光电器件特性实验

实验一光电转换特性测试

一、实验目的

熟悉MOS图象传感器工作原理，初步掌握SSPA器件光电转换特性曲线的测试方法。

二、实验原理

1、熟悉SSPA 驱动电路板。

2、波形观察和记录。

按规定给驱动板加上直流电源，用均匀直流光源照明SSPA 器件，用脉冲示波器观察并记录器件工作波形及其相互位相关系、高低电平或幅度，包括 S t、1、2、V o 、Eos 等信号。

3、光电转换特性测试（见图1）。

图1 光电转换特性测试装置图

测试条件：① 光源： 2856 K 钨灯（用白炽小灯泡代替）

② R L 10K,C L 51pF

③ f v 100KHz

④ 记录积分时间 T int ms

三、使用仪器、材料稳压源，光源（白炽灯），照度计，SSPA驱动电路板，示波器，滑座支架

四、实验步骤

1、由小到大改变光源（改变光强与器件之间的距离以及白炽灯本身自带的控制亮度的开关来实现），用示波器观测记录各光强下的视频输出 V o幅度（mV ）及对应的照度H 的值（ L x ），列表记录（线性区至少取5 个点，饱和区取3 个点）。

2、用坐标纸做出散点图，拟合并绘出H ~V o 光电转换曲线，标出曲线上的特征点。

五、实验过程原始记录（数据、图表、计算等）

1、连接好电路及各实验装置，观察并记录SSPA 器件工作波形（结果如

下图所示：

2、实验测得的原始数据如表1 所示：

1

H Lx 3.76 4.16 5.23 6.25 6.949.4711.4413.89

V o mV1012141518222222由实验数据得到H ~V o 的曲线图：S t 、 1 、 2 、

V o 、Eos等），

24mV V

12mV EOS

?1

48mV

?2

48mV

5μs 5μs

图 2 SSPA 器件工作波形

图 3 H ～V o 光电转换曲线

3、由曲线图可以得到 V os 22mV ， H s 9.47 Lx 。

（1）记录的积分时间：

T （2.5 1.5） 0.5ms 2ms 。

（2）饱和曝光量

E s H s T int 9.47 2 103 1.894 10 2L x s

（3）灵敏度

S

E s

22

1.894 10

2 1.161 10 mV

（Lx s ）

4、通过 H~V o 曲线，简要分析 SSPA 工作特性。

由H ~V o 曲线得出，当 H

称为饱和电压。

实验二不均匀性、暗信号及动态范围测试

、实验目的

了解SSPA器件参数的定义，初步掌握其简单的测试方法。

、实验原理

1．不均匀性NU 测试。

图1 不均匀性测试装置框图

测试条件：① 光源：直流日光灯(用白炽灯代替) 。②视频信号经驱动板放大后测试。

③记录视频信号频率 f v(KHz)，积分时间 T int ( ms) 。

三、使用仪器、材料

SSPA驱动电路板，白炽灯，照度计，电源，示波器等。

四、实验步骤

1、不均匀性NU 测试：

①加大照射在SSPA光敏面上的光强，使视频输出达到饱和值 V os ，记录 f v 、 T int 、V、V

，取其平均值

V =

(V V )/2

。

osmax osmin os osmax osmin

②减小光强(拉大光源与器件之间的距离)使器件输出幅度为V os = (V osmax V osmin )/2，记录视频信号中的 V omax、V omin(不记第1，2位和末2位)，平均值V o。

③计算不均匀性NU 值： NU (V osmax V osmin ) V o 100%。

2、暗信号及动态范围测试

①无光照条件下，用示波器灵敏档测试SSPA的视频输出即为暗信号 V d(V p p 值)，记录其中的最大最小值 V dmax、V dmin ，即暗信号差值。

②机器可读的动态范围DR 按下式计算：DR V os V d 。

五、实验过程原始记录(数据、图表、计算等)

