光敏二三極管特性測量實驗
一、實驗?zāi)康?/p>
1、了解光敏二、三極管的工作原理和使用方法及用途;
2、掌握光敏二、三極管的光照特性及其測試方法;
3、掌握光敏二、三極管的伏安特性及其測試方法;
4、掌握光敏二、三極管的光譜響應(yīng)特性及其測試方法;
5、掌握光敏二、三極管的時間響應(yīng)特性及其測試方法。
二、實驗內(nèi)容
1、掌握光敏二、三極管的光照特性及其測試方法;
2、掌握光敏二、三極管的伏安特性及其測試方法;
3、掌握光敏二、三極管的光譜響應(yīng)特性及其測試方法;
4、掌握光敏二、三極管的時間響應(yīng)特性及其測試方法。
三、實驗儀器
光電技術(shù)創(chuàng)新綜合實驗儀 一臺
光敏二三極管實驗?zāi)K 一塊
光源輸出及測量實驗?zāi)K 一塊
連接導(dǎo)線 若干
四、實驗原理
1、光敏二極管的結(jié)構(gòu)和原理
光敏二極管的核心部分也是一個PN結(jié),和普通二極管相比有很多共同之處,它們都有一個PN結(jié),因此均屬于單向?qū)щ娦缘姆蔷€性元件。但光敏二極管作為一種光電器件,也有它特殊的地方。例如,光敏二極管管殼上的一個玻璃窗口能接收外部的光照;光敏二極管PN結(jié)勢壘區(qū)很薄,光生載流子的產(chǎn)生主要在PN結(jié)兩邊的擴散區(qū),光電流主要來自擴散電流而不是漂移電流;又如,為了獲得盡可能大的光電流,PN結(jié)面積比普通二極管要大的多,而且通常都以擴散層作為受光面,因此,受光面上的電極做的很小。為了提高光電轉(zhuǎn)換能力,PN結(jié)的深度較普通二極管淺。圖1-1為光敏二極管外形圖(a)、結(jié)構(gòu)簡圖(b)、符號(c)和等效電路圖(d)。
a b c d
圖1-1 光敏二極管
光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)(見圖1-2),在沒有光照射時,反向電阻很大,反向電流很小(一般小于0.1微安),這個反向電流稱為暗電流,當光照射在PN結(jié)上,光子打在PN結(jié)附近,使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對,稱為光生載流子。它們在PN結(jié)處的內(nèi)電場作用下做定向運動,形成光電流。光的照度越大,光電流越大。如果在外部電路上接上負載,負載上就獲得了電信號。因此光敏二極管在不受光照射時處于截止狀態(tài),受光照射時處于導(dǎo)通狀態(tài)。
圖1-2 光敏二極管工作電路
光敏二極管在一定負偏壓下,當入射光的強度發(fā)生變化時,通過光敏二極管的電流隨之變化,在較小負載電阻下,光電流和照度成線性關(guān)系。如圖1-3所示,這就是光敏二極管的光照特性。
圖1-3 光照特性曲線
圖1-4表示光照P—N結(jié)的伏安特性,有光照時,相對于無光照曲線向下平移,光照越強,曲線愈往下平移,光電流越大。圖中象限為P—N結(jié)加正偏壓狀態(tài),此時P—N結(jié)暗電流ID遠大于光生電流,做為探測器工作在這個區(qū)域是沒有意義的。第三象限為P—N結(jié)加反偏壓狀態(tài),此時P—N結(jié)暗電流ID=ISO,數(shù)值很小,遠小于光生電流IS,光伏探測器輸出的總電流,光伏探測器多工作在這個區(qū)域。
圖1-4 伏安特性曲線
光敏三極管與普通雙晶體管十分相似,不同之處是光敏三極管必須有一個對光敏感的PN結(jié)作為感光面,一般用集電結(jié)作為受光結(jié),因此,光敏三極管實質(zhì)上是一種相當于在基極和集電極之間接有光敏二極管的普通三極管。其結(jié)構(gòu)與一般晶體管相類似,但也有其特殊的地方。如圖1-5(a)所示,圖中e、b、c分別表示光敏三極管的發(fā)射極、基極和集電極。正常工作時保證基極—集電極結(jié)(b—e結(jié))為反偏壓狀態(tài),并作為受光結(jié)(即基區(qū)為光照區(qū))。光敏三極管通常有NPN和PNP型兩種結(jié)構(gòu),常用的材料有硅和鍺。例如用硅材料制作的NPN結(jié)構(gòu)有3DU型,PNP型有3GU型,本實驗系統(tǒng)中使用3DU型。采用硅的NPN型光敏三極管其暗電流比鍺光敏三極管小,且受溫度變化影響小。
光敏三極管的工作有兩個過程,一是光電轉(zhuǎn)換;二是光電流放大。光電轉(zhuǎn)換過程是在b—c結(jié)內(nèi)進行,它與一般光敏二極管相同。當集電極加上相對于發(fā)射極為正向電壓而基極開路時(圖1-5(b)),則b—c結(jié)處于反向偏壓狀態(tài)。無光照時,由于熱激發(fā)而產(chǎn)生的少數(shù)載流子,電子從基極進入集電極,空穴則從集電極移向基極,在外電路中有電流(即暗電流)流過。當光照射基區(qū)時,在該區(qū)產(chǎn)生電子—空穴對,光生電子在內(nèi)電場作用下漂移到集電極,形成光電流,這一過程類似于光敏二極管。與此同時。空穴則留在基區(qū),使基區(qū)的電位升高,發(fā)射極便有大量電子經(jīng)基極流向集電極,總的集電極電流為
