光电器件特性实验

光电器件特性实验（光电二极管、光电三极管，光敏电阻）
一、实验目的
1、了解光敏电阻的光电特性、光谱响应特性、频率特性等基本特性，测出它的伏安特性曲线和光照特性
曲线。

2、了解光敏二极管的基本特性，测出它的伏安特性和光照特性曲线。

3、了解硅光电池的基本特性，测出它的伏安特性曲线和光照特性曲线。

4、了解光敏三极管的基本特性，测出它的伏安特性和光照特性曲线。

5、了解光纤传感器基本特性和光纤通讯基本原理。

二、实验原理
1、光敏电阻
在光照作用下能使物体的电导率改变的现象称为内光电效应。

本实验所用的光敏电阻就是基于内光电效应的光电元件。

当内光电效应发生时，固体材料吸收的能量使部分价带电子迁移到导带，同时在价带中留下空穴。

这样由于材料中载流子个数增加，使材料的电导率增加，电导率的改变量为
（1）
在（1）式中，e为电荷电量，△p为空穴浓度的改变量，△n为电子浓度的改变量，μ表示迁移率。

当两端加上电压U后，光电流为：
（2）
式中A为与电流垂直的表面，d为电极间的间距。

在一定的光照度下，△σ为恒定的值，因而光电流和电压成线性关系。

光敏电阻的伏安特性如图2所示，不同的光照度可以得到不同的伏安特性，表明电阻值随光照度发生变化。

光照度不变的情况下，电压越高，光电流也越大，而且没有饱和现象。

当然，与一般电阻一样光敏电阻的工作电压和电流都不能超过规定的最高额定值。

图2 光敏电阻的伏安特性曲线图3 光敏电阻的光照特性曲线
当光电器件电极上的电压一定时，光电流与入射到光电器件上的光照强度之间的关系称为光照特性。

光敏电阻的光照特性则如图3所示。

不同的光敏电阻的光照特性是不同的，但是在大多数的情况下，曲线的形状都与图3的结果类似。

由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不适宜作线性敏感元件，这是光敏电阻的缺点之一。

所以在自动控制中光敏电阻常用作开关量的光电传感器。

光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。

光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。

图4为几种不同材料光
敏电阻的光谱特性。

对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。

图4 光敏电阻的光谱特性图5 光敏电阻的频率特性
实验证明，光敏电阻的光电流对光照强度的变化有一定的响应时间，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。

光敏电阻自光照停止到光电流下降至原值的63%时所经过的时间称为光敏电阻的时间常数。

大多数的光敏电阻时间常数都较大，这是它的缺点之一。

不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数（毫秒数量级），因而它们的频率特性也就各不相同。

图5为硫化镉和硫化铅两种不同材料的光敏电阻的频率特性，即相对灵敏度KI与光强变化频率f之间的关系曲线。

此外，光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。

总之，光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点，所以应用广泛。

2、光敏二极管与光敏三极管
2.1光敏二极管与光敏三极管结构
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。

无光照时，有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光敏二极管截止。

当受到光照时，饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。

光敏二极管结构见图6。

光敏三极管是具有NPN或PNP结构的半导体管，结构与普通三极管类似。

图6 光敏二极管结构图
2.2光敏二极管与光敏三极管特性
⑴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。

⑵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。

图7光敏二极管的伏安特性曲线图8光敏三极管的伏安特性曲线
⑶光照特性
光敏传感器的光谱灵敏度与入射光强之间的关系称为光照特性，有时光敏传感器的输出电压或电流与入射光强之间的关系也称为光照特性，它也是光敏传感器应用设计时选择参数的重要依据之一。

图9 光敏二极管的光照特性曲线图10光敏三极管的光照特性曲线
⑷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。

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。

⑸光谱特性
不同材料制成的光敏二极管与光敏三极管有着不同的光谱特性，它反映了光敏二极管与光敏三极管对不同波长的光反应的灵敏度是不同的。

把反应最灵敏的波长，叫做该光敏二极管或光敏三极管的峰值波长。

三、实验内容
1、光敏电阻特性实验
1.1光敏电阻伏安特性测试实验
（1）按原理图11接好实验线路，将光源用的标准钨丝灯和光敏电阻板置测试架中，电阻盒以及转接盒插在九孔板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供。

