(雷亮)光电技术实验--光电二极管特性、光纤传感器、PSD
光电器件特性实验
光电器件特性实验（光电二极管、光电三极管，光敏电阻）一、实验目的1、了解光敏电阻的光电特性、光谱响应特性、频率特性等基本特性，测出它的伏安特性曲线和光照特性曲线。
2、了解光敏二极管的基本特性，测出它的伏安特性和光照特性曲线。
3、了解硅光电池的基本特性，测出它的伏安特性曲线和光照特性曲线。
4、了解光敏三极管的基本特性，测出它的伏安特性和光照特性曲线。
5、了解光纤传感器基本特性和光纤通讯基本原理。
二、实验原理1、光敏电阻在光照作用下能使物体的电导率改变的现象称为内光电效应。
本实验所用的光敏电阻就是基于内光电效应的光电元件。
当内光电效应发生时，固体材料吸收的能量使部分价带电子迁移到导带，同时在价带中留下空穴。
这样由于材料中载流子个数增加，使材料的电导率增加，电导率的改变量为（1）在（1）式中，e为电荷电量，△p为空穴浓度的改变量，△n为电子浓度的改变量，μ表示迁移率。
当两端加上电压U后，光电流为：（2）式中A为与电流垂直的表面，d为电极间的间距。
在一定的光照度下，△σ为恒定的值，因而光电流和电压成线性关系。
光敏电阻的伏安特性如图2所示，不同的光照度可以得到不同的伏安特性，表明电阻值随光照度发生变化。
光照度不变的情况下，电压越高，光电流也越大，而且没有饱和现象。
当然，与一般电阻一样光敏电阻的工作电压和电流都不能超过规定的最高额定值。
图2 光敏电阻的伏安特性曲线图3 光敏电阻的光照特性曲线当光电器件电极上的电压一定时，光电流与入射到光电器件上的光照强度之间的关系称为光照特性。
光敏电阻的光照特性则如图3所示。
不同的光敏电阻的光照特性是不同的，但是在大多数的情况下，曲线的形状都与图3的结果类似。
由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不适宜作线性敏感元件，这是光敏电阻的缺点之一。
所以在自动控制中光敏电阻常用作开关量的光电传感器。
光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。
光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。
PSD实验
杭州电子科技大学光电信息技术实验2报告（考试操作）实验名称：一维PSD探测位置实验实验组号：周一下午指导教师：黄春云专业：光信息班级：17070111姓名：卢锦桥学号：17072216实验日期：2020年5 月18日2L2L I2+I1图（1）图（2）量使光点靠近器件中心。
图（3）图（4）实验后完成：实事求是，正确计算【数据处理与结果】（画出数据表格、写明物理量和单位，计算结果和不确定度，写出结果表达式。
注意作图要用坐标纸）灵敏度S=0.1234位移(mm) 电压(V) 0.0 -0.41 0.5 -0.36 1.0 -0.33 1.5 -0.28 2.0 -0.23 2.5 -0.163.0 -0.113.5 -0.064.0 -0.014.5 0.075.0 0.135.5 0.26.0 0.28 6.5 0.397.0 0.47实验后完成：分析合理，善于思考【结果讨论与误差分析】从得出的试验结果来看, 系统存在一定的非线性因素, 也是造成系统测量误差的主要原因, 而造成系统非线性的主要原因有以下几点:（1）PSD 器件的非线性。
由于PSD 器件的固有特性决定其存在非线性, 也是PSD 的主要不足之处。
它的线性度主要取决于在制造过程中表面扩散层和底层材料电阻率的均匀性, 以及有效的感光面积等多种因素, 而且非线性并没有准确的公式作为依据。
一般而言, 在距离器件中心2? 3 的范围内的线性度较好。
越靠近边缘线性度越差。
因此在实际应用中应尽量选用线性度较好的区域, 使其非线性限制在最小。
