光电二三极管特性测试实验报告分解.docx

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光电二三极管特性测试实验报告分解

光敏二极管特性测试实验

一、实验目的

1.学习光电器件的光电特性、伏安特性的测试方法；

2.掌握光电器件的工作原理、适用范围和应用基础。

二、实验内容

1、光电二极管暗电流测试实验

2、光电二极管光电流测试实验

3、光电二极管伏安特性测试实验

4、光电二极管光电特性测试实验

5、光电二极管时间特性测试实验

6、光电二极管光谱特性测试实验

7、光电三极管光电流测试实验

8、光电三极管伏安特性测试实验

9、光电三极管光电特性测试实验

10、光电三极管时间特性测试实验

11、光电三极管光谱特性测试实验

三、实验仪器

1、光电二三极管综合实验仪1个

2、光通路组件1套

3、光照度计1个

4、电源线1根

5、2#迭插头对（红色，50cm）10根

6、2#迭插头对（黑色，50cm）10根

7、三相电源线1根

8、实验指导书1本

四、实验原理

1、概述

 随着光电子技术的发发展,光电检测在灵敏度、光谱响应范围及频率我等技术方面要求越来越高，为此，近年来出现了许多性能优良的光伏检测器，如硅锗光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）等。

光敏晶体管通常指光电二极管和光电三极管，通常又称光敏二极管和三敏三极管。

光敏二极管的种类很多，就材料来分，有锗、硅制作的光敏二极管，也有III－V族化合物及其他化合物制作的二极管。

从结构我来分，有PN结、PIN结、异质结、肖特基势垒及点接触型等。

从对光的响应来分，有用于紫外光、红外光等种类。

不同种类的光敏二极管，具胡不同的光电特性和检测性能。

例如，锗光敏二极管与硅光敏二极管相比，它在红外光区域有很大的灵敏度，如图所示。

这是由于锗材料的禁带宽度较硅小，它的本征吸收限处于红外区域，因此在近红外光区域应用；再一方面，锗光敏二极管有较大的电流输出，但它比硅光敏二极管有较大的反向暗电流，因此，它的噪声较大。

又如，PIN型或雪崩型光敏二极管与扩散型PN结光敏二极管相比具有很短的时间响应。

因此，在使用光敏二极管进要了解其类型及性能是非常重要的。

光敏二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。

与光电池相比，它的突出特点是结面积小，因此它的频率特性非常好。

光生电动势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为数微安到数十微安。

按材料分，光敏二极管有硅、砷化铅光敏二极管等许多种，由于硅材料的暗电流温度系数较小，工艺较成熟，因此在实验际中使用最为广泛。

光敏三极管与光敏二极管的工作原理基本相同，工作原理都是基于内光电效应，和光敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体PN结上，PN结参与了光电转换过程。

2、光电二三极管的工作原理

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。

光电二极管和光电三极管即为光电伏特器件。

光敏二极管的结构和普通二极管相似，只是它的PN结装在管壳顶部，光线通过透镜制成的窗口，可以集中照射在PN结上，图2（a）是其结构示意图。

光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态，如图2（b）所示。

我们知道，PN结加反向电压时，反向电流的大小取决于P区和N区中少数载流子的浓度，无光照时P区中少数载流子（电子）和N区中的少数载流子（空穴）都很少，因此反向电流很小。

但是当光照PN结时，只要光子能量h大于材料的禁带宽度，就会在PN结及其附近产生光生电子—空穴对，从而使P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，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。

光敏三极管有两个PN结，因而可以获得电流增益，它比光敏二极管具有更高的灵敏度。

其结构如图3（a）所示。

当光敏三极管按图3（b）所示的电路连接时，它的集电结反向偏置，发射结正向偏置，无光照时仅有很小的穿透电流流过，当光线通过透明窗口照射集电结时，和光敏二极管的情况相似，将使流过集电结的反向电流增大，这就造成基区中正电荷的空穴的积累，发射区中的多数载流子（电子）将大量注人基区，由于基区很薄，只有一小部分从发射区注入的电子与基区的空穴复合，而大部分电子将穿过基区流向与电源正极相接的集电极，形成集电极电流。

