实验一 光电探测原理实验

一、内容简介    

光电探测原理实验箱，是本公司为适合光电子、信息工程、物理等专业教学内容的需要，最新推出的光电类教学实验装置。本实验箱从了解和熟悉光电二极管和光电池的角度出发，讨论关于光电二极管和光电池的主要技术问题，主要知识点包括：光照度及其测量基本知识；光电池的结构、工作原理和光照特性及其应用；光电二极管的结构、工作原理和光照特性及其应用等。

本实验系统注重理论与实践的紧密结合，突出实用性，可作为光测控技术、光电子技术、光电子仪器仪表及精密仪器等专业本科生和研究生课堂实验与研究。

二、实验箱说明

实验箱配备有0～12V可调的直流电压源，可为光电二极管提供可以调节的偏置电压。本实验箱还配有照度计、电压表和电流表，各表头显示单元和各种调节单元都放在面板上，而光源、照度计探头、硅光电池和硅光电二极管等不需要经常移动的器件都在实验箱里面固定，所有引出线都通过连线连接到面板上，学生做实验时只需要简单连线即可，连线、调节、观察和记录都很方便。

实验箱还配备10K粗调电位器RP1和47K多圈精密细调电位器RP2，可供学生配合其它元件自己动手搭建实验之用，提高学生动手动脑能力。

面板操作示意图：

实验（一） 光照度测试

一、实验目的

1、了解光照度基本知识；

2、了解光照度测量基本原理；

3、学会光照度的测量方法。

二、实验内容

对光照度进行测量，观察现象。

三、预备知识

1、光照度基本知识  

光照度是光度计量的主要参数之一，而光度计量是光学计量最基本的部分。光度量是限于人眼能够见到的一部分辐射量，是通过人眼的视觉效果去衡量的，人眼的视觉效果对各种波长是不同的，通常用V（λ）表示，定义为人眼视觉函数或光谱光视效率。因此，光照度不是一个纯粹的物理量，而是一个与人眼视觉有关的生理、心理物理量。

光照度是单位面积上接收的光通量，因而可以导出：由一个发光强度I的点光源，在相距L处的平面上产生的光照度与这个光源的发光强度成正比，与距离的平方成反比，即：

式中：E——光照度，单位为Lx；

      I——光源发光强度，单位为cd；

      L——距离，单位为m。

2、光照度计的结构

光照度计是用来测量照度的仪器，它的结构原理如图1.1。

图  1.1

图中D为光探测器，图1.2为典型的硅光探测器的相对光谱响应曲线；C为余弦校正器，在光照度测量中，被测面上的光不可能都来自垂直方向，因此照度计必须进行余弦修正，使光探测器不同角度上的光度响应满足余弦关系。余弦校正器使用的是一种漫透射材料，当入射光不论以什么角度射在漫透射材料上时，光探测器接收到的始终是漫射光。余弦校正器的透光性要好；F为V（λ）校正器，在光照度测量中，除了希望光探测器有较高的灵敏度、较低的噪声、较宽的线性范围和较快的响应时间等外，还要求相对光谱响应符合视觉函数V（λ），而通常光探测器的光谱响应度与之相差甚远，因此需要进行V（λ）匹配。匹配基本上都是通过给光探测器加适当的滤光片（V（λ）滤光片）来实现的，满足条件的滤光片往往需要不同型号和厚度的几片颜色玻璃组合来实现匹配。当D接收到通过C和F的光辐射时，所产生的光电信号，首先经过I/V变换，然后经过运算放大器A放大，最后在显示器上显示出相应的信号定标后就是照度值。

