光敏二三極管特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?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(cè)試方法；

3、掌握光敏二、三極管的伏安特性及其測(cè)試方法；

4、掌握光敏二、三極管的光譜響應(yīng)特性及其測(cè)試方法；

5、掌握光敏二、三極管的時(shí)間響應(yīng)特性及其測(cè)試方法。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1、掌握光敏二、三極管的光照特性及其測(cè)試方法；

2、掌握光敏二、三極管的伏安特性及其測(cè)試方法；

3、掌握光敏二、三極管的光譜響應(yīng)特性及其測(cè)試方法；

4、掌握光敏二、三極管的時(shí)間響應(yīng)特性及其測(cè)試方法。

三、實(shí)驗(yàn)儀器

光電技術(shù)創(chuàng)新綜合實(shí)驗(yàn)儀                                             一臺(tái)

光敏二三極管實(shí)驗(yàn)?zāi)K                                               一塊

光源輸出及測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)K                                             一塊

連接導(dǎo)線                                                           若干

四、實(shí)驗(yàn)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(gè)PN結(jié)，和普通二極管相比有很多共同之處，它們都有一個(gè)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(gè)玻璃窗口能接收外部的光照；光敏二極管PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)很薄，光生載流子的產(chǎn)生主要在PN結(jié)兩邊的擴(kuò)散區(qū)，光電流主要來(lái)自擴(kuò)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(kuò)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(jiǎn)圖（b）、符號(hào)（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(méi)有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小（一般小于0.1微安），這個(gè)反向電流稱為暗電流，當(dāng)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(duì)，稱為光生載流子。它們?cè)赑N結(jié)處的內(nèi)電場(chǎng)作用下做定向運(yùn)動(dòng)，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(fù)載，負(fù)載上就獲得了電信號(hào)。因此光敏二極管在不受光照射時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時(shí)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(fù)偏壓下，當(dāng)入射光的強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)光敏二極管的電流隨之變化，在較小負(fù)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(shí)，相對(duì)于無(wú)光照曲線向下平移，光照越強(qiáng)，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(shí)P—N結(jié)暗電流ID遠(yuǎn)大于光生電流，做為探測(cè)器工作在這個(gè)區(qū)域是沒(méi)有意義的。第三象限為P—N結(jié)加反偏壓狀態(tài)，此時(shí)P—N結(jié)暗電流ID=ISO，數(shù)值很小，遠(yuǎn)小于光生電流IS，光伏探測(cè)器輸出的總電流，光伏探測(cè)器多工作在這個(gè)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(gè)對(duì)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(shí)質(zhì)上是一種相當(dāng)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(gè)過(guò)程，一是光電轉(zhuǎn)換；二是光電流放大。光電轉(zhuǎn)換過(guò)程是在b—c結(jié)內(nèi)進(jìn)行，它與一般光敏二極管相同。當(dāng)集電極加上相對(duì)于發(fā)射極為正向電壓而基極開路時(shí)（圖1-5（b）），則b—c結(jié)處于反向偏壓狀態(tài)。無(wú)光照時(shí)，由于熱激發(fā)而產(chǎn)生的少數(shù)載流子，電子從基極進(jìn)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(guò)。當(dāng)光照射基區(qū)時(shí)，在該區(qū)產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，光生電子在內(nèi)電場(chǎng)作用下漂移到集電極，形成光電流，這一過(guò)程類似于光敏二極管。與此同時(shí)。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(gè)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(cè)器，可用圖1-5（c）來(lái)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(shí)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(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

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(shí)針調(diào)至最小值；

3、若照度計(jì)、電流表或電壓表顯示為“1＿”時(shí)說(shuō)明超出當(dāng)前量程，應(yīng)選擇合適的量程再測(cè)量；

4、嚴(yán)禁將任何電源對(duì)地短路。

六、實(shí)驗(yàn)步驟

1、實(shí)驗(yàn)測(cè)試電路如圖1-7所示：

圖1-7 光強(qiáng)與光敏二三極管電流值關(guān)系測(cè)試電路

2、打開實(shí)驗(yàn)箱電源，調(diào)節(jié)照度計(jì)“調(diào)零”旋鈕，至照度計(jì)顯示為“000.0”為止，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)儀主板0—12V2，實(shí)驗(yàn)儀主板GND2與GND相連。12V2、GND2分別連接實(shí)驗(yàn)箱上電壓表的正負(fù)插孔，J1、J2分別連接實(shí)驗(yàn)箱上的光電二極管結(jié)構(gòu)件黃、藍(lán)插孔，同時(shí)將套筒紅、黑插孔與照度計(jì)紅、黑插孔相連；（做光電三極管實(shí)驗(yàn)時(shí)，J1、J2分別連接實(shí)驗(yàn)箱上的光電三極管結(jié)構(gòu)件黃、藍(lán)插孔）；

4、打開實(shí)驗(yàn)箱電源，按下K1和K2，同時(shí)保證其余開關(guān)都彈起； 

5、將光源及測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)K插入主機(jī)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(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)K電源開關(guān)K1，將S1,S2,S3開關(guān)向上撥，使光照強(qiáng)度為0，即照度計(jì)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(diǎn)電壓的大小）

7、保持“電源調(diào)節(jié)”旋鈕不旋動(dòng)，按“照度加”或“照度減”，測(cè)量照度為100Lx、150Lx、200Lx、250Lx、300Lx、350Lx、400Lx、450Lx、500Lx、550Lx、600Lx分別對(duì)應(yīng)的電壓值U（TP1點(diǎn)的電壓），R1=100K按照I=U/R1計(jì)算電流值，且將實(shí)驗(yàn)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(cè)試

8、改變電源供電偏壓U1，分別記錄電壓為8V、10V時(shí)，不同光照度下對(duì)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(cè)試

表1-3 10V偏壓下，光敏二極管光電特性測(cè)試

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(duì)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(cè)試

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(duì)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(cè)試

表1-6  300Lx照度，光敏二極管伏安特性測(cè)試

表1-7  400Lx照度，光敏二極管伏安特性測(cè)試

表1-8  500Lx照度，光敏二極管伏安特性測(cè)試

表1-9  600Lx照度，光敏二極管伏安特性測(cè)試

11、使可調(diào)電源偏壓調(diào)為5V分別測(cè)量不同顏色光在100Lx光照強(qiáng)度下，光敏二極管的電流值，將各個(gè)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(cè)試

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(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)K的J16與J17,18,J19插座相連接。觀察光源及測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)K的J16點(diǎn)波形和光敏二極管實(shí)驗(yàn)?zāi)KTP1點(diǎn)波形，分析光敏二極管的時(shí)間響應(yīng)特性；

13、光敏三極管與二極管的實(shí)驗(yàn)步驟相同，將J1、J2分別連接實(shí)驗(yàn)箱上的光敏三極管結(jié)構(gòu)件黃、藍(lán)插孔；

14、將“電源調(diào)節(jié)”旋鈕逆時(shí)針旋至不可調(diào)位置，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)箱電源。