这个过程与普通三极管的电流放大作用相似，它使集电极电流是原始光电流的（l+β）倍。

这样集电极电流将随入射光照度的改变而更加明显地变化。

在光敏二极管的基础上，为了获得内增益，就利用了晶体三极管的电流放大作用，用Ge或Si单晶体制造NPN或PNP型光敏三极管。

其结构使用电路及等效电路如图4所示。

图4光敏三极管结构及等效电路

光敏三极管可以等效一个光电二极管与另一个一般晶体管基极和集电极并联：

集电极-基极产生的电流，输入到三极管的基极再放大。

不同之处是，集电极电流（光电流）由集电结上产生的iφ控制。

集电极起双重作用：

把光信号变成电信号起光电二极管作用；使光电流再放大起一般三极管的集电结作用。

一般光敏三极管只引出E、C两个电极，体积小，光电特性是非线性的，广泛应用于光电自动控制作光电开关应用。

3、光电二三极管的基本特性

（1）暗电流

光电二三极管在一定偏压，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、三极管的暗电流。

（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、三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，通过光电二三极管的电流随之变化，即为光电二、三极管的光照特性。

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5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、三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）

图6光电二三极管的伏安特性曲线

（5）响应时间特性

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。

如图7所示。

减少负载电阻能提高响应频率，但输出降低。

一般来说，光敏三极管的频响比光敏二极管差得多，锗光敏三极管的频响比硅管小一个数量级。

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。

如图所示

图7上升时间和下降时间

（a）入射光脉冲方波（b）响应时间

（6）光谱特性

一般光电二三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，光电二三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，实验中光电二三极秘的响应范围为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

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。

3、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。

4、光电二极管偏压不要接反。

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。

1、光电二极管暗电流测试

实验装置原理框图如图8所示，但是在实际操作过程中，光电二极管和光电三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8中的RL改为20M，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8所示。

图8

（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，打开电源调节直流电源电位器，使得电压输出为15V，关闭电源。

（注意：

在下面的实验操作中请不要动电源调节电位器，以保证直流电源输出电压不变）

（5）按图8所示的电路连接电路图，负载RL选择RL15=20M。

（6）打开电源开关，等电压表读数稳定后测得负载电阻RL上的压降V暗，则暗电流L暗=V暗/RL。

所得的暗电流即为偏置电压在15V时的暗电流.

（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。

2、光电二极管光电流测试

实验装置原理图如图9所示。

图9

（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9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。

3、光电二极管光照特性

实验装置原理框图如图9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9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”旋钮逆时针调节至最小值位置。

打开电源，调节直流电源电位器，直到显示值为8V左右，顺时针调节光照度调节电位器，增大光照度值，分别记下不同照度下对应的光生电流值，填入下表。

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。

光照度（Lx）

0

100

300

500

700

800

光生电流（μA）

（5）将“光照度调节”旋钮逆时针调节到最小值位置后关闭电源。

（6）将以上连接的电路中改为如下图10连接（即0偏压），RL取RL4=1K欧。

图10

光照度（Lx）

0

100

300

500

700

800

光生电流（μA）

（7）打开电源，顺时针调节该光照度调节旋钮，增大光照度值，分别记下不同照度下对应的光生电流值，填入下表。

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。

（8）根据上面两表中实验数据，在同一坐标轴中作出两条曲线，并进行比较。

（9）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。

4、光电二极管伏安特性

实验装置原理框图如图8所示。

图9

（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。

（4）按图9所示的电路连接电路图，负载RL选择RL5=2K欧。

（5）打开电源顺时针调节照度调节旋钮，使照度值为500Lx，保持光照度不变，调节电源电压电位器，使反向偏压为0V、2V，4V、6V、8V、10V、12V时的电流表读数，填入下表，关闭电源。

（注意：

直流电源不可调至高于20V，以免烧坏光电二极管）

偏压（V）

0

-2

-4

-6

-8

-10

-12

光生电流（μA）

（6）根据上述实验结果，作出500Lx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300Lx和800Lx照度下，不同偏压下的光生电流值，在同一坐标轴作出伏安特性曲线。

并进行比较

（8）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。

5. 光电二极管时间响应特性测试

（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“脉冲”，将拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。

