光电二极管伏安特性
光电二三极管特性测试实验报告
光敏二极管特性测试实验一、实验目的1.学习光电器件的光电特性、伏安特性的测试方法；2.掌握光电器件的工作原理、适用范围和应用基础。
二、实验内容1、光电二极管暗电流测试实验2、光电二极管光电流测试实验3、光电二极管伏安特性测试实验4、光电二极管光电特性测试实验5、光电二极管时间特性测试实验6、光电二极管光谱特性测试实验7、光电三极管光电流测试实验8、光电三极管伏安特性测试实验9、光电三极管光电特性测试实验10、光电三极管时间特性测试实验11、光电三极管光谱特性测试实验三、实验仪器1、光电二三极管综合实验仪 1个2、光通路组件 1套3、光照度计 1个4、电源线 1根5、2#迭插头对（红色，50cm） 10根6、2#迭插头对（黑色，50cm） 10根7、三相电源线 1根8、实验指导书 1本四、实验原理1、概述随着光电子技术的发发展,光电检测在灵敏度、光谱响应范围及频率我等技术方面要求越来越高，为此，近年来出现了许多性能优良的光伏检测器，如硅锗光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）等。
光敏晶体管通常指光电二极管和光电三极管，通常又称光敏二极管和三敏三极管。
光敏二极管的种类很多，就材料来分，有锗、硅制作的光敏二极管，也有III－V族化合物及其他化合物制作的二极管。
从结构我来分，有PN结、PIN结、异质结、肖特基势垒及点接触型等。
从对光的响应来分，有用于紫外光、红外光等种类。
不同种类的光敏二极管，具胡不同的光电特性和检测性能。
例如，锗光敏二极管与硅光敏二极管相比，它在红外光区域有很大的灵敏度，如图所示。
这是由于锗材料的禁带宽度较硅小，它的本征吸收限处于红外区域，因此在近红外光区域应用；再一方面，锗光敏二极管有较大的电流输出，但它比硅光敏二极管有较大的反向暗电流，因此，它的噪声较大。
又如，PIN型或雪崩型光敏二极管与扩散型PN结光敏二极管相比具有很短的时间响应。
因此，在使用光敏二极管进要了解其类型及性能是非常重要的。
光电技术综合实验指导 - (下)
实验2.5 光电二极管的特性参数及其测量1. 实验目的：硅光电二极管是最基本的光生伏特器件，掌握了光电二极管的基本特性参数及其测量方法对学习其他光伏器件十分有利。
通过该实验，要熟悉光电二极管的光电灵敏度、时间响应、光谱响应等特性。
2. 实验仪器：① GDS-Ⅲ型光电综合实验平台1台； ② LED 光源1个； ③ 光电二极管1只；④ 通用光电器件实验装置2只； ⑤ 通用磁性表座2只； ⑥ 光电器件支杆2只； ⑦ 连接线20条；⑧ 40MHz 示波器探头2条；3. 基本原理：光电二极管是典型的光生伏特器件，它只有一个PN 结。
参考“光电技术”第3章3.1节的内容，光电二极管的全电流方程为I =⎪⎭⎫ ⎝⎛-1kT qUD e I λαλη,e )1(Φe hcq d --- （2.5-1） 式中前一项称为扩散电流，也称为暗电流，用I d 表示；后一项为光生电流，常用I P 表示。
显然，扩散电流I d 与加在光电二极管上的偏置电压U 有关，当U =0时，扩散电流为0。
扩散电流I d 与偏置电压U 的关系为⎪⎭⎫ ⎝⎛-=1kT qUD d e I I （2.5-2） 式中，I D 为PN 结的反向漏电流，与材料中的杂质浓度有关；q 为电子电荷量，k 为波尔兹曼常数，T 为环境的绝对温度。
显然，式（2.5-2）描述了光电二极管的扩散电流与普通二极管没有什么区别。
而与入射辐射有关的电流I p 为 λe,p )1(Φe hcq I d αλη---= （2.5-3）式中， h 为普朗克常数，α为硅材料的吸收系数，d 为光电二极管在光行进方向上的厚度，λ为入射光的波长。
显然，对单色辐射来讲，当光电二极管确定后，上述参数均为常数。
因此，结论为光电二极管的光电流随入射辐射通量Φe ，λ线性变化，式中的负号表明光生电流的方向与扩散电流的方向相反。
图2.5-1 光电二极管偏置电路4. 实验内容：1、 光电二极管光照灵敏度的测量2、 光电二极管伏安特性的测量3、 光电二极管时间响应特性的测量5. 实验步骤：（1）搭建实验电路① 认识光电二极管从外形看，光电二极管、光电三极管和φ5“子弹头”式LED 发光二极管的外形非常相似，它们均有两个电极（管脚），且，一长一短，较长电极定义为正极，较短电极为负极。