（2）通过改变光源电压或调节光源到光敏电阻之间的距离以提供一定的光强，每次在一定的光照条件下，测出加在光敏电阻上电压U为+2V、+ 4V、+6V、+8V、+10V时5个光电流数据，即，同时算出此时光敏电阻的阻值。

以后逐步调大相对光强重复上述实验，进行5～6次不同光强实验数据
测量。

（3）根据实验数据画出光敏电阻的一组伏安特性曲线。

图11光敏电阻伏安特性测试电路图12 光敏二极管特性测试电路
1.2光敏电阻的光照特性测试实验
（1）按原理图17接好实验线路，将光源用标准钨丝灯和检测用光敏电阻置测试架中，电阻盒以及转接盒插在九孔板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供。

（2）从U=0开始到U =12V，每次在一定的外加电压下测出光敏电阻在相对光照强度从“弱光”到逐步增强
的光电流数据，即：同时算出此时光敏电阻的阻值，即：。

（3）根据实验数据画出光敏电阻的一组光照特性曲线。

2、光敏二极管的特性实验
3.1、光敏二极管伏安特性实验
（1）按原理图12接好实验线路，将光电二极管板置测试架中、电阻盒置于九孔插板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供，光源电压0～12V（可调）。

（2）先将可调光源调至相对光强为“弱光”位置，每次在一定的照度下，测出加在光敏二极管上的反偏电压
与产生的光电流的关系数据，其中光电流(l.00KΩ为取样电阻R），以后逐步调大相对光强（5～6次），重复上述实验。

（3）根据实验数据画出光敏二极管的一组伏安特性曲线。

3.2、光敏二极管的光照度特性实验
（1）按原理图19接好实验线路。

（2）反偏压从U=0开始到U=+l2V，每次在一定的反偏电压下测出光敏二极管在相对光照度为“弱光”到逐
步增强的光电流数据，其中光电流(l.00KΩ为取样电阻R）。

（3）根据实验数据画出光敏二极管的一组光照特性曲线。

4、光敏三极管特性实验
4.1光敏三极管的伏安特性实验
图13 光敏三极管特性测试实验
（1）按原理图13接好实验线路，将光敏三极管板置测试架中、电阻盒置于九孔插板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供，光源电压0～12V（可调）。

（2）先将可调光源调至相对光强为“弱光”位置，每次在一定光照条件下，测出加在光敏三极管的偏置电压
U CE与产生的光电流I C的关系数据。

其中光电流(l.00KΩ为取样电阻R）。

（3）根据实验数据画出光敏三极管的一组伏安特性曲线。

4.2光敏三极管的光照度特性实验
（1）实验线路如图13所示。

（2）偏置电压U C：从0开始到+12V，每次在一定的偏置电压下测出光敏三极管在相对光照度为“弱光”到逐
步增强的光电流I C的数据，其中光电流(l.00KΩ为取样电阻R)。

（3）根据实验数据画出光敏三极管的一组光照特性曲线。

5、光纤传感器原理及其应用
5.1光纤传感器基本特性研究
图14和图15分别是用光电三极管和光电二极管构成的光纤传感器原理图。

图中LED3为红光发射管，提供光纤光源；光通过光纤传输后由光电三极管或光电二极管接受。

LED3、PHT 101、PHD 101上面的插座用于插光纤座和光纤。

①通过改变红光发射管供电电流的大小来改变光强，分别测量通过光纤传输后，光电三极管和光电二极管上产生的光电流，得出它们之间的函数关系。

注意：流过红光发射管LED3的最大电流不要超过40mA；光电三极管的最大集电极电流为20mA，功耗最大为：75mW/25℃。

②红光发射管供电电流的大小不变，即光强不变，通过改变光纤的长短来测量产生的光电流的大小与光纤长短之间的函数。

图14 光纤传感器之光电三极管图15 光纤传感器之光电二极管.
四、数据与结果分析
表二光敏电阻亮电阻的测量
表三光电二极管光照特性测量值。