式中β為共發(fā)射極電流放大倍數(shù)。因此,光敏三極管等效于一個光敏二極管與一般晶體基極—集電極結(jié)的并聯(lián)。它是把基極—集電極光敏二極管的電流(光電流IP)放大β倍的光伏探測器,可用圖1-5(c)來表示。
圖1-5 光敏三極管結(jié)構(gòu)及工作原理
(a)結(jié)構(gòu)示意圖 (b)光電變換原理 (c)電流放大作用
圖1-6(c)示出了光敏三極管的暗電流與溫度的關(guān)系。由于晶體管的放大作用,基極開路時的暗電流及它隨溫度上升都比光敏二極管大。
圖1-6 光敏三極管特性
五、實驗注意事項
1、連線之前要保證電源關(guān)閉;
2、打開電源之前,將“電源調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)至最小值;
3、若照度計、電流表或電壓表顯示為“1_”時說明超出當前量程,應(yīng)選擇合適的量程再測量;
4、嚴禁將任何電源對地短路。
六、實驗步驟
1、實驗測試電路如圖1-7所示:
圖1-7 光強與光敏二三極管電流值關(guān)系測試電路
2、打開實驗箱電源,調(diào)節(jié)照度計“調(diào)零”旋鈕,至照度計顯示為“000.0”為止,關(guān)閉實驗箱電源;(光路結(jié)構(gòu)件連接參考光敏電阻模塊圖1-2)
3、J1連接實驗儀主板0—12V2,實驗儀主板GND2與GND相連。12V2、GND2分別連接實驗箱上電壓表的正負插孔,J1、J2分別連接實驗箱上的光電二極管結(jié)構(gòu)件黃、藍插孔,同時將套筒紅、黑插孔與照度計紅、黑插孔相連;(做光電三極管實驗時,J1、J2分別連接實驗箱上的光電三極管結(jié)構(gòu)件黃、藍插孔);
4、打開實驗箱電源,按下K1和K2,同時保證其余開關(guān)都彈起;
5、將光源及測量實驗?zāi)K插入主機箱體的插槽中。航空插座FLED-IN與全彩燈光源套筒相連接,短路塊連接J11插針的T端。打開光源及測量實驗?zāi)K電源開關(guān)K1,將S1,S2,S3開關(guān)向上撥,使光照強度為0,即照度計顯示為0,調(diào)節(jié)模塊上的W1,使TP3電壓為0;
6、將S1,S2,S3開關(guān)向下?lián)埽瑢⒖烧{(diào)電源電壓調(diào)為5V,光源顏色選為白光,用示波器CH1和CH2分別觀察TP1和TP3的電壓。(調(diào)節(jié)W4可改變TP3點電壓的大小)
7、保持“電源調(diào)節(jié)”旋鈕不旋動,按“照度加”或“照度減”,測量照度為100Lx、150Lx、200Lx、250Lx、300Lx、350Lx、400Lx、450Lx、500Lx、550Lx、600Lx分別對應(yīng)的電壓值U(TP1點的電壓),R1=100K按照I=U/R1計算電流值,且將實驗數(shù)據(jù)記錄于表1-1中:
表1-1 5V偏壓下,光敏二極管光電特性測試
照度(Lx) |
50 |
100 |
150 |
200 |
250 |
300 |
350 |
400 |
450 |
500 |
550 |
600 |
電壓U(V) |
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電流I(mA) |
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8、改變電源供電偏壓U1,分別記錄電壓為8V、10V時,不同光照度下對應(yīng)的電流值,并分別記錄于表1-2及表1-3中:
表1-2 8V偏壓下,光敏二極管光電特性測試
照度(Lx) |
50 |
100 |
150 |
200 |
250 |
300 |
350 |
400 |
450 |
500 |
550 |
600 |
電壓U(V) |
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電流I(mA) |
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表1-3 10V偏壓下,光敏二極管光電特性測試
照度(Lx) |
50 |
100 |
150 |
200 |
250 |
300 |
350 |
400 |
450 |
500 |
550 |
600 |
電壓U(V) |
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電流I(mA) |