二极管及其应用
二极管及其应用二极管的符号依据半导体的物理原理，可从理论上分析得到PN结的伏安特性的表达式，此式通常称为二极管方程，即：IS为反向饱和电流UT为温度的电压当量，在常温（300K）下，UT=26mV。
当U0时，且UUT,则电流I与U基本成指数关系。
当U0时，且UUT,则电流I=-IS1. 最大整流电流IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。
2. 反向工作峰值电压URWM是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半。
二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。
3. 反向峰值电流IRM指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。
反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。
硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。
4 最高工作频率fM是二极管工作的上限频率。
它主要由PN结的结电容大小打算。
信号频率超过此值时，二极管的单向导电性将变差。
应当指出，由于制造工艺的限制，即使是同一型号的器件，其参数的离散性也很大，因此，手册上经常给出参数的范围。
另一方面，器件手册上给出的参数是在肯定测试条件下测得的，若条件转变，相应的参数值也会变化。
影响工作频率的缘由—PN 结的电容效应结论：1. 低频时，因结电容很小，对PN 结影响很小。
高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向导电性变差。
2. 结面积小时结电容小，工作频率高。
整流电路作用:把沟通电转换成脉动直流电。
分类: 半波整流全波整流桥式整流倍压整流1、单相半波整流电路单相半波整流电路如图(a)所示波形图如图（b)所示。
(a)电路图(b)波形图依据图可知，输出电压在一个工频周期内，只是正半周导电，在负载上得到的是半个正弦波。
负载上输出平均电压为流过负载和二极管的平均电流为二极管所承受的最大反向电压2、桥式整流电路（1）组成：由四个二极管组成桥路（2）工作原理：u2正半周时:D1 、D3导通，D2、D4截止u2负半周时：D2、D4 导通，D1 、D3截止（3）主要参数：输出电压平均值:Uo=0.9u2输出电流平均值:Io=Uo/Ro=0.9u2 / RL流过二极管的平均电流:ID=Io/2二极管承受的最大反向电压: 电容滤波1.电路和工作原理V 导通时给C 充电，V 截止时C 向RL 放电；滤波后uo 的波形变得平缓，平均值提高。
光敏电阻伏安特性、光敏二极管光照特性
光敏传感器的光电特性研究(FB815型光敏传感器光电特性实验仪)凡是将光信号转换为电信号的传感器称为光敏传感器，也称为光电式传感器，它可用于检测直接由光照明度变化引起的非电量，如光强、光照度等；也可间接用来检测能转换成光量变化的其它非电量,如零件直径、表面粗糙度、位移、速度、加速度及物体形状、工作状态识别等。
光敏传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点,因而在工业自动控制及智能机器人中得到广泛应用。
光敏传感器的物理基础是光电效应，通常分为外光电效应和内光电效应两大类,在光辐射作用下电子逸出材料的表面,产生光电子发射现象,则称为外光电效应或光电子发射效应。
基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。
另一种现象是电子并不逸出材料表面的,则称为是内光电效应。
光电导效应、光生伏特效应都是属于内光电效应。
好多半导体材料的很多电学特性都因受到光的照射而发生变化。
因此也是属于内光电效应范畴,本实验所涉及的光敏电阻、光敏二极管等均是内光电效应传感器。
