光电探测器特性测试
光电探测器特性测试
王凤鹏编写
实验教学目的：
1、学习常见光电光电探测器的工作原理和使用方法；
2、掌握光电二极管、光电池的光照度特性及其测试方法；
3、掌握光电二极管、光电池的伏安特性并其测试方法；
4、了解光照度的基本知识和测量原理、方法。
学生实验内容：
1、光电二极管的光照度特性测试
2、光电二极管伏安特性测试
3、光电池的光电特性测试
4、光电池负载特性测试
实验教学仪器：光电二极管，电压源，发光二极管，光电池，照度计，电流表，电压表。
实验教学课时：
4 学时（其中讲授及演示1 学时，学生实验及指导3 学时）
实验教学方式：理论讲授、指导学生实验，以指导为主，培养学生动手操作能力、独立思考能力和创新能力。
教学重点：光电效应及其分类、光电探测器特性的测试方法、光电探测器特性的意义。
实验教学内容：
一、实验原理
1、光电效应光电探测器件的物理基础是光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。在光线作用下，物体的电子逸出物体表面、向外发射的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。内光电效应是指光与物体内的电子作用后，电子不逸出物体外，而是在物体内使导电率发生变化（光电导效应）或产生电动势（光生伏特效应）的现象。光敏电阻就是基于光电导效应的。本实验所研究的光电二极管和光电池则是基于光生伏特效应的光电探测器。
2、光电二极管工作原理和特性
光敏二极管是一种PN 结单向导电性的结型光电器件，在电路中通常工作在反向偏压状态，其原理电路如图5.1 所示。
图5.1光电二极管工作原理
当无光照时，处于反偏的光电二极管工作在截止状态，这时只有少数载流子在反向偏
当光电二极管受到光照时，
PN 结附近受光子轰击，吸收光子能量后产生电子
-空穴对，
从而使P 区和N 区的少数载流子浓度大大增加。 因此在外加反偏电压和内电场的作用下，
P
区少数载流子（电子）渡过势垒区进入
N 区，同样N 区的少数载流子（空穴）也渡过势垒
区进入P 区，从而形成光电流。在一定偏压下，入射光子越多，产生的电子 -空穴对越多， 则光电流越大，即光电流与照度成线性关系，
这就是光电二极管的光照特性，
如图5.2所示。
在一定光照下，光电二极管的输出光电流与偏压的关系称为伏安特性。如图 5.3所示。
3、光电池工作原理和特性
光电池的结构工作原理如图 5.4所示。当N 型半导体和P 型半导体结合在一起后，由 于热运动，N 区的电子向P 区扩散，而P 区的空穴也向N 区扩散。结果是 N 区靠近交界处 留下较多的空穴，而 P 区靠近交界处留下较多的电子，于是在交界处形成一个电场，由
N 区指向P 区。当光照射 PN 结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子 -空穴
对，称为光生空穴或光生电子。在
PN 结电场的作用下，N 区的光生空穴被拉到 P 区，P 区
的光生电子被拉到 N 区，结果，在 N 区聚积负电荷，P 区聚积正电荷，这样，
N 区和P 区
-
「
P N
N
图5.2 光电二极管光照特性
图5.3光电二极管伏安特性
之间就出现了电位差。若将 PN 结两端用导线连起来，电路中就有电流流过，电流方向由 区经外电路至N 区。
图5.4光电池结构原理
光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的，这称为光谱特性。由不同半导体材料制成 的光电池的光谱特性不同，如图
5.5所示。
在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系称为光照特性。
图5.5 光电池的光谱特性
图5.6光电池的光照特性
四、实验内容和步骤
1、光电二极管的光照度特性测试
如图5.7所示，负载电阻 R L 1取2.4K ，将面板上“光电二极管+ ”端与电流表“ +”端用 导线连接，电流表“-”端与R L 1任一端连接，R L 1另一端与“光电二极管-”连接，此时光 电二极管偏压为零。
电流表先用20UA 档，将“光照度调节”调至最小（逆时针） 。打开电源开关，增大光 照度值，
分别记下不同照度下对应的光电流值。光照度调到最小后关闭电源。
作出零偏压下光电二极管的光照度
-电流曲线。
如图5?6所示。
500 too
806040
0 ~_40G 600
800~[000 1200 A / nm i
100 50
0 0
50
100
150
200
250
300
350
光照度(Lx)
450 400
光电池光电特性曲线
o o o o O
AU/WV
偏压
图5.7光电二极管光照特性测试
将电压表调到20V档，“幅度调节”调至最小。将“直流电源0-12V”端与电压表“ +
端连接，将“直流电源”的另一端（接地端）与电压表“-”端相连。打开电源开关，顺时
针调节“幅度调节”直至电压为6V。关闭电源，拆掉电压表两端与直流电源两端的连线，
拆掉电流表“-”端与R L之间的连线。
将“直流电源0-12V ”端与R LI相连，R LI另一端与光电二极管“-”端相连，光电二极管“+”与电流表“ + ”相连，将“直流电源”接地端与电流表“-”端相连。将“光照度调
节”至最小，打开电源，记下此时电流表的读数，此即为暗电流；增大光照度值，分别记下不同照度下对应的光电流值。
作出在-6V偏压下光电二极管的光照度-电流曲线。改变偏置电压，测出不同偏压下的光照特性曲线，比较不同偏压下的光照特性曲线的区别，并说明原因。
2、光电二极管伏安特性测试
如图5.8所示，负载RL选择R LI=2.4K。将“光电二极管+”端与电流表“ + ”端用导线连接，电流表“―”端与R LI任一端连接，R LI另一端与“光电二极管―”端相连，此时光
电二极管偏压为零。
电流表档们调节至20 S档，“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。打开电源开关，顺时针调节照度调节旋钮，使照度值为50Lx，记下此时电流表读数。关闭电源，拆
掉电流表“一”端与RL1之间的连线。
电压表调到20V档，“幅度调节”旅钮逆时针调至最小值位置。将“直流电源0-12V”端与R LI连接，将“直流电源另一端（接地端）与电流表“―”端连接。再将电压表“+ ”端与“直流电源0-12V ”端相连，“直流电源”接地端与电压表“―”端相连。打开电源开关，调节“幅度调节”旋钮，直至电压表显示为 2.00为止，记下光电二极管所加反向偏压
为2、4、6、8、10V等不同电压时电流表的读数。作出50Lx照度下的光电二极管伏安特性
曲线。
重复上述步骤，分别测出量光电二极管在100Lx、200Lx、300Lx等不同照度下的伏安
特性曲线。比较这些伏安特性曲线的并说明原因。
3、光电池的光电特性测试 (1)开路电压特性测试
如图5.9所示。将“光电池电压输出 + ”端与电压表“ + ”端相连，“光电池电压输出一 端与电压表“-”端相连。电压表档位调至
2V 档，“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小
值位置。打开电源开关，顺时针调节“光照度调节”旋钮，逐渐增大光照度，记下不同光照 度下的开路电压值。
作出光照度一开路电压特性曲线。
光照度调节
图5.9 开路电压特性测试
(2)短路电流特性测试
如图5.10所示。将“光电池电压输出+ ”端与电流表“ +”端相连，“光电池电压输出一 端与电流表“―”端相连。电流表档位调至
20 S 档，“光照度调节”旋钮逆时针调节至最
小值位置。打开电源开关，顺时针调节“光照度调节”旋钮，逐渐增大光照度，记下不同光 照度下的短路电流值。
作出光照度一短路电流特性曲线。
光照度调节
图5.10短路电流特性测试
4、光电池负载特性测试
偏压
+