實(shí)驗(yàn)一光電探測(cè)器特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)一、光電探測(cè)器特性測(cè)試實(shí)驗(yàn) 光電探測(cè)器是一種將輻射能轉(zhuǎn)換成電訊號(hào)的器件，是光電系統(tǒng)的核心組成部分，在光電系統(tǒng)中的作用是發(fā)現(xiàn)信號(hào)、測(cè)量信號(hào)，并為隨后的應(yīng)用提取某些必要的信息。光電探測(cè)器的種類很多，新的器件也不斷出現(xiàn)，按探測(cè)機(jī)理的物理效應(yīng)可分為兩大類：一類是利用各種光子效應(yīng)的光子探測(cè)器，另一類是利用溫度變化的熱探測(cè)器。在眾多的光電子效應(yīng)中，只有光電子發(fā)射效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和光電磁效應(yīng)得到廣泛應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試光敏電阻（光電導(dǎo)效應(yīng)）以及光敏二極管、光敏三極管和光敏電池（光伏效應(yīng)）等光子探測(cè)器的特性（包括光照特性、伏安特性、光譜特性等）。 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 了解幾種常見光電探測(cè)器的工作原理

2、、光照特性、伏安特性和光譜響應(yīng)特性；2 學(xué)會(huì)正確光電傳感實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)儀器ZY13OFSens12SB 主機(jī)箱 一臺(tái) 普通光源 一個(gè)遮光筒 一個(gè) 光照度計(jì)探頭 一個(gè)光電器件實(shí)驗(yàn)（一）模板 一個(gè) 濾色片（七色） 一套支架 一套 導(dǎo)線 若干cds 光敏電阻 一個(gè) 光敏三極管 一個(gè)光敏二極管 一個(gè) 硅光電池 一個(gè)圖1-1光電器件實(shí)驗(yàn)(一)模板及接線圖實(shí)驗(yàn)原理1、 光敏電阻光敏電阻是用光電導(dǎo)體制成的光電器件，又稱光導(dǎo)管它是基于半導(dǎo)體光電效應(yīng)工作的。光敏電阻沒有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)可加直流電壓，也可以加交流電壓。當(dāng)無(wú)光照時(shí)，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的

3、光照時(shí)，它的阻值(亮電阻)急劇減少，因此電路中電流迅速增加。光敏電阻的暗電阻越大而亮電阻越小則性能越好，也就是說(shuō)，暗電流要小，光電流要大，這樣的光敏電阻的靈敏度就高。實(shí)際上，大多數(shù)光敏電阻的暗電阻往往超過(guò)1M歐，甚至高達(dá)100M，而亮電阻即使在正常白晝條件下也可降到1k以下，可見光敏電阻的靈敏度是相當(dāng)高的。光照特性、伏安特性和光譜特性是光敏電阻的基本特性。2、 光敏二極管光敏二極管是一種光伏探測(cè)器，主要利用了PN結(jié)的光伏效應(yīng)。對(duì)光伏探測(cè)器總的伏安特性可表達(dá)為式中I中是流過(guò)探測(cè)器總電流，Iso二極管反向飽和電流，Is是光照時(shí)的光電流，q是電子電荷，V是探測(cè)器兩端電壓，k為玻耳茲曼常數(shù)，T器件絕對(duì)

4、溫度。當(dāng)入射光的強(qiáng)度發(fā)生變化，通過(guò)光敏二極管的電流隨之變化，于是在光敏二極管的二端電壓也發(fā)生變化。光照時(shí)導(dǎo)通，光不照時(shí)，處于截止?fàn)顟B(tài)，并且光電流和照度成線性關(guān)系。3、 光敏三極管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5-2所示。圖1-2 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I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