通过本设计性实验可以帮助学生了解光敏电阻、光敏二极管的光电传感特性及在某些领域中的应用。
【实验原理】1．光电效应:(1）光电导效应:当光照射到某些半导体材料上时,透过到材料内部的光子能量足够大，某些电子吸收光子的能量，从原来的束缚态变成导电的自由态,这时在外电场的作用下,流过半导体的电流会增大，即半导体的电导会增大,这种现象叫光电导效应。
它是一种内光电效应。
光电导效应可分为本征型和杂质型两类。
前者是指能量足够大的光子使电子离开价带跃入导带，价带中由于电子离开而产生空穴，在外电场作用下，电子和空穴参与电导，使电导增加。
杂质型光电导效应则是能量足够大的光子使施主能级中的电子或受主能级中的空穴跃迁到导带或价带，从而使电导增加。
杂质型光电导的长波限比本征型光电导的要长的多。
(２)光生伏特效应:在无光照时,半导体PN结内部有自建电场。
当光照射在PN结及其附近时,在能量足够大的光子作用下，在结区及其附近就产生少数载流子（电子、空穴对）。
光电二极管特性测试及其变换电路
式中， 为波长为 时的入射光功率； 为光电探测器在入射光功率 作用下的输出信号电压； 则为输出用电流表示的输出信号电流。
通常，测量光电探测器的光谱响应多用单色仪对辐射源的辐射功率进行分光来得到不同波长的单色辐射，然后测量在各种波长辐射照射下光电探测器输出的电信号V(λ)。然而由于实际光源的辐射功率是波长的函数，因此在相对测量中要确定单色辐射功率P(λ)需要利用参考探测器（基准探测器）。即使用一个光谱响应度为 的探测器为基准，用同一波长的单色辐射分别照射待测探测器和基准探测器。由参考探测器的电信号输出（例如为电压信号） 可得单色辐射功率 ，再通过（1）式计算即可得到待测探测器的光谱响应度。
图5光电二极管伏安特性电路图
（1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源驱动模块上J2与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。将三掷开关S2拨到“静态”。
（3）按图2-3所示的电路连接电路图，E选择0-15V直流电压，负载RL选择RL=2K欧。
（4）打开电源，顺时针调节照度调节旋钮，使照度值为400Lx，保持光照度不变，调节可调直流电压电位器，记录反向偏压为0V、2V、4V、6V、8V、10V、12V时的电流表读数，填入下表，关闭电源。
(6)光电二极管光谱特性测试实验
3
(1)光电器件实验仪1台
(2)示波器1台
(3)万用表1个
(4)计算机1套
4
光电二极管又称光敏二极管。制造一般光电二极管的材料几乎全部选用硅或锗的单晶材料。由于硅器件较锗器件暗电流、温度系数都小得多,加之制作硅器件采用的平面工艺使其管芯结构很容易精确控制，因此,硅光电二极管得到了广泛应用。
（3）按图2-3连接电路图，E选择0-15V直流电压，RL取RL=1K欧。
光电二极管伏安 -回复
光电二极管伏安-回复光电二极管伏安特性及其应用光电二极管（Photodiode），是一种特殊的二极管，能够将光能转化为电能。
通过改变光照强度，光电二极管的电流和电压也会相应变化。
这种特性被称为光电二极管的伏安特性，即光电二极管的工作电流与其工作电压之间的关系。
光电二极管伏安特性的研究与应用已经广泛应用于光电子学、通信、光电转换等领域。
首先，我们将从光电二极管的基本结构开始解释其伏安特性。
光电二极管主要由P型和N型半导体材料组成，介壳中夹有一层能够吸收光能的材料。
当光照射到光电二极管的PN结时，光能被吸收并激发带电粒子通过PN 结。
这会导致PN结处形成一个电压，并改变其电流流动的方向。
因此，光电二极管的伏安特性可以通过测量其工作电流与工作电压的关系来描述。
其次，我们需要了解光电二极管的工作原理。
当光照强度变化时，PN结会产生额外的载流子（电子和空穴），进而改变芯片导通与截止状态之间的电流和电压。
一般情况下，光电二极管被连接在反向电压下工作，这样在某个光照强度下，光电二极管会产生一个稳定的工作电流。
当光照强度增大，光电二极管的工作电流也会相应增大；当光照强度减小，光电二极管的工作电流会相应减小。