1、不均匀性NU 测试

①加大照射在SSPA光敏面上的光强，使视频输出达到饱和值 V os ，记录T v 0.5 20 s 10 s ，则

f v 100 KHz T int (5.5 0.8) 0.2ms 1.26 ms

其每格为50 m，所以头发的长度为150 m

实验五光电二极管的特性测试

、实验目的

1.了解光电二极管的工作原理。

2. 掌握光电二极管基本性能的测试方法。

3. 掌握光电二极管的使用方法。

二、实验原理光电二极管的基本特性分为以下三方面：

1. 光照特性：在一定工作偏压下，光电二极管的输出电流I 和照度E v 之间的关系测试电路如图1。

三、实验器材：

白炽灯1 台，光电二极管2CU 1支，照度计1台，万用表1台，电阻若干，实验板1 块，导线若干。

四、实验步骤：

1. 光电二极管光照特性的测试。

错误!未找到引用源。判断光电二极管的极性，按图1 连接电路。

②选择适当的偏压V c ,和负载电阻R L。按表1的要求将测试换算结果逐点填入表中。

③改变偏压V c或负载R L ,观察光电二极管光照特性的变化2.光电二极管伏安特性的测试。

错误!未找到引用源。按图1接线，将电流计串入回路中② 调定合适的R L ，记录结果。

五、实验过程原始记录（数据、图表、计算等）

1.光电二极管的光照特性测试的实验记录

表1 光电二极管在V c =10V ，R L =3K 条件下的光照特性实验记录

光电二极管在V c=10V ，R L=3K 条件下

E V( Lx)13320930341553263580092910651234

2.伏安特性：指在定照度下，光电二极管的光电流与偏压的关系。测试如图1。

图 1 光照、伏安特性测试电路

光电二极管的光照特性测试数据所得E- V 、E-I 曲线如图：

图2 光电二极管在V c =10V ，R L =3K 条件下的光照特性测试结果

表2 光电二极管在V c=10V ，R L=75 条件下的光照特性实验记录

图3 光电二极管在V c =10V ，R L =75 条件下的光照特性测试结果表3 光电二极管的光照特性实验记录

光电二极管伏安特性曲线如下：

图4 光电二极管伏安特性曲线

3、回答下列问题：

(1) R L 固定，V c 改变，光照特性曲线变化否？V c 固定，R L 改变，光电二极管光照特性曲线变化否？

答：R L 固定，V c改变时，光电二极管耗尽层厚度随着V c改变而改变，V c增大时光电流也将变大，最后趋于一个稳定值。故光照特性曲线随着的V c 减小而上移，最终趋于一条稳定的曲线；V c固定，R L 改变时，负载电阻R L 增大，电阻的时间常数变大，光电二极管的响应速度变慢，即单位时间流过的载流子减少，导致光电流减小。在光照不变情况下，曲线斜率变小，即曲线变得较平缓。

(2) 光电二极管偏压为零时,为什么有光电流输出？

由于光电二极管PN 结存在内建电场，即使光电二极管偏压为零，光照时产生的电子-空穴对，仍然能在内建电场的作用下形成漂移电流以及形成与漂移电流相同方向的扩散电流。对于反偏的二极管，总有一定的电流流过它，即暗电流，其随温度升高而增大。

(3) 光电二极管反向偏压进一步加大后，为什么光电流趋于饱和，与所加电压几乎无关，而仅取决于光照强度？

在低反向电压下，光电流随电压变化很敏感，这是由于反向偏置电压使耗尽层加宽并使电场强度加强，从而提高了光吸收率及对载流子的搜集。电压进一步加大，对光生载流子收集已达极限，光生电流趋于饱和，这样光生电流与外加反向电压大小几乎无关，仅取决于光照强度。

实验六 光电三极管的特性测试

、实验目的

1.了解光电三极管的工作特点。

2. 掌握光电三极管基本性能的测试。

3. 学会使用光电三极管。

二、实验原理 光电三极管的基本特性分为以下三个方面： 1.光照特性：光电三极管在一定偏压下， 受光的照度 E V 与产生的光电流 I s 之间的关 系。

2. 伏安特

性：

三、实验器材： 白炽灯 1 台，光电三极管 块，导线若干。

四、实验步骤： 1.光电池光照特性

的

测试。 ○1

按图 1 连接线路； ○2

选择适当的偏压 V c 和负载电阻 R L ，测试当照度 E v 变化时，

V o 和I

相对应的值。 2.伏安特性的测试：

○1

按图 1 连接线路，将电流计串入回路中； ○2

记录实验结果。

五、实验记录：

1. 光电三极管的光照特性测试的实验记录

光电三极管的光照特性测试数据：

表 1 光电三极管 在V c =10V ， R L =3K 条件下 的光照特性实验记录

光电三极管

在V c =10V ， R L =3K 条件下

E v (Lx )