（2）造成测量误差的还有其它因素, 如测试环境中产生的各种震动和温度的变化、以及处理电路的参数选择等都需要我们采取必要的措施来克服; 从而提高试验精度。
【分析讨论题及实验心得】通过本次实验，我了解了一维PSD探测位置的结构和原理，对横向光电效应的光电位置敏感器件有深刻的认识。
教师签名：日期：。
实验2-2光电二极管光电特性测试
实验2-2 光电二极管光电特性测试实验目的1、了解光电二极管的工作原理和使用方法；2、掌握光电二极管的光照度特性及其测试方法。
实验内容1、暗电流测试；2、当光电二极管的偏置电压一定时，光电二极管的输出光电流与入射光的照度的关系测量。
实验仪器1、光电探测原理实验箱1台2、连接导线若干实验原理1、光电二极管结构原理光电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。
但光电二极管作为一种光电器件，也有它特殊的地方。
例如，光电二极管管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照；光电二极管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2-2.1为光电二极管外形图（a）、结构简图（b）、符号（c）和等效电路图（d）。
光电二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图2-2.2，图中E为反向偏置电压），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作定向运动，形成光电流。
光的照度越大，光电流越大。
如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号。
因此光电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随着光电子技术的发展，光信号在探测灵敏度、光谱响应范围及频率特性等方面的要求越来越高，为此，近年来出现了许多性能优良的光伏探测器，如硅、锗光电二极管、PIN 光电二极管、雪崩光电二极管（APD）等。
光电二极管目前多采用硅或锗制成，但锗器件暗电流温度系数远大于硅器件，工艺也不如硅器件成熟，虽然它的响应波长大于硅器件，但实际应用尚不及后者广泛。
光电探测实验报告
实验一光敏电阻特性实验实验原理:光敏电阻又称为光导管,是一种均质的半导体光电器件,其结构如图(1)所示。
由于半导体在光照的作用下, 电导率的变化只限于表面薄层,因此将掺杂的半导体薄膜沉积在绝缘体表面就制成为了光敏电阻，不同材料制成的光敏电阻具有不同的光谱特性。
光敏电阻采用梳状结构是由于在间距很近的电阻之间有可能采用大的灵敏面积,提高灵敏度。
实验所需部件:稳压电源、光敏电阻、负载电阻(选配单元)、电压表、各种光源、遮光罩、激光器、光照度计(由用户选配)实验步骤:1、测试光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电阻观察光敏电阻的结构 ,用遮光罩将光敏电阻彻底掩盖,用万用表测得的电阻值为暗电阻R 暗,移开遮光罩，在环境光照下测得的光敏电阻的阻值为亮电阻，暗电阻与亮电阻之差为光电阻，光电阻越大，则灵敏度越高。
在光电器件模板的试件插座上接入另一光敏电阻，试作性能比较分析。
2、光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流按照图(3)接线，电源可从+2~+8V 间选用，分别在暗光和正常环境光照下测出输出电压V 暗和 V 亮则暗电流 L 暗=V 暗/R L,亮电流 L 亮=V 亮/R L，亮电流与暗电流之差称为光电流，光电流越大则灵敏度越高。
分别测出两种光敏电阻的亮电流，并做性能比较。