基于光电二极管的伏安特性，我们可以将其应用于多种领域。
首先是光通信领域。
由于光电二极管能够将光信号转换为电信号，因此在光通信中广泛使用。
通过测量接收光电子的伏安特性，我们能够确定接收到的光信号的强度，从而实现信息的传输。
其次，光电二极管广泛应用于光电转换。
例如，在太阳能板中，光电二极管将光能转化为电能，从而实现太阳能的利用和存储。
此外，在摄像机、照相机等设备中，光电二极管被用于感光元件，通过测量伏安特性来捕捉图像。
此外，光电二极管还可以应用于环境监测和光学传感器等领域。
通过测量光电二极管的伏安特性，我们可以确定光照强度的变化，从而实现对环境中光照强度的检测和控制。
在光学传感器中，利用光电二极管的伏安特性，我们能够感知物体的距离、颜色以及反射率等特征，从而实现对目标物体的探测和识别。
实验一光电二极管、光电三极管光照特性的测试(1)
2
8
fN1
2
16T
式中T为低通滤波器的时间常数。
可编辑版
1-43
三、相关器框图
相关器实验插件盒的相关器电原理框图如图5所示。由加法 器、交流放大器、开关式乘法器（PSD）、低通滤波器、直 流放大器、参考通道方波形成与驱动电路组成。
负载：
R o p tV Im m(0 .6~ Is 0 c.8 )V o c(0 .6~0 .8 )V S o E c
当RL≤Ropt时，并忽略光电池结电流，负载电流近似等于恒
定短路电流。
当RL>Ropt时，光电池结电流按指数增加,负载电流近似于指
数形式减小。
可编辑版
1-12
三、实验内容
1. 测定电池零负载下Ip和E的关系。
场（光电二极管工作时加反向偏压Vb）作用下被分离，
形成光生电势，产生光电流，如图1所示
图1 光电二极管工作原理图
可编辑版
1-3
2. 光电三极管的原理性结构如图2所示。正常运用时，集电 极加正电压。因此，集电结为反偏置，发射结为正偏置， 集电结为光电结。当光照到集电结上时，集电结即产生光
电流Ip向基区注入，同时在集电极电路产生了一个被放大
可编辑版
1-30
② 接收电路由光电三极管、放大驱动电路和负载组成。 由于外接负载的不同，所采用的放大电路的形式也很 多。
如果负载电流较小，可采用晶体管作放大器，输出端 直接带负载（如图2）。
VCC
R2
（+5V）
6.2K
T1 3DU11
D (BT201)
T2 3DG6 R1 51K
图2 可晶编体辑版管放大电路
可编辑版
1-20
光电二极管
护环的结构
· 保护环低掺杂，曲率半径足够大 · 保证雪崩击穿均匀地发生在中心 区的PN结内；较高击穿电压。
P
P+
P
N/i
N+
APD器件特性
• 性能表征：量子效率、响应速度、增益、噪声等 • 增益 电子的直流倍增因子：
以上公式基于假设电离率与位置无关，当电子和空穴电离率相等时，倍 增因子变为：
击穿条件： 雪崩光敏二极管的反向偏压略低于击穿电压，其光电流增 益为10~100
②射频相移器的选择开关：
• 射频信号的相移 器可以采用不同长度 的传输线来实现， pin 结二极管能够作为选 择这些传输线的开关 使用。
③光电探测器：
• 在 pin 结中，因 为有内建电场的区域 （i 型层）较宽，则使 得入射光几乎能完全 被 i 型 层所吸收、和 转变为光生载流子， 因而 pin 结二极管作 为光电探测器使用时， 可以获得较大 的探测 灵敏度。
APD--拉-通结构
• 低-高-低APD： p p n
实际工艺中，低高低结构形成窄P区是很困难的
APD--拉-通结构
• 高-低APD: n p p
该器件结构在大直径硅片上更易制造，
通过离子注入或者扩散，杂质分布可
以得到很好的控制，对于涂有抗反膜 的器件，在0.8um波长附近可以得到
异质结APD
优点 ：
1，吸收-窄禁带，倍 增 -宽 禁 带 ， 避 免 强 电场引起的隧道电流； 防止边缘击穿 2，倍增区做的足够 薄，进一步降低噪声。
APD应用
• APD的增益带宽积可以大于300GHz，可以对微波频率调制光发生响 应。
• 由于雪崩光敏二极管的灵敏度高，响应快，因此常被用于光纤通信和 光磁盘的受光装置来处理弱光信号。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