3、照度测量的误差因素

1）照度计相对光谱响应度与V（λ）的偏离引起的误差。

2）接收器线性：也就是说接收器的响应度在整个指定输出范围内为常数。

3）疲劳特性：疲劳是照度计在恒定的工作条件下，由投射照度引起的响应度可逆的暂时的变化。

4）照度计的方向性响应。

5）由于量程改变产生的误差：这个误差是照度计的开关从一个量程变到邻近量程所产生的系统误差。

6）温度依赖性：温度依赖性是用环境温度对照度头绝对响应度和相对光谱响应度的影响来表征。

7）偏振依赖性：照度计的输出信号还依赖于光源的偏振状态。

8）照度头接收面受非均匀照明的影响。

四、实验仪器

光电探测原理实验箱                                  一台

五、实验注意事项

1、打开电源之前，将“光照度调节”旋钮逆时针调至最小值，照度计档位调到20Lx档。

2、若照度计表头显示为“1＿”时说明超过量程，应该增大量程。

六、实验步骤

1、插上三相电源线，打开电源开关。

2、顺时针缓慢调节“光照度调节”旋钮，增大光照度，观察照度值的变化。当表头显示为“1＿”时，说明已经超过量程，此时应更换量程为200Lx档。

3、继续缓慢增大光照度，观察照度值的变化。当表头显示为“1＿”时，说明已经超过量程，此时应更换量程为2000Lx档。

4、继续缓慢增大光照度，观察照度值的变化，注意观察在相邻量程转换时候的数值变化。

5、将“光照度调节”旋钮调至最小值位置，照度计档位调到20Lx档，关闭电源。

七、实验报告要求

1、观察实验现象，不用填写实验过程原始记录。

2、写出完成本次实验后的心得体会以及对本次实验的改进意见。

八、思考题

光照度不变，在量程转换的时候照度值读数有什么不同？试分析一下原因。

实验（二）  光电二极管光电特性测试

一、实验目的

1、了解光电二极管的工作原理和使用方法；

2、掌握光电二极管的光照度特性及其测试方法。

二、实验内容

1、暗电流测试；

2、当光电二极管的偏置电压一定时，光电二极管的输出光电流与入射光的照度的关系测量。

三、预备知识

光生伏特效应：光生伏特效应是一种内光电效应。光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。对于不均匀半导体，由于同质的半导体不同的掺杂形成的PN结、不同质的半导体组成的异质结或金属与半导体接触形成的肖特基势垒都存在内建电场，当光照射这种半导体时，由于半导体对光的吸收而产生了光生电子和空穴，它们在内建电场的作用下就会向相反的方向移动和聚集而产生电位差。这种现象是最重要的一类光生伏特效应。均匀半导体体内没有内建电场，当光照射时，因眼光生载流子浓度梯度不同而引起载流子的扩散运动，且电子和空穴的迁移率不相等，使两种载流子扩散速度的不同从而导致两种电荷分开，而出现光生电势。这种现象称为丹倍效应。此外，如果存在外加磁场，也可使得扩散中的两种载流子向相反方向偏转，从而产生光生电势。通常把丹倍效应和光磁电效应成为体积光生伏特效应。

四、实验仪器

1、光电探测原理实验箱                                              一台

2、连接导线                                                        若干

五、实验原理

1、光电二极管结构原理

光电二极管的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比有很多共同之处，它们都有一个PN结，因此均属于单向导电性的非线性元件。但光电二极管作为一种光电器件，也有它特殊的地方。例如，光电二极管管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照；光电二极管PN结势垒区很薄，光生载流子的产生主要在PN结两边的扩散区，光电流主要来自扩散电流而不是漂移电流；又如，为了获得尽可能大的光电流，PN结面积比普通二极管要大的多，而且通常都以扩散层作为受光面，因此，受光面上的电极做的很小。为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极管浅。图2.1为光电二极管外形图（a）、结构简图（b）、符号（c） 和等效电路图（d）。

         a                 b              c                  d

                                 图  2.1

光电二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图2.2，图中E为反向偏置电压），在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小（一般小于0.1微安），这个反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，称为光生载流子。它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号。因此光电二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。 

图  2.2

随着光电子技术的发展，光信号在探测灵敏度、光谱响应范围及频率特性等方面的要求越来越高，为此，近年来出现了许多性能优良的光伏探测器，如硅、锗光电二极管、PIN 光电二极管、雪崩光电二极管（APD）等。

光电二极管目前多采用硅或锗制成，但锗器件暗电流温度系数远大于硅器件，工艺也不如硅器件成熟，虽然它的响应波长大于硅器件，但实际应用尚不及后者广泛。下面着重介绍硅光电二极管的结构及工作原理。

普通PN结硅光电二极管存在表面漏电流，为了减小表面漏电流，在器件的SiO2表面保护层中间扩散一个环行PN结，给环行结称为环极。在有环极的硅光电二极管中，通常有三根引出线：环极、前极和后极。通常环极接电源正极，后极接电源负极，前极通过负载接电源正极，如图2.3。由于环极电位高于前极在环极形成阻挡层阻止表面漏电流流过，可使得负载的漏电流很小（小于0.05μA）。若不使用环极也可将其断开做为空脚。

硅光电二极管的封装可采用平面镜和聚焦透镜作入射窗口。采用凸透镜有聚光作用，有利于提高灵敏度。由于聚焦位置与入射光方向有关，因此能够减小杂散背景光的干扰，但也引起灵敏度随入射光方向而变化。所以在实际使用中入射光的对准是值得注意的问题。采用平面镜作窗口，虽然没有对准问题但要受到背景杂散光的干扰，在具体使用时，视系统的要求而定。

                                 图  2.3

2、光电二极管的基本光照特性

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，并且光电流和照度成线性关系。当没有光照射时，测得的电流为暗电流。