图(2)几种光敏电阻的光谱特性3、伏安特性:光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系。
按照图(3)分别测得偏压为 2V、4V、6V、8V、10V、12V 时的光电流，并尝试高照射光源的光强，测得给定偏压时光强度的提高与光电流增大的情况。
将所测得的结果填入表格并作出 V/I 曲线。
偏压 2V 4V 6V 8V 10V 12V光电阻 I光电阻 II注意事项:实验时请注意不要超过光电阻的最大耗散功率P MAX, P MAX=LV。
光源照射时灯胆及灯杯温度均很高，请勿用手触摸，以免烫伤。
实验时各种不同波长的光源的获取也可以采用在仪器上的光源灯泡前加装各色滤色片的办法，同时也须考虑到环境光照的影响。
物理实验技术中的光电二极管特性测量与分析
物理实验技术中的光电二极管特性测量与分析光电二极管是一种能够将光能转化为电能的器件，广泛应用在光电传感器、光通信、光电测量和光谱分析等领域。
在物理实验技术中，测量和分析光电二极管的特性对于研究光电效应、了解器件性能以及优化实验设计都具有重要意义。
一、光电二极管原理和基本特性光电二极管的原理是基于光电效应，利用光照射在PN结上产生电子-空穴对，使得PN结两端产生电压。
其关键特性包括响应频率、光电流、暗电流、光电流增益等。
测量这些特性需要合适的实验装置和方法来获取准确的结果。
二、光电二极管特性的测量方法1. 频响特性测量频响特性测量是评估光电二极管对光信号变化的响应速度的重要方法。
常用的实验装置包括函数发生器、光源和示波器。
通过改变函数发生器输入的正弦光信号频率，测量光电二极管输出的电流或电压的变化，从而得到频响特性曲线。
这些曲线反映了光电二极管的截止频率、带宽和相移等信息。
2. 光电流和暗电流测量光电流和暗电流是衡量光电二极管敏感度的重要指标。
光电流指的是光照射下二极管产生的输出电流，可以通过连接电流表或电流放大器进行测量。
而暗电流是指在没有光照射的情况下，二极管自身产生的微弱电流。
暗电流直接影响光电二极管的信噪比和稳定性，需要特殊的实验装置和方法进行测量。
三、光电二极管特性分析测量得到的光电二极管特性数据可以通过分析得到有关器件性能的重要信息。
以下是几个典型的分析方法：1. 截止频率和带宽分析利用频响特性曲线可以确定光电二极管的截止频率和带宽。
截止频率是指光电二极管对信号频率的响应达到3dB衰减的频率，可以通过对频响特性进行插值计算得到。
带宽是指光电二极管在特定条件下能够传输信号的频率范围，可以根据频响特性曲线的满足条件进行判断。
2. 光电流增益分析光电流增益是指光电二极管单位光功率入射时输出电流的增益。
可以通过将测得的光电流与已知的入射光功率相除得到。
光电流增益反映了光电二极管对光信号的放大效果，是评估器件性能的重要指标。
光电检测实验报告光电二极管
光电检测实验报告光电二极管
与实验报告有关
一、实验目的
本实验旨在探究光电二极管的基本特性，了解不同参数对光电二极管
的作用原理。
二、实验原理
光电二极管是一种特殊的半导体器件，由一个P半导体和一个N半导
体组成。
其结构类似于普通的二极管，它是由一块金属片和一块硅片组成的。
金属片在表面覆盖着一层半导体材料层，而硅片则覆盖着一层P沟槽，形成一个PN结构，这就是光电二极管的基本结构。
当光电二极管接受到
外部光照时，在P层和N层之间就会产生电子-空穴对，并促使电子向N
层移动，从而在P层和N层之间构成一个电流，也就是由光引起的电流。
三、实验设备
1、光源：LED灯泡；
2、示波器：用于测量光电二极管的输出电流与电压；
3、电源：用于给光电二极管提供电势；
4、电阻：用于限制光电二极管的输出电流；
5、光电二极管：本次实验使用的是JH-PJN22；
6、多用表：用于测量电流、电压。
四、实验步骤
1、用多用表测量光电二极管JH-PJN22的参数，测量其正向电压和正向电流与LED照射强度的关系；
