THSGD-1安徽实验指导书光电检测

目录
目录 (1)
实验一发光二极管特性测试实验 (2)
实验二光敏电阻的特性测试实验 (3)
实验三光敏二极管的特性测量 (5)
实验四光敏三极管的特性测量 (8)
实验五硅光电池特性测试实验 (10)
实验六透射式光电开关 (12)
实验七反射式光电开关 (13)
实验八光照度传感器测光照度实验 (14)
实验九半导体激光器实验 (16)
实验十光耦实验 (18)
实验十一光电转速实验 (19)
实验十二光调制解调 (21)
实验十三热释电红外传感器检测实验 (22)
实验十四PSD位置测量实验 (23)
实验十五光纤温度传感器系统实验 (24)
实验十六光纤位移传感器实验 (26)
实验十七光纤压力传感器压力系统实验 (28)
一、实验目的
了解发光二极管的工作原理及基本特性。

二、实验仪器
电流表、光电器件/光开关实验模块、光功率/光照度计。

三、实验原理
某些半导体材料（如GaAs ）形成的PN 结正向偏置时空穴与电子在PN 结复合产生特定波长的光，发光的波长与半导体材料的能级间隙E g 有关。

发光波长p λ可由下式确定：
g p E hc /=λ (1-1)
式(1-1)中h 为普朗克常数，c 为光速。

在实际的半导体材料中能级间隙E g 有一个宽度，因此发光二极管发出光的波长不是单一的，其发光波长宽度一般在25～40nm 左右，随半导体材料的不同而有差别。

发光二极管输出光功率P 与驱动电流I 的关系由下式确定：
e I E P p /η= (1-2)
其中，η为发光量子效率，E p 为光子能量，e 为电子电荷常数。

从上式可见，输出光功率与驱动电流呈线性关系，当电流较大时由于PN 结不能及时散热，发光效率降低，LED 输出光功率趋向饱和。

本实验用一个驱动电流可调的白色超高亮度发光二极管作为光源，驱动电流的调节范围为0～20毫安。

四、实验内容与步骤
１.如图1-1接线，将直流电流表和发光二极管串联接入LED “光源驱动”恒流源中，用专用连线连接硅光电池至光照度计。

图1-1 发光二极管特性测试实验接线图
２.光照度计选择“2000Lx ”档（注意要调零），直流电流表选择“20mA ”档。

３.将“电流调节”电位器逆时针旋到底，打开电源开关，顺时针旋转“电流调节”电位器，将电流表和光照度计的读数记入表1-1。

五、实验报告
1.根据表1-1的实验数据作出发光二极管的电流－光照关系曲线。

2.总结说明发光二极管的发光特性。

一、实验目的
1．了解光敏电阻的工作原理。

2．测量光敏电阻的光照特性。

二、实验仪器
恒流源、直流电流表、万用表、光电器件/光开关实验模块。

三、实验原理
光敏电阻的工作原理是光电导效应。

在无光照时，光敏电阻具有很高的阻值，在有光照时，当光子的能量大于材料的禁带宽度，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，激发出电子-空穴对，使电阻降低。

入射光越强，激发出的电子-空穴对越多，电阻值越低；光照停止后，自由电子与空穴复合，导电性能下降，电阻恢复原值。

光敏电阻通常是用半导体材料CdS （硫化镉）或CdSe （硒化镉）等制成。

图2-1为光敏电阻的原理结构示意图。

图2-1 光敏电阻原理结构图
它是由涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质构成，半导体上装有梳状电极。

由于存在非线性，因此光敏电阻一般用在控制电路中，不适用作测量元件。

发光二极管输出光功率P 与驱动电流I 的关系由下式确定：e I E P P /η=，其中，η为发光效率，P E 为光子能量，e 为电子电荷常数。

由上式可知，输出光功率与驱动电流呈线性关系，因此本实验用驱动电流可调的发光二极管作为实验光源，来测量光敏电阻的光照特性。

四、实验内容与步骤
1．光敏电阻置于光电传感器模块上的暗盒内，其两个引脚引出到面板上。

暗盒的另一端装有发光二极管，通过驱动电流控制入射光强大小，如图2-2所示。

图2-2 光敏电阻特性测量电路
2．连接实验台恒流源输出到光电器件/光开关实验模块驱动发光二极管，用实验台上的直流电流表测量LED 驱动电流，用万用表的欧姆档测量光敏电阻阻值R g ，并将数据记录在表2-1中。