P(W )
I L ( A)
0
实验内容 测定光电二极管正向伏安特性
• 理想运算放大器的特性： （两输入端等电位，两输 入端上无电流）； • 由电路分析可得：光电二 极管两端电压 U0 由m V 表测出，RL 由电阻箱读数。 • SPD的电流：
I
U0 RL
实验内容 测定SPD正向伏安特性（操作）
半导体光电二极管的结构及工作原理
常工作于反向偏压状态；
受到光照，在光电效应作用下产生光生载流子，形成光电流；
光电流的方向：由光电二极管负极流向正极，类似于直流电源。
光电二极管的伏安特性
I I 0 [1 exp(qv / kT )] I L
I0是无光照的反向饱和电流，V是二极管的端电压（正向电压为正，反向电压为负）， q为电子电荷，k为波耳兹曼常数，T是结温，单位为K，
• •
• •
•
调光功率为3（消去0差）； 将光纤传输系统LED端接主仪器LED插孔；将SPD端接主仪器光电二极管符号两端， 连接正向U0和光功率计红色插孔；特性切换开关向左，数显切换开关向右； 串联电阻箱至W2 两端置0，主仪器后面板倍率置5，测定正向特性0差； 调电阻箱，使m V 表显示（消去0差）-10、-20、-30、…..等，直到电阻箱阻值为 199.8千欧，分别记录对应的U0 （注意乘以5）和Rl ，最后断开电阻箱测出U0； 做下一光功率。
• 将光纤传输系统LED 端接主仪器LED插孔, 短接W2两端；
• 将SPD端接主仪器光功率 计（切换开关向左）；
• 将毫安表置0，测定光 功率计0差； • 调节LED电流，使光 功率分别为5，10，15 （消去0差：用仪表上 数字减去0差）；
实验内容 测定光电二极管反向伏安特性
• 理想运算放大器的特性：（两 输入端等电位，两输入端上无 电流）； • 由电路分析可得：光电二极管 两端电压由伏特表可测出， U0 由m V 表测出； • 光电二极管两端电流：
半导体光电二极管伏安特性测定
• • • • 了解光电二极管结构及工作原理 熟悉光电二极管的基本性能 掌握光电二极管伏安特性的测量技术 了解光电二极管在光电转换技术中的正确 使用方法
实验仪器
• MOE--A型光电二极管伏安特性测试仪 (请 记录仪器编号) • 光纤传输系统 (光纤绕盘、两端都为双通道 的耳机插头线一根，用它连接主仪器与光 纤绕盘、两插头输出的光电二极管一只) • 电阻箱（2个） 导线
实验内容 测定SPD正向伏安特性（数据记录）
P= W
I
U0 RL
U 0 (mv)
RL (k)
I(
A
)
数据处理要求
• 用坐标纸制图； • 绘制光电二极管在第三、四象限内的伏安 特性曲线； • .绘制光电特性曲线，用图解法测出被测光 电二极管在峰值波长下的响应度R值。 • 作出实验结论
实验内容 测定光电二极管反向伏安特性（数据记录
表1.1： P= W
）
Rf
-8.0 -6.0 -4.0 -2.0
I
0
U0 Rf
V（V）
U0（m V)
I (A)
V=0对应的I为短路电流 I
L
实验内容 测定SPD光电特性（数据记录及处理） • 利用反向特性数据可得 I L 与P的对应数据，填入 下表，以 I L 为纵坐标，P为横坐标，作图，求出 斜率即为响应度R（单位） • SPD光电特性数据表 0 3.0 照时的光功率成正比。
无偏压状态下，短路电流与入照光功率的关系称为光电二极管的光电特性， 这一特性在坐标系中的斜率R定义为光电二极管的响应度。
I L R ( A / W ) P
光电二极管的伏安特性曲线
实验内容 LED、SPD光功率测定
U0 I Rf
实验内容 测定光电二极管反向伏安特性（操作）
• • • • • • • •
将光纤传输系统LED端接主仪器LED插孔，短接W2两端； 将SPD端接主仪器光电二极管符号两端，连接反向U0和光功率计红色插孔； 特性切换开关向右，数显切换开关向右； 调mA、V表为0，测定反向特性0差，调V表为0、2、4、6、8V，分别测出对应的U0 ； 接光功率测试线路，将光功率调至3或4或5微瓦（消去0差）； 接回反向特性测试线路，调V表为0、2、4、6、8V，分别测出对应的U0 ； 做下一光功率（6.0或8.0或10.0）； 做下一光功率（9.0或12.0或15.0）。