5、；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，光電特性是非線性的，廣泛應(yīng)用于光電自動(dòng)控制作光電開關(guān)應(yīng)用。4、 光電池當(dāng)光照射到光電池P-N結(jié)上時(shí)，便在P-N結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。這種現(xiàn)象叫“光生伏特效應(yīng)”，將光能轉(zhuǎn)化為電能。該效應(yīng)與材料、光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)等有關(guān)。圖1-3 光敏電阻實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一、 光敏電阻特性測(cè)試1.亮電阻和暗電阻測(cè)量（1）圖1-3是光敏電阻實(shí)驗(yàn)原理圖（2）根據(jù)圖1-1的光學(xué)系統(tǒng)裝置圖，安裝好普通光源和光照度計(jì)探頭（代替圖中光敏電阻）及遮光筒，將主機(jī)箱的012V的可調(diào)電源與普通光源的兩個(gè)插孔相連，將可調(diào)電源的調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針方向慢慢調(diào)到底。將

6、照度計(jì)探頭的兩個(gè)插孔“+”（紅色）和“-”（黑色）與主機(jī)箱照度計(jì)輸入端“+”、“-”對(duì)應(yīng)連接。打開主機(jī)箱電源，順時(shí)針方向慢慢調(diào)節(jié)012V可調(diào)電源幅度旋鈕，使主機(jī)箱照度計(jì)顯示100Lx。關(guān)閉電源。（3）撤下照度計(jì)連線及探頭，換上光敏電阻。將光敏電阻的兩個(gè)插孔通過(guò)連線連到主實(shí)驗(yàn)?zāi)K上光敏器件輸入端。電流表輸入端“+”插孔與模塊上左下對(duì)應(yīng)安培表輸入端（紅色）相連，電流表輸入端“-”插孔與模塊上左下對(duì)應(yīng)安培表輸入端（黑色）相連。電壓表輸入端“+”插孔與模塊上左邊對(duì)應(yīng)電壓表輸入端（紅色）相連，電壓表輸入端“-”插孔與模塊上左邊對(duì)應(yīng)電壓表輸入端（黑色）相連。模塊上05V電源輸入端與主機(jī)箱上對(duì)應(yīng)相連。（4）

7、光敏電阻與光源之間用遮光筒連接。打開電源，調(diào)節(jié)05V電源幅度調(diào)節(jié)旋鈕，使電壓表顯示5V（20V檔），10秒鐘左右（可觀察主機(jī)箱上的定時(shí)器）讀取電流表的值（亮電流）I亮和電壓表的值U測(cè)。（5）將012V可調(diào)電源的調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針方向慢慢旋到底后，調(diào)節(jié)05V電源幅度調(diào)節(jié)旋鈕，使電壓表顯示5V（20V檔），10秒鐘左右讀取電流表的值（暗電流）I暗和電壓表的值U測(cè)。關(guān)閉電源。（6）根據(jù)以下公式，計(jì)算亮阻和暗阻（照度為100Lx，U測(cè)為+5V） ； （7）光敏電阻在不同的照度下有不同的亮阻和暗阻；在不同的測(cè)量電壓（U測(cè)）下有不同的亮阻和暗阻。如有興趣可重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)步驟做實(shí)驗(yàn)。2、光照特性測(cè)量光敏電阻的測(cè)量

8、電壓（U測(cè)）固定時(shí)，光敏電阻的光電流隨光照強(qiáng)度變化而變化，它們之間的關(guān)系是非線性的。調(diào)節(jié)光源012V電壓得到不同的光照度(測(cè)量方法同以上實(shí)驗(yàn))，測(cè)得數(shù)據(jù)填入表1-1，并作曲線圖。表1-1光照度（Lx）10030050070090011001300電流（mA） 3、伏安特性測(cè)量在一定的光照強(qiáng)度下，光電流隨外加電壓的變化而變化。測(cè)量時(shí)，根據(jù)表1-2，給定光照度，調(diào)節(jié)05V電壓（由電壓表監(jiān)測(cè)），測(cè)得流過(guò)光敏電阻的電流,記錄數(shù)據(jù)填入表5-2，并作不同照度下的三條伏安特性曲線。表1-2 電壓（V） 電流（A）光照度（Lx）1.2523451003005004 、光譜特性測(cè)量光敏電阻對(duì)不同波長(zhǎng)的光，接收的

