光电探测实验讲义(三实验版)

光电探测实验
实验一光敏电阻特性实验
一、实验目的
1.了解光敏电阻的各个特性，包括暗电流﹑亮电流﹑光谱特性﹑伏安特性﹑光电特
性。

2.通过实验认识光敏电阻的传感机理。

二、实验原理:
光敏电阻又称为光导管,是一种均质的半导体光电器件,其结构如图(1-1)所示。

光敏电阻受到光线照射时，电子迁移，产生电子—空穴对，使电阻率变小。

光照越强，阻值越低。

入射光线消失，电子—空穴对恢复，电阻值逐渐恢复原值。

由于半导体在光照的作用下,电导率的变化只限于表面薄层,因此将掺杂的半导体薄膜沉积在绝缘体表面就制成了光敏电阻，不同材料制成的光敏电阻具有不同的光谱特性。

光敏电阻采用梳状结构是由于在间距很近的电阻之间有可能采用大的灵敏面积,提高灵敏度。

三、实验所需部件:
直流稳压电源、光敏电阻、光敏电阻实验模块、
四、实验步骤:
1. 测试光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电阻（选做）：
观察光敏电阻的结构,用遮光罩将光敏电阻完全掩盖,用万用表
测得的电阻值为暗电R暗,移开遮光罩，在环境光照下测得的光敏电阻的阻值为亮电阻，暗电阻与亮电阻之差为光电阻，光电阻越大，则灵敏度越高。

2. 光敏电阻的光电特性：
在一定的电压作用下，光敏电阻的光电流与照射光通量的关系为光电特性，其理论图形见图（1-2）所示。

图（1-2）光敏电阻的光电特性
我们将直流稳压电源置于+/-10V档，光敏电阻探头用专用导线一端连接后，插入照度表实验架上传感器安装孔，导线另一端插入光敏电阻实验模块“光敏电阻Ti”插口，并将输出指示开关置于照度指示。

关闭光强开关，记下电流表的读数，此即为暗电流。

开启光强开关，调节光强为200Lx、400Lx、600Lx、800Lx、1000Lx，分别记下电流表读数，填入下表。

作出照度--电流曲线
3. 伏安特性
按图（1-3）将“光敏电阻实验模块”连线，检查连线是否正确。

图（1-3）
直流稳压电源转置“+/-2V”档，开启电源，并将强光调节为1000Lx。

记下此时电流表读数。

将电压分档逐步调整至+/-10V，并逐一记下电流表读数填入下表：
作出V—I曲线；
将光强开关分布调至600Lx和800Lx，直流稳压电源置+/-4V档，重复上述步骤，作出相关V—I曲线，比较三条曲线有什么不同。

4. 光谱响应特性
开启电源及光强开关，并将光强旋至最大，输出指示开关置于光谱指示；
调节三棱镜，使其白光均匀的分为彩色光谱。

转动光谱支架测微杆使光谱带进入传感器的透光狭缝中。

“光敏电阻实验模块”如图（1-4）连线；+Vcc＝10V。

图（1-4）
转动光谱支架测微头，使透光狭缝分别透过不同颜色的光，记下相对应的电压读数值。

填入下表：
读数最大的那一点必须记下。

图1-5几种光敏电阻的光谱特性参考曲线
注：为使实验直观，该实验没有在封闭的黑盒中进行，所以具有一定的外界因素干扰，实验时请注意不要使正面干扰光过大，同时注意人员的移动时对光照度的影响。

五、注意事项:
1. 实验时务必保证连线的正确，否则敏感元件有被烧毁的危险。

2. 光源照射时温度比较高，避免用手直接触摸。

3. 光谱特性测量时，三棱镜分光要使得光束严格与透光狭缝平行。

六、思考题：
1.简要回答光敏电阻的工作原理。

2.什么是光敏电阻的暗电流，它的大小是由什么因素决定的。

实验二光敏二极管特性实验
一、实验目的
1.了解光敏二极管暗电流﹑光电流；
2.通过对光敏电阻的灵敏度和光谱特性的测量，了解其
工作原理。

二、实验原理:
光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是
一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。

光敏二极管与普通晶体二极管不同之处在于PN结面积较大且距表面较浅，可以直接接受光的照射。

在没有光线照射时，在电路中反向偏置，反向电流很小（称为暗电流），此时光敏二极管截止；当光线照射PN结时，在PN附近产生电子—空穴对，并越过PN结产生光电流，光电流随入射光线强度改变。

光敏二极管结构见图(2-1)。

三、实验所需部件:
光敏二极管、光敏二极管实验模块、电压表（200mV档）
四、实验步骤:
按图(2-2)接线,在负载选择单元中选择R=20K作为R f接入I/V变换器。