145 207 306

406 501

615 742

830

929

1129

1 个，照度计 1 台，万用表 1 台，电阻若干，实验板 1

随偏压的变化。

V o( mV) 0.9 1.8 6.2 15.2 23.5 28.7 30.8 31.7 32.8 36

I (mA) 0.3 0.6 2.07 5.07 7.83 9.57 10.27 10.57 10.93 12.0

光电三极管的光照特性测试数据曲线：

图 2 光电三极管在V c=10V ，R L=3K 条件下的光照特性测试结果

表2 光电三极管在V c =10V ，R L =75 条件下的光照特性实验记录光电三极管在V c =10V ，R L =75 条件下

E v(Lx) 143 196 242 282 400 500 624 815 954 1164

V o( mV ) 0.05 0.09 0.15 0.2 0.37 0.47 0.72 0.81 0.86 0.93

I ( mA) 0.67 1.2 2.0 2.67 4.93 6.27 9.6 10.8 11.47 12.4

光电三极管的光照特性测试数据曲线：

图3 光电三极管在V c=10V ，R L=75 条件下的光照特性测试结果2. 光电三极管伏安特性的实验记录

表 3 光电三极管在V c=10V ，R L=75 条件下的光照特性实验记录光电三极管在V c =10V ，R L=3K 条件下

I mA V

E v Lx

500 10.9 12.2 14.2 17.2 20.4

光电三极管伏安特性测试数据曲线：

图4 光电三极管伏安特性测试数据曲线

六、思考1.总结光电三极管与光电二极管各有什么优缺点。

它们都具有高频性能好、量子效率高、灵敏度高、偏置电压低、功耗小、线性范围大、体积小、质量轻和价格便宜等优点。两者比较而言，（1）光电二极管光照特性的线性比较好，而光电三极管光照特性曲线的线性比较差。（2）由于光电三极管有放大作用，在相同照度下，它的光电流和灵敏度要比光电二极管的大几十倍。

（3）在零偏值时，光电二极管能产生光生电动势，电路中有电流，而这时光电三极管的集电结虽然也能产生光生电动势，但因为集电结无反向偏压，就没有电流放大作用。

（4）光电三极管响应时间要比光电二极管长，频率响应较低，一般不易在宽带的光通信等系统中作探测器。

2.光电三极管若采用较小的发射区面积，是有利于对弱光的检测还是强光的检测?反之则如何？

光电三极管若采用较小的发射区面积，则有利于对强光的检测。因为发射区面积小，PN 结获得的光能少，弱光可能无法激励出足够的空穴－电子对。反之，光电三极管若采用较大的发射区面积，则有利于对弱光的检测。

实验七光电池的特性测试

、实验目的1.了解光电池的工作特点。2.掌握光电池基本性能的测试方法。

3. 学会使用光电池。

、实验原理光照特性：光电池的光生电动势和光电流与照度的关系

三、使用仪器、材料

白炽灯1 台，光电池1块，照度计1台，万用表1 台，不同阻值的电阻2-3个，实验板1 块，导线若干。

四、实验步骤

1.光电池光照特性的测试

○1光电池的两端不接负载，测试 E V 变化时，开路电压的值。

○2按图1接线路，选择适当的R L，一般取很小，测试 E V变化时，短路电流的值。

○3增大R L ，观察短路电流的变化情况。

五、实验记录：

光电池光照特性的测试：

1.开路电压测试

表1 光电池的两端不接负载，E V变化开路电压的值

开路电压测试数据曲线：

图 2 光电池的两端不接负载， E V 变化时开路电压与照度的关系

2.按图 1接线路，选择 R L =75 ，测试 E V 变化时，短路电流的值如下表。 表 2 短路电流数据记

录

图 3 照度与短路电流之间的关系

3. 增大 R L ，短路电流的变化数据见表 3

。

表

3

短路电流数据记录

图3 增大R L 后，照度与短路电流之间的关系

3、回答下列问题

(1)根据实验说明，负载电阻的大小，对光电流与照度之间的线性度有什么影响？答：负载电

阻越小，光电流与光照度的线性越好。

(2)光电池的响应速度与负载电阻R L 有什么关系？

答：负载R L 越大频率特性越差，负载电阻越大，响应时间越长。