光电传感技术实验.doc

实验 1 光电二极管、光电三极管光照特性的测试实验目的1) 掌握光电二极管的工作原理和使用方法。2) 进一步了解光电二极管的光照特性和伏安特性，为设计光电系统前置放大器打下基础。实验原理光电二极管是结型半导体光伏探测器件。当入射光子能量大于材料禁带宽度时，半导体吸收光子能量将产生电子-空穴对。在PN结区内产生的电子-空穴对在内建电场（光电二极管工作时加反向偏压Vb）工作下被分离，形成光生电势，产生光电流，其工作原理及伏安特性分别如图1所示。 P RLAAl后极SiO2光 图1 光电二极管工作原理图图2 光电三极管工作原理图RLNP 光AN光电三极管的工作原理如图2所示。正常运行时，集电极加正电压。因此，集电结为反偏置，发射结为正偏置，集电结为光电结。当光照到集电结上时，集电结产生光电流Ip向基区注入，同时在集电极电路中产生了一个被放大的电流 其中，为电流放大倍数，光电三极管的伏安特性如图3所示。E1E40E0VIE2E3E4E3E2E1E0(b) 光电三极管伏安特性曲线(a) 光电二极管伏安特性曲线E1E40E0VIE2E3E4E3E2E1E0图3 光电管的伏安特性图实验器材光电二极管、光电三极管、钨丝灯、调压变压器、照度表、毫安表、直流稳压电源等。实验内容实验内容如下：1) 测量光电二极管的光电流和照度特性曲线。2) 测量光电二极管不同照度下的伏安特性曲线。 实验装置如图4所示。调节调压变压器的电压值，可改变光照度，可测出光电二极管的光照特性，根据实验数据绘出曲线，并解释之。在照度恒定下，改变光电二极管的偏压值，可测出光电流值，绘出伏安特性曲线。改变照度值，重复测试，绘出多组伏安特性曲线。在实验中，可采用如表1、表2所示的表格来记录偏压值恒定条件下光电流-照度数据及光电二极（三极）管伏安特性数据。照度计光电探测器支流稳压电源A调压变压器 图4 光电二极管光照特性测试装置 表1 偏压值恒定条件下光电流-照度数据照度值E光电流I0 表2 光电二极(三极)管伏安特性数据恒定照度值 项 目第1次第2次第3次第4次 偏压值光电流偏压值光电流偏压值光电流实验2 硅光电池负载特性的测试实验目的1) 掌握硅光电池的正确使用方法。2) 了解光电池零负载，以及不同负载时光电流与照度的关系。实验原理光电池具有半导体结型器件无源直接负载下的工作特性，其工作原理如图1所示。IDIPN-P光ARL图 1 光电池工作原理图其中，外接负载为，为光电流，为二极管结电流。I为通过负载的外电流，有 式中：为光电流反向饱和电流。当为温度电压当量时，负载上的电压给光电池正向偏压。(1) 当零负载时（RL=0），式中外电流为短路电流，即 式中：S为光电流灵敏度。可见短路电流ISC和照度E成正比。(2) 当开路时（RL=），式中外电流I=0，则开路电压为 开路电压与照度E几乎无关；所有照度下的开路电压趋于光电池正向开启电压V=0.6V，并小于这个电压值。(3) 当负载在RL=0之间变化时，按经验公式求出最佳负载 当时，并忽略光电池结电流，负载电流近似等于恒定短路电流。当时，光电池结电流按指数增加，否则电流近似按指数形式减小。实验器材硅光电池、照度计、钨丝灯、调压变压器、直流稳压电源、毫伏电压表、微安表、电阻和电位计等。实验内容实验内容如下：1) 测定电池零负载下和E的关系。2) 测定光电池不同负载情况下的特性数据。光电池负载实验线路装置如图2所示。R4100B照度计调压变压器 图2 光电池负载实验装置GG1ACRLR3R5R6100I2I1VE 光电池受光照后，产生光电流I2，在A、B两点间的毫伏电压表会产生偏压。调节稳压电源VE后，产生补偿电流I1，I1和光电流I2方向相反。