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9、保持照度為100Lx不變,調(diào)節(jié)電源供電偏壓,使供電偏壓為1V、2V、3V、4V、5V、6V、7V、8V、9V、10V,分別記錄對應(yīng)的電流值,并記錄表1-4中:
表1-4 100Lx照度,光敏二極管伏安特性測試
偏壓U1(V) |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
電流I(mA) |
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U1-U(V) |
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10、按“照度加”,調(diào)節(jié)使光照為200Lx、300Lx、400Lx、500Lx、600Lx,記錄同一光照不同電壓下對應(yīng)的電流值,并分別記錄表1-5至表1-9中:
表1-5 200Lx照度,光敏二極管伏安特性測試
偏壓U1(V) |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
電流I(mA) |
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U1-U(V) |
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表1-6 300Lx照度,光敏二極管伏安特性測試
偏壓U1(V) |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
電流I(mA) |
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U1-U(V) |
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表1-7 400Lx照度,光敏二極管伏安特性測試
偏壓U1(V) |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
電流I(mA) |
|
|
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U1-U(V) |
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表1-8 500Lx照度,光敏二極管伏安特性測試
偏壓U1(V) |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
電流I(mA) |
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U1-U(V) |
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表1-9 600Lx照度,光敏二極管伏安特性測試
偏壓U1(V) |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
電流I(mA) |
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U1-U(V) |
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11、使可調(diào)電源偏壓調(diào)為5V分別測量不同顏色光在100Lx光照強度下,光敏二極管的電流值,將各個光源100lx照度下光敏二極管的電流值記錄在表1-10中。
表1-10 光敏二極管光譜特性測試
光源指示 |
1(紅色) |
2(橙色) |
3(黃色) |
4(綠色) |
5(青色) |
6(藍色) |
電流(mA) |
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12、將S1,S2,S3開關(guān)向上撥,將可調(diào)電源電壓調(diào)為5V。將光源及測量實驗?zāi)K的J16與J17,18,J19插座相連接。觀察光源及測量實驗?zāi)K的J16點波形和光敏二極管實驗?zāi)KTP1點波形,分析光敏二極管的時間響應(yīng)特性;
13、光敏三極管與二極管的實驗步驟相同,將J1、J2分別連接實驗箱上的光敏三極管結(jié)構(gòu)件黃、藍插孔;
14、將“電源調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針旋至不可調(diào)位置,關(guān)閉實驗箱電源。