管在一定偏压下，当入射光的强度发生变化，通过光电二 极管的电流随之变化，即为光电二 极管的光照特性。 反向偏压工作状态下，在外加电压 E和负载电阻 RL的很 大变化范围内，光电流与入照光功率均具有很好的线性关系；在无偏压工作状态下，只有 RL 较小时光电流与入照光功率成正比， RL 增大时光电流与光功率呈非线性关系。 图 2 光电二极管的光照特性 （ 4）伏安特性 在一定光照条件下，光电二极管的输出光电流与偏压的关系称为伏安特性。 光电二极管的伏安特性的数学表达式如下 ： I=I0[1－ exp (qV/kT)]＋ IL 其中 I0 是无光照的反向饱和电流， V 是二极管的端电压（正向电压为正，反向电压为负）， q 为电子电荷， k 为波耳兹常数， T 为 PN 结的温度，单位为 K， IL为无偏压状态 下光照时的短路电流，它与光照时的光功率成正比。 (光电二极管的伏安特性如下图所示 ) 9 4123Ic(mA) 8 1 2Ee=20000lx1 0 0 0 0 l x5 0 0 0 l x2 0 0 0 l x1 0 0 0 l xV ( V ) 图 3 光电二 极管的伏安特性曲线 （ 5） 时间 响应特性 光敏晶体管受调制光照射时，相对灵敏度与调制频率的关系称为频率特性。 减少负载电阻能提高响应频率，但输出降低。 实验证明，光电器件的信号的产生和消失不能随着光强改变而立刻变化，会有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。 即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的输出升到稳定值或下降到 照射前的值所需时间称为响应时间。 为衡量其长短，常用时间常数τ的大小来表示。 当用一个辐射脉冲光电探测器，如果这个脉冲的上升和下降时间很短，如方波，则光电探测器的输出由于器件的惰性而有延迟，把从 10%上升到 90%峰值处所需的时间称为探测器的上升时间，而把从 90%下降到 10%所需的时间称为下降时间。 （ 6）光谱特性 一般光电二极管的光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电二 极管在一定偏压下所产生 光电流与入射光波长之间的关系。 一般用相对响应表示，实验中光电二 极 管 的响应范围为 400~1100nm，峰值波长 为 800~900nm，由于实验仪器所提供的波长范围为 400~650nm，因此，实验所测出的光谱响应曲线呈上升趋势。 五、注意事项 当电压表和电流表显示为“ 1＿”是说明超过量程，应更换为合适量程； 连线之前保证电源关闭。 实验过程中，请勿同时拨开两种或两种以上的光源开关，这样会造成实验所测试的数据不准确。 光电二极管偏压不要接反。 10 六、实验步骤 下面的实验内容为光电二极管的实验内容，实验之前请拆卸结构件，将光电二极管结构件装入对应光器件插座中。 光电二极管暗电流测试 实验 装置原理框图如图 4 所示，但是在实际操作过程中，光电二极管的暗电流非常小，只有 nA 数量级。 这样，实验操作过程中，对电流表的要求较高，本实验中，采用电路中串联大电阻的方法，将图 4中的 RL 改为 1M，再利用欧姆定律计算出支路中的电流即为所测器件的暗电流，如图 4 所示。 RLVI /暗 图 4 （ 1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元 J4 与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。 （ 2）“光源驱动单元”的三掷开 关 BM2 拨到“静态特性”，将拨位开关 S1， S2，S3， S4， S5， S6， S7 均拨下。 （ 3）“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为 0。 （ 4）将电压表直接与电源两端相连 （ 5）按图 4 所示的电路连接电路图，负载 RL选择 RL=1M。 （ 6）打开电源开关， 调节电源电压，并将电流表与电压表读数记入下表。 (注 :在测试暗电流时 ,应先将光电器件置于黑暗环境中 30 分钟以上 ,否则测试过程中电压表需一段时间后才可稳定 ) （ 7）实验完毕，直流电源调至最小 ,关闭电源，拆除所有连线。 电源电压（ V） 暗电流（ mA） 11 光电二极管光电流测试 实验装置原理图如图 5所示。 图 5 （ 1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元 J4 与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。 （ 2）“光源驱动单元”的三掷开关 BM2 拨到“静态特性”，将拨位开关 S1 拨上，S2， S3， S4， S5， S6， S7 均拨下。 （ 3）按图 5 连接电路图， RL取 RL4=1K 欧。 （ 4）打开电源 ,缓慢调节光照度调节电位器，直到光照为 300lx（约为环境光照），缓慢调节直流调节电位器到电压表显示为 6V，请出此时电流表的读数，即为光电二极管在偏压 6V，光照 300lx 时的光电流。 （ 5）实验完毕，将光照度调至最小，直流电源调至最小，关闭电源，拆除所有连线。 光电二极管光照特性 实验装置原理框图如图 5所示。 （ 1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元 J4 与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。 （ 2）“光源驱动单元”的三掷开关 BM2 拨到“静态”，将拨位开关 S1拨上， S2，S3， S4， S5， S6， S7 均拨下。 （ 3）按图 5 所示的电路连接电路图，负载 RL选择 RL4=1K 欧。 （ 4）将“光照度调节”旋钮。