六、实验注意事项

1、光电二极管偏压不要接反；

2、若照度计或电流表显示为“1＿”时说明超出量程，应改为合适的量程再测试；

3、连线之前要保证电源关闭。

七、实验步骤

实验装置原理框图如图2.4所示。

                                图  2.4

1、负载RL选择RL1=2.4K。将面板上“光电二极管偏置电压输入＋”端与电流表“＋”端用导线连接，电流表“－”端与RL1任一端连接，RL1另一端与“光电二极管偏置电压输入－”端相连，此时光电二极管偏压为零。

2、电流表档位调节至20μA档，将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。打开电源开关，顺时针调节该旋钮，增大光照度值，分别记下不同照度下对应的光生电流值，填入表2.1。若电流表或照度计显示为“1＿”时说明超出量程，应改为合适的量程再测试。

3、将“光照度调节”旋钮逆时针调节到最小值位置后关闭电源。

4、作出零偏压下光电二极管的光照度—电流曲线。

5、将电压表调到20V档，“幅度调节”旋钮逆时针调至最小值位置。将“直流电源0-12V”端与电压表“＋”端用导线连接，将“直流电源”的另一端（接地端）与电压表“－”端相连。打开电源开关，顺时针调节“幅度调节”旋钮，直至电压表显示为6.00V为止。关闭电源开关，拆掉电压表两端与“直流电源”两端之间的连线，拆掉电流表“－”端与RL1之间的连线。

6、将“直流电源0-12V”端（即图2.4中的Ui+端）与RL1相连，将“直流电源”接地端（即图2.4中的Ui-端）与电流表“－”端用导线连接。将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置，打开电源开关，记下此时电流表的读数，即为暗电流值。

7、重复步骤2,将数据填入表2.2中。作出在－6V偏压下光电二极管的光照度—电流曲线。

8、比较两条曲线的区别。

9、实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。

八、实验报告要求

1、根据实验测试记录，在坐标纸上画出不同偏压下的照度—电流曲线图，并分析实验现象。

2、写出完成本次实验后的心得体会以及对本次实验的改进意见。

九、思考题

分析并比较零偏压和-6V偏压下光照度—电流曲线的区别，分析区别产生的原因。

实验（三）  光电二极管伏安特性测试

一、实验目的

1、加深对光电二极管的工作原理的理解；

2、进一步熟悉光电二极管的基本应用；

3、理解光电二极管的伏安特性并掌握其测试方法。

二、实验内容

在光照度下一定的情况下，光电二极管的伏安特性测试。

三、实验仪器

1、光电探测原理实验箱                                                    一台

2、连接导线                                                              若干

四、实验原理

光电二极管的基本特性： 光电二极管的输出光电流与偏压的关系称为伏安特性，如图3.1。

                                 图  3.1

五、实验注意事项

1、光电二极管偏压不要接反；

2、电流表显示为“1＿”时说明超出量程，应改为合适的量程再测试；

3、电压表置于20V档。连线之前保证电源关闭。

六、实验步骤

实验装置原理框图如图3.2所示。

图  3.2 

1、负载RL选择RL1=2.4K。将“光电二极管偏置电压输入＋”端与电流表“＋”端用导线连接，电流表“－”端与RL1任一端连接，RL1另一端与“光电二极管偏置电压输入－”端相连，此时光电二极管偏压为零。

2、电流表档位调节至20μA档，“光照度调节“旋钮逆时针调节至最小值位置。打开电源开关，顺时针调节照度调节旋钮，使照度值为50Lx，记下此时电流表读数，填入表3.1。关闭电源，拆掉电流表“－”端与RL1之间的连线。

3、电压表调到20V档，“幅度调节”旋钮逆时针调至最小值位置。将“直流电源0-12V”端与RL1连接，将“直流电源另一端（接地端）与电流表“－”端连接。再将电压表“＋”端与“直流电源0-12V”端相连，“直流电源”接地端与电压表“－”端相连。

4、打开电源开关，调节“幅度调节”旋钮，直至电压表显示为2.00V为止，记下光电二极管所加反向偏压为2V时电流表的读数，填入表3.1。

5、重复步骤4，分别记下反向偏压为4V、6V、8V和10V时的电流表读数，填入表3.1。关闭电源。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       

6、作出50Lx照度下的光电二极管伏安特性曲线。

7、重复上述步骤。分别测量光电二极管在100Lx、200Lx和300Lx照度下，不同偏压下的光生电流值，并分别作出伏安特性曲线。比较四条伏安特性特性曲线有什么不同。