2、设置由电源、电阻和光电二极管组成的电路，并使用示波器测量输出电流和电压；。
《光电技术实验》课件
利用光纤传输光信号，实现对温度、压力、振动等物理量的测量，具 有测量范围广、精度高、抗电磁干扰等优点。
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感谢观看
总结词
高效节能、环保健康
LED照明
利用光电技术将电能转化为光能，具有高效、节能、环保、长寿命 等优点，广泛应用于室内外照明。
智能照明
结合光电技术和物联网技术，实现照明的智能化控制，如调光、定 时、远程控制等，提高照明质量和节能效果。
光电技术在太阳能发电领域的应用
总结词
01
绿色能源、可持续发展
光伏发电
灯具外壳
根据实际需要选择合适的灯具外壳， 如圆形、方形等。
电源适配器
提供合适的电压和电流，使LED照明 灯具正常工作。
实验步骤
1. 准备实验设备
2. 组装LED灯具
将所需的LED灯珠、驱动电路板、灯具外壳 和电源适配器准备好。
将LED灯珠焊接到驱动电路板上，然后将驱 动电路板固定到灯具外壳中。
3. 连接电源适配器
实验原理
光电效应
光子与物质相互作用， 使物质吸收光子能量并
产生电效应。
光电探测器
利用光电效应将光信号 转换为电信号的器件。
光源
发出一定波长的光的器 件，用于产生实验所需
的光信号。
光电信号测量
利用电子测量仪器测量 光电探测器输出的电信
号。
实验步骤
搭建实验装置
根据实验要求搭建光电探测器 和光源的实验装置。
优势。
02
2. 稳定性测试
检查LED灯珠是否有闪烁现象，以 及在长时间工作后是否出现亮度
下降或颜色变化等问题。
04
4. 可靠性评估
对LED照明灯具进行寿命测试，评 估其在长时间使用过程中的可靠
位置敏感光电二极管
位置敏感光电二极管
位置敏感光电二极管（Position-Sensitive Photodiode，简称PSD）是一种能够感知光线位置的光电传感器。
它的作用类似于人类眼睛的视网膜，能够精确地检测光线的位置。
PSD通常由多个光电二极管组成，每个光电二极管都对应一个特定的位置。
当光线照射到PSD上时，光电二极管会产生电流，其大小与光线的位置成正比。
通过测量各个光电二极管产生的电流大小，可以确定光线的位置。
PSD在很多领域都有广泛的应用。
比如，在机器人领域，PSD可以用于检测机器人的位置和姿态，从而实现精确的定位和导航。
在工业自动化领域，PSD可以用于检测物体的位置和运动轨迹，从而实现自动化的生产和加工。
在光学测量领域，PSD可以用于测量光线的入射角度和光束的偏转，从而实现精确的测量。
除了上述应用外，PSD还可以用于光学通信、精密仪器、安防监控等领域。
随着科技的不断发展，PSD的性能也得到了大幅提升，其灵敏度和分辨率都得到了显著提高。
这使得PSD在更多领域中发挥着重要的作用，为各行各业的发展提供了支持。
总的来说，位置敏感光电二极管是一种能够感知光线位置的光电传感器。
它的应用广泛，可以用于机器人定位、工业自动化、光学测量等领域。
随着科技的不断进步，PSD的性能也在不断提高，为各
行各业的发展带来了更多的可能性。
光电二极管的特性及应用
光电二极管的特性及应用光电二极管是一种能够将光能转化为电能的器件，是光电转换技术中的重要组成部分。
它具有许多独特的特性和广泛的应用，对于现代科技的发展起着重要的推动作用。
首先，光电二极管具有高灵敏度。
在光照条件下，光电二极管可以产生大量的电流。
这是因为当光照射到光电二极管的表面时，光子会激发半导体中的电子，使其跃迁到导带中，产生电流。
因此，光电二极管可以实现对光的高度敏感，可被广泛应用于光电测量、光电传感等领域。
其次，光电二极管具有快速响应的特性。
由于光电二极管中的载流子迁移速度较快，所以其响应速度也相对较高。
在应用中，光电二极管可以实时检测到光的变化，并迅速输出相应的电信号。