9、光靈敏度是不一樣的，這就是光敏電阻的光譜特性。實(shí)驗(yàn)時(shí)線路接法同圖1-2，在光路裝置中先用照度計(jì)窗口對(duì)準(zhǔn)遮光筒，調(diào)節(jié)012V電源輸出幅度旋鈕，得到100Lx的照度。然后旋下光源前蓋,更換不同的濾光片，可得到對(duì)應(yīng)各種顏色的光。作光譜特性時(shí)，需調(diào)節(jié)05V電源輸出幅度旋鈕，使光敏電阻工作在固定電壓+5V下。根據(jù)光敏電阻在某一固定工作電壓（+5V），同一照度（100Lx），不同波長(zhǎng)（顏色）時(shí)測(cè)量流過(guò)光敏電阻的電流值，就可作出其光譜特性曲線。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表1-3。表1-3顏色波長(zhǎng)(nm)100Lx照度下的電流紅650橙610黃570綠530青480藍(lán)450紫400二、 光敏二極管特性測(cè)試1、光照特性測(cè)量

10、根據(jù)圖1-1接線，光敏二極管即為圖中光電器件，測(cè)量光敏二極管的暗電流和亮電流。電流表輸入端“+”與模塊上左下對(duì)應(yīng)安培表輸入端（紅色）相連，電流表輸入端“-”與模塊上左下對(duì)應(yīng)安培表輸入端（黑色）相連。電壓表輸入端“+”與模塊上左邊對(duì)應(yīng)電壓表輸入端（紅色）相連，電壓表輸入端“-”與模塊上左邊對(duì)應(yīng)電壓表輸入端（黑色）相連。模塊上05V電源輸入端與主機(jī)箱上對(duì)應(yīng)相連。暗電流測(cè)試：將主機(jī)箱中的012V可調(diào)穩(wěn)壓電源的調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針方向慢慢旋到底。打開主機(jī)箱電源，順時(shí)針方向慢慢地調(diào)節(jié)05V可調(diào)電源輸出電壓，使電壓表顯示5V（U測(cè)）。讀取主機(jī)箱上電流表（20A檔）的值即為光敏二極管的暗電流。亮電流測(cè)試：a、關(guān)閉

11、主機(jī)箱電源，撤下光敏二極管，換上光照度計(jì)探頭。用連接線將照度計(jì)探頭的兩個(gè)插孔與主機(jī)箱上的照度計(jì)輸入的兩個(gè)插孔“”、“”分別相應(yīng)連接；照度計(jì)探頭與光源之間用遮光筒連接。b、打開主機(jī)箱電源，順時(shí)針方向慢慢地調(diào)節(jié)012V可調(diào)電源（光源電壓），使主機(jī)箱上照度計(jì)的讀數(shù)為100Lx。c、撤下照度計(jì)探頭，換上光敏二極管，讀取電流表值，即為照度100Lx，U測(cè)5V（光敏二極管工作電壓）時(shí)的亮電流。重復(fù)a、b、c實(shí)驗(yàn)步驟，把測(cè)量值填入表1-4，并作出曲線。表1-4照度Lx100200300400500600700800I亮（A）2、伏安特性測(cè)量在一定的光照強(qiáng)度下，光電流隨外加電壓的變化而變化。測(cè)量時(shí)，根據(jù)表1-