注：因光敏二极管产生的光电流比较小，为便于读数，所以采用I/V变换器将光电流I转换成电压，其关系为：I=V/R f。

图(2-2)
1、光电特性、暗电流测试
用遮光罩盖住光敏二极管上并关闭光强开关，记下电压表的读数，此即为暗电流。

调节光强为下表的各数值，分别记下电压表的读数填入下表。

作出照度—电流曲线
将光敏二极管的“＋”极与地极之间的连线拆去，在“＋”极接入-4V电压使光敏二极管处负偏压状态。

重复上述过程，比较下与零偏压使有什么区别。

2、伏安特性:
如图2-2连线（零偏压），开启电源及光强开关，将光强置于1000Lx，记下此时的电压表读数。

将光敏二极管“＋”极与地极之间的连线去除，将“直流稳压电源”单元中“-Vcc”端口与光敏二极管“＋”极相连，给二极管加上偏压。

直流稳压电源从-4V逐步调整至-10V，记录下每一步的电压表读数值填入下表。

作出V—I曲线。

将光强分别调至750Lx、500Lx档，重复上述步骤，比较三条曲线有什么不同。

3、光谱特性测试:
不同材料制成的光敏二极管对不同波长的入射光反应灵敏度是不同的。

由图（2-4）可以看出，硅光敏二极管和锗光敏二极管的响应峰值约在80~100μm。

实验模块还是按照图2-2连线。

安装上分光三棱镜，调整光谱带，转动光谱支架测微杆使光谱带进入传感器的透光狭缝中。

将光强调至最大，并使透光狭缝处于光谱红外区，记下此时电压表读数。

转动微杆，使透光狭缝分别进入不同颜色光区，记下不同区域的电压读数。

填入下表。

参考曲线：
图（2-3）光敏管的伏安特性曲线（2-4）光敏二极管的光谱特性曲线
五、注意事项
1. 确保连线的正确，避免烧掉光电元器件。

2. 光电二极管有可能灵敏度过高，光电特性测量有些困难，测量时光照的改变幅度可适当减小。

六、思考题：
1.什么是光敏二极管的暗电流和光电流，测量中存在的暗电流误差值是由什么原因造
成的。

2.举例说明光敏二极管的实际应用。

实验三光电池特性测试.
一、实验目的
1.通过实验掌握光电池的工作原理。

2.了解光电池的各个电学特性，包括光电特性﹑光谱特性﹑伏安特性。

二、实验原理:
光电池的结构其实是一个较大面积的半导体PN结，工作原理即是光生伏特效应,当负载接入PN两极后即得到功率输出。

在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象，称为光生伏特现象。

三、实验所需器件:
光电池元件、光电池模块
四、实验步骤:
1.光电池短路电流测试：
光电池的内阻在不同光照时是不同的，所以在测得暗光条件下光电池的内阻后,应选用相对小得多的负载电阻。

(这样所测得的电流近似短路电流)负载电阻越小，光电流与光强的线性关系就越好。

硅光电池的光电特性曲线
按图4-1连线。

开启电源，调节光强为0、250、500、750、1000、1250Lx，记下电流表的读数，填入下表。

作出照度—短路电流曲线；
2.开路电压实验：
如图4-2连线；（讲义16面图9）
图4-2
开启光强开关，调节光强为0、50、100、150、200、250、500、750、1000、1250Lx，记下电压表的读数，并将数据填入下表：
作出照度—开路电压曲线。

3.光电池伏安特性测试：
图（4-3）光电池的伏安特性曲线
当光电池负载为电阻时，光照射下的光电池的输出电压与电流的关系。

见图（4-3）。

曲线的横坐标值为光电池开路电压值，纵坐标为短路电流值。

当接入负载电阻R L时，负载线R L与伏安特性曲线的交点为工作点，此时光电池的输出电流与电压的乘积为光电池的输出功率P光。

如图4-4将实验模块连线。

图4-4
调节光强为1000Lx，记录RL为下表中不同阻值时，电压/电流表读数，填入表格：
调节光强为500Lx、250Lx重复上述步骤。

4.光电池光谱特性测试：
光电池的光谱特性可参见图（4-5）所示，硒光电池的光谱响应范围30~70µm，硅光
电池的光谱响应在50~100µm。

图（4-5）光电池的光谱特性曲线
测试时，光电池模块还是按照图4-4连线。

开启电源，调节光强到最大。

利用分光三棱镜得到均匀分布的光谱。

转动光谱支架测微杆使光谱带的各颜色光区分别进入传感器的透光狭缝中。

记下分别的电压表读数，填入下表。

五、注意事项:
实验中都没考虑外界的光干扰，应注意避免正面较大的干扰光照。

六、思考题：
1. 举出几个光电池的实际应用。

2. 举例说明一下硅光电池的结构。

3. 限制光电池的使用范围的因素有哪些？。