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光敏二三极管特性测量实验

光敏二三极管特性测量实验

一、实验目的

1、了解光敏二、三极管的工作原理和使用方法及用途;

2、掌握光敏二、三极管的光照特性及其测试方法;

3、掌握光敏二、三极管的伏安特性及其测试方法;

4、掌握光敏二、三极管的光谱响应特性及其测试方法;

5、掌握光敏二、三极管的时间响应特性及其测试方法。

二、实验内容

1、掌握光敏二、三极管的光照特性及其测试方法;

2、掌握光敏二、三极管的伏安特性及其测试方法;

3、掌握光敏二、三极管的光谱响应特性及其测试方法;

4、掌握光敏二、三极管的时间响应特性及其测试方法。

三、实验仪器

光电技术创新综合实验仪                                             一台

光敏二三极管实验模块                                               一块

光源输出及测量实验模块                                             一块

连接导线                                                           若干

四、实验原理

1、光敏二极管的结构和原理

光敏二极管的核心部分也是一个PN结,和普通二极管相比有很多共同之处,它们都有一个PN结,因此均属于单向导电性的非线性元件。但光敏二极管作为一种光电器件,也有它特殊的地方。例如,光敏二极管管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照;光敏二极管PN结势垒区很薄,光生载流子的产生主要在PN结两边的扩散区,光电流主要来自扩散电流而不是漂移电流;又如,为了获得尽可能大的光电流,PN结面积比普通二极管要大的多,而且通常都以扩散层作为受光面,因此,受光面上的电极做的很小。为了提高光电转换能力,PN结的深度较普通二极管浅。图1-1为光敏二极管外形图(a)、结构简图(b)、符号(c)和等效电路图(d)。

a                 b                c                 d

图1-1 光敏二极管

光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态(见图1-2),在没有光照射时,反向电阻很大,反向电流很小(一般小于0.1微安),这个反向电流称为暗电流,当光照射在PN结上,光子打在PN结附近,使PN结附近产生光生电子和光生空穴对,称为光生载流子。它们在PN结处的内电场作用下做定向运动,形成光电流。光的照度越大,光电流越大。如果在外部电路上接上负载,负载上就获得了电信号。因此光敏二极管在不受光照射时处于截止状态,受光照射时处于导通状态。

图1-2 光敏二极管工作电路

光敏二极管在一定负偏压下,当入射光的强度发生变化时,通过光敏二极管的电流随之变化,在较小负载电阻下,光电流和照度成线性关系。如图1-3所示,这就是光敏二极管的光照特性。

图1-3 光照特性曲线

图1-4表示光照P—N结的伏安特性,有光照时,相对于无光照曲线向下平移,光照越强,曲线愈往下平移,光电流越大。图中第一象限为P—N结加正偏压状态,此时P—N结暗电流ID远大于光生电流,做为探测器工作在这个区域是没有意义的。第三象限为P—N结加反偏压状态,此时P—N结暗电流ID=ISO,数值很小,远小于光生电流IS,光伏探测器输出的总电流,光伏探测器多工作在这个区域。

图1-4 伏安特性曲线

光敏三极管与普通双晶体管十分相似,不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面,一般用集电结作为受光结,因此,光敏三极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通三极管。其结构与一般晶体管相类似,但也有其特殊的地方。如图1-5(a)所示,图中e、b、c分别表示光敏三极管的发射极、基极和集电极。正常工作时保证基极—集电极结(b—e结)为反偏压状态,并作为受光结(即基区为光照区)。光敏三极管通常有NPN和PNP型两种结构,常用的材料有硅和锗。例如用硅材料制作的NPN结构有3DU型,PNP型有3GU型,本实验系统中使用3DU型。采用硅的NPN型光敏三极管其暗电流比锗光敏三极管小,且受温度变化影响小。

光敏三极管的工作有两个过程,一是光电转换;二是光电流放大。光电转换过程是在b—c结内进行,它与一般光敏二极管相同。当集电极加上相对于发射极为正向电压而基极开路时(图1-5(b)),则b—c结处于反向偏压状态。无光照时,由于热激发而产生的少数载流子,电子从基极进入集电极,空穴则从集电极移向基极,在外电路中有电流(即暗电流)流过。当光照射基区时,在该区产生电子—空穴对,光生电子在内电场作用下漂移到集电极,形成光电流,这一过程类似于光敏二极管。与此同时。空穴则留在基区,使基区的电位升高,发射极便有大量电子经基极流向集电极,总的集电极电流为