这使得光电二极管在通信、光功率检测等领域有广泛的应用。
另外，光电二极管具有宽波长范围的特性。
不同类型的光电二极管对不同波长的光都具有一定的响应能力。
例如，硅制的光电二极管对可见光和近红外光具有良好的响应，而铟铍镓制的光电二极管则对中红外光具有较高的敏感度。
这使得光电二极管在光谱分析、光学传感等领域有着广泛的应用前景。
除了以上的特性，光电二极管还具有小尺寸、稳定性好和耐冲击等优点。
由于其结构简单、体积小巧，因此可以方便地集成到各种光学仪器中。
而且，光电二极管的工作稳定性较好，能够长时间保持其性能。
此外，光电二极管的响应时间短，对于快速变化的光信号也能够准确检测。
这些特点使得光电二极管在医学检测、光学通信、遥感测量等领域广泛应用，极大地推动了相关技术的发展。
在光电二极管的应用中，光电检测是其中最重要的一项。
光电检测主要是通过光电二极管对光信号的响应来实现对物体特性的检测和测量。
例如，在工业生产中，利用光电二极管可以实现对产品尺寸、颜色等参数的检测，从而提高生产效率和质量。
在安防监控领域，光电二极管可用于人体和物体的检测，实现智能监控和报警系统。
此外，光电二极管还可以应用于光学相机、光电耦合器件、光通信设备等众多领域。
光电二极管的特性及应用无疑为现代科技的发展提供了强大的支持。
实验一光电二极管、光电三极管光照特性的测试幻灯片PPT
2. 供电分压器和输出电路
光电倍增管的极间电压的分配一般是由图2所示的串联 电阻分压器执行。
最佳的极间电压分配取决于三个因素：阳极峰值电流、 允许的电压波动以及允许的非线性偏离。
K
A
D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8
11
IK
IA
12 3 4 5 6 7 8 9
-HV
10
图2 光电倍增管供电电路
一、实验目的
1. 掌握硅光电池的正确使用方法。 2. 了解光电池零负载，以及不同负载时光电流
与照度的关系。
二、工作原理
1. 光电池具有半导体结型器件无源直接负载下的工作特
性，工作原理如图1所示。 RL外接负载为，Ip为光电 流，ID为二极管结电流。
光
Iφ
N
P
ID
RL
I
A
图1 光电池工作原理图
2. I为通过负载的外电流：
Voc
VT
ln(1 Ip ) ISC
开路电压Voc与照度E几乎无关；所有照度下的开路电压Voc趋 于光电池正向开启电压V=0.6伏，并小于这个电压值。
③ 最佳负载，负载在RL=0～∞之间变化按经验公式求出最佳
负载：
R o p t V I m m ( 0 .6 ~ Is 0 c .8 ) V o c ( 0 .6 ~ 0 .8 )V S o E c
当入射光子照射到半透明的光电阴极K上时，将发射出光 电子，被第一倍增极D1与阴极K之间的电场所聚焦并加速 后与倍增极D2碰撞，一个光电子从D1撞击出3个以上的新 电子，这种新电子叫做二次电子。这些二次电子又被D1～ D2之间的电场所加速，打到第二个倍增极D2上。并从D2 上撞击出更多的新的二次电子。如此继续下去，使电子流 迅速倍增。最后被阳极A收集。收集的阳极电子流比阴极 发射的电子流一般大105～104倍。这就是真空光电倍增管 的电子内倍增原理。
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实验一光电二极管特性实验
实验原理:
光电二极管又叫光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。
无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。
当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。
光敏二极管结构见图9-1。
光电二极管结构