（3）按图11所示的电路连接电路图，负载RL选择RL=1K欧。

（4）示波器的测试点应为A点，为了测试方便，可把示波器的测试点使用迭插头对引至信号测试区的TP1和TP2，TP1与直流电源的地相连。

图11

（5）打开电源，白光对应的发光二极管亮，其余的发光二极管不亮。

用示波器的第一通道与接TP和GND（即为输入的脉冲光信号），用示波器的第二通道接TP2。

（6）观察示波器两个通道信号，缓慢调节直流电源电位器直到示波器上观察到信号清晰为止，并作出实验记录（描绘出两个通道波形）。

（7）缓慢调节脉冲宽度调节，增大输入脉冲的脉冲信号的宽度，观察示波器两个通道信号的变化，并作出实验记录（描绘出两个通道的波形）并进行分析。

（8）实验完毕，关闭电源，拆除导线。

6、光电二极管光谱特性测试

当不同波长的入射光照到光电二极管上，光电二极管就有不同的灵敏度。

本实验仪采用高亮度LED（白、红、橙、黄、绿、蓝、紫）作为光源，产生400～630nm离散光谱。

光谱响应度是光电探测器对单色入射辐射的响应能力。

定义为在波长

的单位入射功率的照射下，光电探测器输出的信号电压或电流信号。

即为

或

式中，

为波长为

时的入射光功率；

为光电探测器在入射光功率

作用下的输出信号电压；

则为输出用电流表示的输出信号电流。

本实验所采用的方法是基准探测器法，在相同光功率的辐射下，则有

式中，

为基准探测器显示的电压值，K为基准电压的放大倍数，

为基准探测器的响应度。

取在测试过程中,

取相同值,则实验所测测试的响应度大小由

的大小确定.下图为基准探测器的光谱响应曲线。

图12基准探测器的光谱响应曲线

（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，S4，S3，S5，S6，S7均拨下。

（3）将直流电源正负极直接与电压表相连，打开电源，调节电源电位器至电压表为10V，关闭电源。

（4）按如图13连接电路图，RL取RL10=100K欧。

图13

（5）打开电源，缓慢调节光照度调节电位器到最大，依次将S2，S3，S4，S5，S6，S7拨上后拨下，记下当上述开关拨向上时,照度计读数最小时照度计的读数E作为参考。

（注意：

请不要同时将两个拨位开关拨上）

（6）S2拨上，缓慢调节电位器直到照度计显示为E，将电压表测试所得的数据填入下表，再将S2拨下；

（7）重复操作步骤（6），分别测试出橙，黄，绿，蓝，紫在光照度E下电压表的读数，填入下表。

波长（nm）

红（630）

橙（605）

黄（585）

绿（520）

蓝（460）

紫（400）

基准响应度

0.65

0.61

0.56

0.42

0.25

0.06

R电压（mV）

光电流（U/R）

响应度

（8）根据所测试得到的数据，做出光电二极管的光谱特性曲线。

七．实验结果

1．光电二极管光照特性

（1）图9条件下

光照度（Lx）

0

100

300

500

700

800

光生电流（μA）

0

493

145.7

257

295

314

（2）图十条件下

光照度（Lx）

0

100

300

500

700

800

光生电流（μA）

0

10

40

60

90

100

2、光电二极管伏安特性

（1）.500LX

偏压（V）

0

-2

-4

-6

-8

-10

-12

光生电流（μA）

0

0.93

1.90

2.23

2.35

2.45

2.53

（2）.300LX

偏压（V）

0

-2

-4

-6

-8

-10

-12

光生电流（μA）

0

0.95

1.28

1.36

1.42

1.47

1.53

3、光电二极管光谱特性测试

波长（nm）

630

605

585

520

460

400

基准响应度

0.65

0.61

0.56

0.42

0.25

0.06

R电压（mV）

61

38

37

23

18

14

光电流（U/R）（uA）

0.61

0.38

0.37

0.23

0.18

0.14

八．实验总结

通过此次实验，我们了解到了光敏电阻，光电池，光电二极管等光电器件的结构，特性，和工作原理，认识到了光电器件在不同环境下的性质变化以及他们的基本运用，掌握了不少光电探测器件使用的知识。

在此感谢老师的指导和教诲，我们一定会继续努力学好光电探测，多动脑筋多思考，多动手多实践，认真学习理论知识，以应对社会的发展，满足企业的需要，争取做出成绩来，回馈母校，回报社会！