式中β为共发射极电流放大倍数。因此,光敏三极管等效于一个光敏二极管与一般晶体基极—集电极结的并联。它是把基极—集电极光敏二极管的电流(光电流IP)放大β倍的光伏探测器,可用图1-5(c)来表示。

图1-5 光敏三极管结构及工作原理

(a)结构示意图  (b)光电变换原理  (c)电流放大作用

图1-6(c)示出了光敏三极管的暗电流与温度的关系。由于晶体管的放大作用,基极开路时的暗电流及它随温度上升都比光敏二极管大。

图1-6 光敏三极管特性

五、实验注意事项

1、连线之前要保证电源关闭;

2、打开电源之前,将“电源调节”旋钮逆时针调至最小值;

3、若照度计、电流表或电压表显示为“1_”时说明超出当前量程,应选择合适的量程再测量;

4、严禁将任何电源对地短路。

六、实验步骤

图1-7 光强与光敏二三极管电流值关系测试电路

2、打开实验箱电源,调节照度计“调零”旋钮,至照度计显示为“000.0”为止,关闭实验箱电源;(光路结构件连接参考光敏电阻模块图1-2)

3、J1连接实验仪主板0—12V2,实验仪主板GND2与GND相连。12V2、GND2分别连接实验箱上电压表的正负插孔,J1、J2分别连接实验箱上的光电二极管结构件黄、蓝插孔,同时将套筒红、黑插孔与照度计红、黑插孔相连;(做光电三极管实验时,J1、J2分别连接实验箱上的光电三极管结构件黄、蓝插孔);

4、打开实验箱电源,按下K1和K2,同时保证其余开关都弹起;

5、将光源及测量实验模块插入主机箱体的插槽中。航空插座FLED-IN与全彩灯光源套筒相连接,短路块连接J11插针的T端。打开光源及测量实验模块电源开关K1,将S1,S2,S3开关向上拨,使光照强度为0,即照度计显示为0,调节模块上的W1,使TP3电压为0;

6、将S1,S2,S3开关向下拨,将可调电源电压调为5V,光源颜色选为白光,用示波器CH1和CH2分别观察TP1和TP3的电压。(调节W4可改变TP3点电压的大小)

7、保持“电源调节”旋钮不旋动,按“照度加”或“照度减”,测量照度为100Lx、150Lx、200Lx、250Lx、300Lx、350Lx、400Lx、450Lx、500Lx、550Lx、600Lx分别对应的电压值U(TP1点的电压),R1=100K按照I=U/R1计算电流值,且将实验数据记录于表1-1中:

表1-1 5V偏压下,光敏二极管光电特性测试

照度(Lx)

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

电压U(V)

电流I(mA)

表1-2 8V偏压下,光敏二极管光电特性测试

照度(Lx)

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

电压U(V)

电流I(mA)

表1-3 10V偏压下,光敏二极管光电特性测试

照度(Lx)

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

电压U(V)

电流I(mA)

表1-4 100Lx照度,光敏二极管伏安特性测试

偏压U1(V)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

电流I(mA)

U1-U(V)

表1-5 200Lx照度,光敏二极管伏安特性测试

偏压U1(V)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

电流I(mA)

U1-U(V)

表1-6  300Lx照度,光敏二极管伏安特性测试

偏压U1(V)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

电流I(mA)

U1-U(V)

表1-7  400Lx照度,光敏二极管伏安特性测试

偏压U1(V)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

电流I(mA)

U1-U(V)

表1-8  500Lx照度,光敏二极管伏安特性测试

偏压U1(V)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

电流I(mA)

U1-U(V)

表1-9  600Lx照度,光敏二极管伏安特性测试

偏压U1(V)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

电流I(mA)

U1-U(V)

11、使可调电源偏压调为5V分别测量不同颜色光在100Lx光照强度下,光敏二极管的电流值,将各个光源100lx照度下光敏二极管的电流值记录在表1-10中。

表1-10  光敏二极管光谱特性测试

光源指示

1(红色)

2(橙色)

3(黄色)

4(绿色)

5(青色)

6(蓝色)

电流(mA)

12、将S1,S2,S3开关向上拨,将可调电源电压调为5V。将光源及测量实验模块的J16与J17,18,J19插座相连接。观察光源及测量实验模块的J16点波形和光敏二极管实验模块TP1点波形,分析光敏二极管的时间响应特性;

13、光敏三极管与二极管的实验步骤相同,将J1、J2分别连接实验箱上的光敏三极管结构件黄、蓝插孔;

14、将“电源调节”旋钮逆时针旋至不可调位置,关闭实验箱电源。

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