调节电位计R5（粗调）和R6（细调）使补偿电流I1与光电流I2相减，并促使毫伏电压表G1指示为零，此时，表示点A和点B电位相同，相当于光电池在A、B两点处电路为零状态下工作，根据电路平衡条件 则光电流为 按上面实验线路装置及测试原理，可以自行安排实验步骤进行实验，将实验结果填入表1中，在坐标纸上绘出相应的曲线并解释之。表1 实验数据表照度光电流负载/ 0 500 1200实验3 光敏电阻特性测试1、 实验目的（1） 熟悉光敏电阻的原理和特性参数；（2） 掌握光敏电阻的使用方法；（3） 培养应用光电传感器设计电路的能力。2、 实验仪器稳压电源、光敏电阻、负载电阻、万用表、光功率计、光源3、 测量系统的结构及原理由半导体材料制成的光敏电阻，工作原理基于内光电效应，当掺杂的半导体薄膜表面受到光照时，其导电率就发生变化。不同的材料制成的光敏电阻有不同的光谱特性和时间常数。光敏电阻的伏安特性、光谱特性、温度特性、光电特性、等均会影响器件的的使用。由于存在非线性，光敏电阻一般用在控制电路中，不适用作测量元件。EV微安表测试电路如图所示。4、 实验步骤（1） 测试光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电阻观察光敏电阻的结构，分别将光敏电阻置于光亮和黑暗之处，测得其亮电阻和暗电阻，暗电阻和亮电阻之差为光电阻值。光电阻越大，则灵敏度越高。接入另一光敏电阻，试作性能比较分析。（2） 光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流电源可从+2+8V间选用，分别在暗光和正常环境光照下测出输出电压和，则暗电流=/,亮电流=/，亮电流与暗电流之差称为光电流，光电流越大则灵敏度越高。分别测出两种光敏电阻的亮电流，并做性能比较。（3） 伏安特性伏安特性就是光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系。分别测得偏压为2V、4V、6V、8V、10V、12V时的光电流，并尝试高照射光源的光强，测得给定偏压时光强度的提高与光电流增大的情况。将所测得的结果填入表格并作出V/I曲线。（4） 光谱特性电源电压可采用直流稳压电源的负电源。用高亮度LED（红、黄、绿、蓝、白）作为光源，其工作电源可选用直流稳压电源的正电源。限流电阻用1K100K档电位器，首先应置电位器阻值为最大，打开电源后缓慢调小阻值，使发光管逐步发光并至最亮，当发光管达到最高亮度时不应再减小限流电阻阻值,确定限流电阻阻值后不再改变。各种光源的发光亮度可用照度计测得并可调节发光管电路使之光照度一致。分别测出光敏电阻在各种光源照射下的光电流，据此作出两种光电阻大致的光谱特性曲线：（5） 温度特性光敏电阻与其他半导体器件一样,性能受温度影响较大.随着温度的升高电阻值增大,灵敏度下降。分别测出常温下和加温(可用电烙铁靠近加温或用电吹风加温，电烙铁切不可直接接触器件)后的伏安特性曲线。（6） 光电特性实验电路电源可选用+12V稳压电源，适当串入一可变电阻，阻值在10K左右。发光LED接直流稳压电源的210V电压档，调节电路使发光管刚好发光，测得光电流，然后依次将发光管工作电压提高为4V，6V，8V，10V，用照度计依次测得光强，并测得光电流。或：置于暗光条件下，打开高亮度光源灯光，调节光源与光敏电阻的距离和照射角度，改变光敏电阻上入射光的光通量，观察光电流的变化。（7） 光控电路的设计参考上图设计暗光亮灯电路，分别用白纸、带颜色的纸、书本等改变光敏电阻的光照，观察灯控电路的亮灯情况。试设计一个亮通电路。5、 实验数据的记录和处理（1） 将不同颜色光照条件下测得的光电流数据记入附表1，据此做出两种光敏电阻大致光谱特性曲线。红黄绿蓝白光电阻1光电阻2（2） 将不同电压情况下测得的结果添入附表2并做出V-I曲线2V4V6V8V10V12V光电阻1光电阻2