实验仪器：CSY10G型实验仪
实验所需部件:
光敏二极管、稳压电源、负载电阻、遮光罩、光源、电压表(自备4 1/2位万用表).、微安表、（照度计，自备或另购）
实验步骤:
光电二极管测量电路图
1伏安特性:
光电二极管两端所加的电压与光电流之间的关系。
按照图8-2分别测得偏压为2V、4V、6V、8V、10V时的光电流，并采用蓝色LED光源照明，照度值值必须为同一个数值(用照度计测量)，该值可自己选取，选定后记录下来，为lux。
于是测得不同偏压时光电流变化的情况。
将所测得的结果填入表格。
偏压2V 4V 6V 8V 10V 光电二极管
的光电流
(mA)
2光电特性：
光电二极管的光电特性
在一定的电压作用下，光电二极管的光电流与照射光通量的关系为光电特性见图所示。
调动蓝色LED有四个不同的发光照度值(用照度计测量)并记录下来，再测出对应的电二极管的电流值，注意此时光电二极管必须为同一个偏压数值，记录为_________V。
将所测数据记入下表：
3、光谱特性：
几种光电二极管的光谱特性
用不同的材料制成的光电二极管有着不同的光谱特性，见图光电二极管的光谱特性曲线。
当不同波长的入射光照到光电二极管的光敏面上，光电二极管就有不同的灵敏度。
实验中用不同波长的LED（红、黄、绿、蓝、橙白）作为光源，在保证这些LED光源出射的照度值不变(此照度值可自己选定，选定后记录为_____________lux)，并且保证光电二极管偏压不变(此偏压值可自己选定，选定后记录为_____________V)情况下，测得不同偏压时光电流变化的情况，将测得的数据记入下表，此为光电二极管的光谱特性曲线：
实验二光纤传感器实验
光纤位移传感器原理
实验原理:
本实验仪中所用的为传光型光纤传感器,光纤在传感器中起到光的传输作用，因此是属于非功能性的光纤传感器。
光纤传感器的两支多模光纤分别为光源发射及接收光强之用，其工作原理如图所示。
光纤位移传感器工作原理图
光纤传感器工作特性曲线如下图所示。
一般都选用线性范围较好的前坡为测试区域。
反射式光纤位移传感器输出特性曲线
实验所需部件:
光纤传感器，反射物（电机叶面或其它反射物件），电压表.
光纤传感器位移测试实验
接通光纤传感器与电压表的导线。
固定光纤传感器的光纤头在位移平台上，并使光纤头对准障碍物。
旋动螺旋测微仪带动位移平台使光纤头离开反射叶片，以获得移位距离d，每旋转一圈(_______毫米)记录U值，并将记录结果填入的表格，表格上一定要有移位距离d(mm)以及对应测得的电压U(mv)，作出距离与电压值的关系曲线。
实验三. PSD原理与光电特性实验
实验原理:
光电位置传感器PSD(position sensitive detector)是一种新型的横向光电效应器件,当入射光点照在器件光敏面上时,激发光生载流子而产生电流I，光生电流的大小与光点的大小无关,只和光点在器件上的位置有关系。
当光点位于器件中点(原点)时,光生电流I1=I2，根据这一原理,将PSD 器件两极电流I1、I2变换成电压信号后再进行差分运算即可知道光点的位置。
PSD器件工作原理见图
光电位置传感器PSD器件原理图
实验所需器件:
PSD基座(器件已装在基座上)、固体激光器、反射体、PSD处理电路单元、电压表
实验步骤:
1.通过基座上端圆形观察孔观察PSD器件及在基座上的安装位置,连接好PSD器件与处理电
路。
2.将激光器插头插入“激光电源”插口，激光器安装在基座圆孔中并固定。
注意激光束照射到
反射面上时的情况，光束应与反射面垂直。
旋转激光器角度，调节激光光点，（必要时也可调节PSD前的透镜）使光点尽可能集中在器件上。
3.从原点开始，位移平台分别向前和向后位移,因为PSD器件对光点位置的变化非常敏感，故
每次螺旋测微仪旋转少量格数，并将位移值与输出电压值记录列表，作出距离与电压值的关系曲线。
（注意记录的数据要将原点放在表格的中央）。