表2-1 光敏电阻与输入光强关系特性测量
五、实验报告
1.简述光敏电阻的工作原理。

2.根据记录数据，作R g-I曲线，并作简单的分析。

实验三光敏二极管的特性测量
一、实验目的
1．了解光敏二极管的工作原理。

2．测量光敏二极管的光照特性、伏安特性。

二、实验仪器
恒流源、直流电流表、直流稳压电源、直流电压表、光功率/光照度计、光电器件/光开关实验模块。

三、实验原理
1．工作原理
光敏二极管是一种PN结半导体元件，它以高电阻系数P型硅（或锗）为基本材料制作基片，然后在基片上用扩散磷的方法形成N型光敏面，构成一个PN结，当具有比禁带能量大的光照射到PN结上时，半导体内电子受到激发，就产生出电子-空穴对。

由于电场的作用，在耗尽层中产生的电子向N区漂移，空穴向P区漂移，并且扩散长度以内的电子、空穴也从PN结扩散到耗尽层，然后又在电场作用下，各自漂向N区和P区，如图3-1所示。

结果就在P型层和N型层中产生了电荷积累，从而产生了电势，这就是光电效应。

图3-1 受光照的光敏二极管
这种电荷积累降低了PN结势垒，所以电子和空穴又会反方向移动，直到电压下降到某一值时就达到了平衡，这个电压值称为开路电压。

将PN结两端的电极短路时所产生的电流称为短路电流，如图3-2所示。

图3-2 光敏二极管的伏安特性
2．伏安特性
光敏二极管在不同照度下的伏安特性曲线如图3-3所示。

从图中可以看出：
(1)当入射光强度增加时，通过光敏二极管的电流随之增加。

这是由于入射光越强，激发的电子-空穴对越多。

(2)在零偏压时，仍有光电流输出。

这是由于光电二极管存在光生伏特效应。

(3)在一定光强下，光电流随着电压的增大而增大，但很快饱和。

这是由于在一定光强下，被激发的电子-空穴对浓度是一定的。

图3-3 光敏二极管的伏安特性曲线
光敏二极管在无光照条件下，若给PN 结一个恰当的反向电压，则反向加强了内建电场，使PN 结空间电荷区拉宽，势垒增大，流过PN 结的电流(暗电流)很小，它是由少数载流子的漂移运动形成的。

当入射光子在本征半导体的p-n 结及其附近产生电子—空穴对时，光生载流子受势垒区电场作用，电子漂移到n 区，空穴漂移到p 区。

当在PN 结两端加负载时就有一光生电流流过负载。

其伏安特性是：
p s p KT
eV
s
I KT eV I I e I I +⎥⎦⎤
⎢⎣⎡-⎪⎭⎫ ⎝
⎛=+-=1exp )1( (3-1)
式(3-1)中I 为流过光敏二极管的总电流,s I 为反向饱和电流，V 为PN 结两端电压，T 为工作绝对温度，p I 为产生的光电流。

四、实验内容与步骤
1．光照特性测量
如图3-4接线。

注意：光敏二极管为反偏状态；电流表选择20uA 档，测量前要调零，电压源首先调为3V 。

（1）暗电流测量：打开电源，将恒流源的调节旋钮逆时针调到底，读取电流表的读数，即为光敏二极管的暗电流。

暗电流基本为0uA ，一般光敏二极管的暗电流小于0.1uA ，暗电流越小，光敏二极管性能越好。

图3-4 光敏二极管光电流测量电路
(2)光电流测试：在图3-4接线的基础上，用专用连线连接硅光电池至光照度计（参考图1-1），选择合适的档位，并注意要调零。

调节恒流源旋钮来增大LED 光源的驱动电流，记录下光照度及光敏二极管的光电流，并将数据记录在表3-1中。

表3-1 光敏二极管的光电流和入射光的强度关系测量
2．伏安特性测量
在一定的光照强度下，光电流随外加电压的变化而变化。

测量时，调节恒流源使光照强度为某一恒定值，调节电压源（2~8V），测量流过光敏二极管的电流，并将数据记录在表3-2中。

表3-2 光敏二极管的光电流和偏置电压的关系测量
五、实验报告
根据记录的数据，作光敏二极管光电流与入射光强的关系曲线。

实验四光敏三极管的特性测量
一、实验目的。