光电器件特性实验
6页1、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,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,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
2、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
3、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
4、流值即为光电二、三极管的暗电流。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 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
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