12、5，給定光照度，調(diào)節(jié)05V電壓（由電壓表監(jiān)測(cè)），測(cè)得流過(guò)光敏二極管的電流,記錄數(shù)據(jù)填入表4-2，并作不同照度下的三條伏安特性曲線。表1-5 電壓（V） 電流（A）光照度（Lx）1.2523451003005003、光譜特性測(cè)量光譜特性測(cè)試用七種顏色的濾光片代替不同波長(zhǎng)的光。實(shí)驗(yàn)方法與亮電流測(cè)試方法基本一樣，不同點(diǎn)就是擰下光源前蓋，更換不同顏色的濾色鏡，調(diào)節(jié)光源電壓，在相同照度(800 Lx)下，測(cè)得光電流，填入表1-6，并作出曲線。表1-6顏色(nm)光電流(uA)照度紅(650)橙(610)黃(570)綠(530)青(480)藍(lán)(450)紫(400)800Lx三、 光敏三極管特性測(cè)試1、光照

13、特性測(cè)量 根據(jù)圖5-1接線，光敏三極管即為圖中光電器件，測(cè)量光敏三極管的暗電流和亮電流。電流表輸入端“+”與模塊上左下對(duì)應(yīng)安培表輸入端（紅色）相連，電流表輸入端“-”與模塊上左下對(duì)應(yīng)安培表輸入端（黑色）相連。電壓表輸入端“+”與模塊上左邊對(duì)應(yīng)電壓表輸入端（紅色）相連，電壓表輸入端“-”與模塊上左邊對(duì)應(yīng)電壓表輸入端（黑色）相連。模塊上05V電源輸入端與主機(jī)箱上對(duì)應(yīng)相連。暗電流測(cè)試：將主機(jī)箱中的012V可調(diào)穩(wěn)壓電源的調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針方向慢慢旋到底。打開主機(jī)箱電源，順時(shí)針方向慢慢地調(diào)節(jié)05V可調(diào)電源輸出電壓，使電壓表顯示5V（U測(cè)）。讀取主機(jī)箱上電流表（20A檔）的值即為光敏三極管的暗電流。關(guān)閉電源。

14、亮電流測(cè)試：a、關(guān)閉主機(jī)箱電源，撤下光敏三極管，換上光照度計(jì)探頭。用連接線將照度計(jì)探頭的兩個(gè)插孔與主機(jī)箱上的照度計(jì)輸入的兩個(gè)插孔“”、“”分別相應(yīng)連接；照度計(jì)探頭與光源之間用遮光筒連接。b、打開主機(jī)箱電源，順時(shí)針方向慢慢地調(diào)節(jié)012V可調(diào)電源（光源電壓），使主機(jī)箱上照度計(jì)的讀數(shù)為100Lx。c、撤下照度計(jì)探頭，換上光敏三極管，讀取電流表值，即為照度100Lx，U測(cè)5V（光敏二極管工作電壓）時(shí)的亮電流。重復(fù)a、b、c實(shí)驗(yàn)步驟，測(cè)量不同照度下的亮電流值，填入表1-7，并作出光照特性曲線表1-7照度Lx100200300400500600700800I亮（mA）2、伏安特性測(cè)量 在一定的光照強(qiáng)度下，

15、光電流隨外加電壓的變化而變化。測(cè)量時(shí)，根據(jù)表5-8，給定光照度(100 Lx)，調(diào)節(jié)05V電壓（由電壓表監(jiān)測(cè)），測(cè)得流過(guò)光敏三極管的電流,記錄數(shù)據(jù)填入表1-8，并作出伏安特性曲線。表1-8電壓（V）電流（mA）光照度（Lx）0.511.522.51003、 光敏三極管的光譜特性測(cè)量光敏三極管對(duì)不同波長(zhǎng)的光，接收靈敏度光不一樣的，它有一個(gè)峰值響應(yīng)波長(zhǎng)。當(dāng)入射光的波長(zhǎng)大于峰值響應(yīng)波長(zhǎng)時(shí)，相對(duì)靈敏度要下降。光子能量太小，不足以激發(fā)電子空穴對(duì)。當(dāng)入射光的波長(zhǎng)小于峰值響應(yīng)波長(zhǎng)時(shí)，相對(duì)靈敏度也要下降，這是由于光子在半導(dǎo)體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對(duì)不能到達(dá)PN結(jié)，因而使相對(duì)靈敏度下降。實(shí)驗(yàn)

