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

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

表1-3 10V偏壓下，光敏二極管光電特性測試

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

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

表1-6  300Lx照度，光敏二極管伏安特性測試

表1-7  400Lx照度，光敏二極管伏安特性測試

表1-8  500Lx照度，光敏二極管伏安特性測試

表1-9  600Lx照度，光敏二極管伏安特性測試

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

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。