8、实验完毕，拆除所有连线。将“幅度调节”和“光照度调节”旋钮都逆时针旋到底。

七、实验报告要求

1、根据实验测试记录，在坐标纸上画出各伏安特性曲线图，并分析实验现象。

2、写出完成本次实验后的心得体会以及对本次实验的改进意见实验。

八、思考题

分析并比较四条伏安特性曲线的区别，分析区别产生的原因。

实验（四）  光电池光电特性测试

一、实验目的

1、了解光电池的工作原理和基本使用方法；

2、掌握光电池的伏安特性及其测试方法。

二、实验内容

1、光电池开路电压特性测试；

2、光电池短路电流特性测试。

三、实验仪器

1、光电探测原理实验箱                                                  1 台

2、连接导线                                                            若干

四、实验原理

1、结构原理

光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。  

光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。它实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴， 电子-空穴对从表面向内迅速扩散， 在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。 图4.1为硅光电池原理图。其中（a) 结构示意图； (b) 等效电路。

                    图 4.1  硅光电池原理图

2、光电池基本特性

(1) 光谱特性 光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的，如图4.2。

图 4.2  硅光电池的光谱特性

(2) 光照特性  光电池在不同光照度下， 其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性，如图4.3。

图 4.3 硅光电池的光照电流电压特性

五、注意事项

1、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；

2、连线之前保证电源关闭。

    六、实验步骤

1、开路电压特性测试

实验装置原理框图如图4.4所示。

图  4.4

（1）将“光电池电压输出＋”端与电压表“＋”端相连，“光电池电压输出－”端与电压表“－”端相连。电压表档位调至2V档，“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。

（2）打开电源开关 。顺时针调节“光照度调节”旋钮，逐渐增大光照度，记下不同光照度下的开路电压值，填入表4.1。

（3）关闭电源开关，照度值调至最小，拆除所有连线。

（4）作出光照度—开路电压特性曲线。

2、短路电流特性测试

实验装置原理框图如图4.5所示。

                                图  4.5

（1）将“光电池电压输出＋”端与电流表“＋”端相连，“光电池电压输出－”端与电流表“－”端相连。电流表档位调至20μA档，“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。

（2）打开电源开关。顺时针调节“光照度调节”旋钮，逐渐增大光照度，记下不同光照度下的短路电流值，填入表4.2。

（3）关闭电源开关，照度值调至最小，拆除所有连线。

（4）作出光照度—短路电流特性曲线。

七、实验报告要求

1、根据实验测试记录，在坐标纸上画出光照度—开路电压特性曲线和光照度—短路电流特性曲线图，并分析实验现象。

2、写出完成本次实验后的心得体会以及对本次实验的改进意见。

八、思考题

比较光照度-开路电压和光照度-短路电流曲线的异同，并对两条曲线进行分析。

实验（五）  光电池伏安特性测试

一、实验目的

1、加深对光电池的工作原理的理解；

2、进一步熟悉光电池的基本应用；

3、理解光电池的伏安特性并掌握其测试方法。

二、实验内容

光电池在照度一定的情况下的输出电流与电压随负载变化的关系测试。

三、实验仪器

1、光电探测原理实验箱                                                    1 台

2、连接导线                                                              若干

四、实验原理

相同照度下，光电池的输出电流和电压会随负载的变化而变化。

五、实验注意事项

1、电压表选择2V档，电流表选择200μA档；

2、连线之前保证电源关闭。

六、实验步骤

实验装置原理框图如图5.1所示。

                     图  5.1

1、负载选择RL1=2.4KΩ。将“光电池电压输出＋”端与电阻RL1任一端连接，电阻RL1另一端与电流表“＋”端相连，电流表“－”端与“光电池电压输出－”端相连，再将电压表两端与“光电池电压输出”两端用导线相连接（注意极性不要接反）。“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。将电压表选择2V档，电流表选择200μA档。

2、打开电源，将光照度调节至50Lx，记录电流表和电压表读数，填入表5.1。

3、将负载Ｒ换成分别换成RL2、RL3、R1和R2，阻值分别为5.6 KΩ、10 KΩ、51KΩ和100 KΩ，重复步骤1和2，分别记录电流表和电压表的读数，填入表5.1。关闭电源。

4、作出光电池的光生电流和光生电压随负载变化的V-I曲线。

5、改变光照度为100Lx、200Lx、300Lx，重复上述步骤，分别填写表5.2、5.3和5.4。

6、比较四条曲线有什么不同，并分析原因。

    7、实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。

七、实验报告要求

1、根据实验测试记录，在坐标纸上画出各伏安特性曲线图，并分析实验现象。

2、写出完成本次实验后的心得体会以及对本次实验的改进意见。

八、思考题

对不同照度下的四条伏安特性曲线进行分析比较，看看有什么区别？产生这些区别的原因是什么？