16、時(shí)通過(guò)濾色片的得到不同波長(zhǎng)的光，不同波長(zhǎng)的光在相同的照度下，檢測(cè)出對(duì)應(yīng)的光敏三極管的電流大小，則得到不同波長(zhǎng)的靈敏度。光敏三極管響應(yīng)波長(zhǎng)（光譜特性）的實(shí)驗(yàn)方法與亮電流測(cè)試方法基本一樣，不同點(diǎn)就是擰下光源前蓋，更換不同顏色的濾色鏡，調(diào)節(jié)光源電壓，在相同照度(100 Lx)下，測(cè)得光電流，填入表1-9，并作出光譜特性曲線。表19 顏色(nm)光電流（mA）照度（Lx）紅(650)橙(610)黃(570)綠(530)青(480)藍(lán)(450)紫(400)100四、 光電池特性測(cè)試1 、光照特性測(cè)量硅光電池在不同的照度下，產(chǎn)生不同的光電流和光生電動(dòng)勢(shì)。它們之間的關(guān)系就是光照特性。（1）按圖1-1接線：將

17、光源兩個(gè)插孔接入主機(jī)箱012V可調(diào)電源的相應(yīng)插孔上（逆時(shí)針方向調(diào)節(jié)可調(diào)電源的旋鈕到底），將光電池的兩個(gè)插孔接到實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓墓韫怆姵厣希ǜ鶕?jù)顏色對(duì)應(yīng)連接）。（2）將照度計(jì)探頭兩個(gè)插孔接到主機(jī)箱的照度計(jì)輸入端的相應(yīng)插孔上，打開主機(jī)箱電源，將照度計(jì)探頭用遮光筒與光源連接起來(lái)，調(diào)節(jié)接入光源的012V電源調(diào)節(jié)旋鈕,使照度計(jì)顯示100Lx。拿去照度計(jì)探頭，把硅光電池連到遮光筒上，將主機(jī)箱的電壓表接到光電實(shí)驗(yàn)器件模板的硅光電池的電壓表接口上，測(cè)出100Lx照度下的開路電壓。把電壓表的引線斷開后，將主機(jī)箱的電流表串接到實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳?、硅光電池的電流表接口上，測(cè)出100Lx照度下的短路電流。重復(fù)以上方法，測(cè)出照度為2

18、00Lx600Lx時(shí)的硅光電池的開路電壓和短路電流，將數(shù)據(jù)填入表1-10，并作出光照特性曲線圖。表1-10光照度（Lx）100200300400500600短路電流（A）開路電壓（V）2、光譜特性光電池在不同波長(zhǎng)的光照下，產(chǎn)生不同的光電流和光生電動(dòng)勢(shì)。用不同顏色的濾色片得到不同波長(zhǎng)的光。濾色片更換：擰下光源前蓋，分別擰上紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種濾色片。在相同的照度(100Lx)之下，將測(cè)量結(jié)果填入表1-11，并作出光譜特性曲線圖。表1-11波長(zhǎng)（nm）紅橙黃綠青藍(lán)紫電動(dòng)勢(shì)（mV）電流（mA）實(shí)驗(yàn)報(bào)告1. 光敏電阻（1）分析光敏電阻的工作原理；（2）分析光敏電阻的光照特性，并畫出光照特性曲線；（3）分析光敏電阻的伏安特性，并畫出伏安特性曲線；（4）分析光敏電阻的光譜特性，并畫出光譜特性曲線。2. 光敏二極管(1) 分析光敏二極管的工作原理；(2) 分析光敏二極管的光照特性，并畫出光照特性曲線；(3) 分析光敏二極管的伏安特性，并畫出伏安特性曲線；(4) 分析光敏二極管的光譜特性，并畫出光譜特性曲線。3. 光敏