光电三极管的特性0805014123张晓宇Word文件下载.docx

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起迄日期：

2011年12月19日~2012年1月6日

课程设计地点：

主楼1318室，513教研室

指导教师：

程耀瑜李永红

系主任：

程耀瑜

下达任务书日期:

2011年12月19日

课程设计任务书

1．设计目的：

针对电子信息科学与技术专业的综合要求，在前序验证性认知实验基础上，进行更高层次的命题设计实验，综合设计实验对于提高学生的电子工程素质和科学实验能力非常重要，是电子技术人才培养成长的必由之路。

目的是学生将课程中所学的理论与实践紧密结合，培养独立地解决实际问题的能力。

学生必须独立完成一个选题的设计任务。

2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：

设计要求：

1、学习光电三极管的基本工作原理；

2、掌握光电三极管的基本特性参数及其测量方法，并完成对其光照灵敏度、伏安特性、时间响应特性和光谱响应特性的测量；

3、通过学习，能够运用光电三极管进行光电检测与控制。

3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书（论文）、图纸、实物样品等〕：

设计说明书符合要求；

相应器件的工作原理；

系统工作原理图（测量电路和特性曲线）；

参考文献原文不少于3篇。

4．主要参考文献：

1、《光电检测技术》清华大学出版社曾光宇张志伟主编；

2、《传感器原理与应用》电子工业出版社孟立凡蓝金辉主编；

3、《光电检测技术与应用》电子工业出版社周秀云等著；

4、《光电子器件》国防工业出版社汪贵华主编；

5．设计成果形式及要求：

设计说明书及相关电路图

6．工作计划及进度：

2011年12月19日~2011年12月23日：

查资料

12月24日~12月31日：

在指导教师指导下设计方案

2012年1月1日~1月5日：

学生完成实验，指导教师辅导

完成课程设计说明书

1月6日：

答辩

系主任审查意见：

签字：

年月日

目录

一、实验目的………………………………………………………………2

二、实验仪器………………………………………………………………2

三、实验内容………………………………………………………………2

四、实验原理……………………………………………………………2

五、实验步骤………………………………………………………………3

1、光电三极管伏安特性…………………………………………………3

1.1、常规测量方法…………………………………………………3

1.2、仪器扫描自动测量方法………………………………………7

2、光电三极管光照特性的测量…………………………………………7

3、光电三极管的光谱响应………………………………………………8

4、光电三极管的时间响应………………………………………………9

六、心得体会………………………………………………………………11

光电三极管的特性参数及其测量

一、实验目的：

硅光电三极管是一种最基本、最常用的光生伏特器件.掌握它的基本特性和性能参数的测量方法是应用桂光电三极管实现光电检测与控制的重要手段。

通过本节实验.要求学生能熟悉光电三极管的光电灵敏度、时间响应、光谱响应等特性，掌握相关特性参数的测试方法。

二、实验仪器：

1、GDS-Ⅱ型光电综合实验平台主机：

2、光电三极管实验装置及其夹持装置各一个：

3、LED助光源装置及其夹持装置各一个；

4、破性表座；

5、连接线20条：

6、示波器探头2条；

三、实验内容：

1、光电三极管光照灵敏度的测量；

2、光电三极管伏安特性的测量；

3、光电三极管时间响应的测量：

4、光电三极管光谱特性的测量：

四、实验原理

　为了提高光电二极管的电流灵敏度，提高内增益.采用具有电流放大功能的晶体三极管制造出NPN或PNP型Si（或Ge等半导体）光电三极管。

其原理结构及等效电路如图1所示。

图1典型硅光电三极管机构原理与电路符号

　　它是由两个PN结构成的半导体光电器件.在如图所示的偏电压作用下.其集电结处于反向偏置，发射极处子正向偏量。

因此，集电结构成的光电二极管因本征吸收所产生电子空穴对中的空穴与处于正向偏置的发射结所发射的电子复合形成基极电流

，显然

（1-1）

处于反向偏置的集电结收集基极电流

并放大β倍。

即

（1-2）

显然.它是光电二极管灵敏度的β倍。

即它与光电二极管相比增益提高β倍。

光电三极管光电灵敏度的提高带来了光电特性的变化.它的光电灵敏度的线性、伏安特性与时间响应特性都与光电二极管有所差异.这些在“光电技术”、“光电图像传感器应用技术”等教材中都有详细的论述。

通过实验可以进一步认识这些问题.以便在实际应用中能够正确选择适当型号的器件，更为合理地应用光电三极管进行相关设计。

五、实验步骤

一、光电三极管伏安特性

（1）常规测量方法

光电三极管在不同照度下的伏安特性就像一般晶体三极管在不同的基极电流输入情况下的输出特性一样.光电三极管可以将图2光伏器件特性参数测量电路

光信号变换成电信号。

如图1所示为光电三极管的原理结构图，图1（a）所示为原理电路图。

按图1（a）所示电路将光电三极管实验装置接入如图2所示的测量电路将实验平台上的数字电压表跨接到光电三极管的两端（发射链接电压表的负极）.电流表串联入测量电路中（注意电表的极性应如图2所示）.再用两棵带插头的引线将负载电阻也串联入测量电路。

电源电压可以选择+l2V。

也可以选择+5V（实验平台均能提供）。

通过插线很容易构成测量电路。

测量用的光源可以选用光电实验平台提供的LED照明光源.它能通过改变电流实现不改变光源光谱成分情况下改变光电三极管光敏面上的照度。

（可以事先用平台上的照度计事先标定好所用光源装置的电流与照度间的关系.然后便可通过测量电流得到已知的照度）以便获得已知光源进行光电器件伏安特性的测量。

在一定照度的光源作用下慢慢调节如图2所示的电源电压

（可以自行用平台提供的电子元器件构成可调电源）.使之l~9V变化.或按表1～表4给出电源电压值变化，测量光电三极管的输出电流无和光电三极管两端的电压U。

表-1在100Lx照度下

U（v）

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

IL（mA）

0.054

0.055

0.057

0.058

0.059

0.061

0.062

0.063

0.064

0.065

表-2在500Lx照度下

0.374

0.383

0.391

0.396

0.402

0.407

0.412

0.417

0.427

表-3在1000Lx照度下

1.127

1.143

1.165

1.179

1.198

1.211

1.224

1.242

1.262

1.277

表-4在1500Lx照度下

1.373

1.402

1.424

1.438

1.464

1.481

1.497

1.517

1.540

1.556

图3光电三极管实验伏安特性曲线

根据表1表4的数据画出光电三极管在一定照度下的伏安特性曲线如图3所示的光电三极管实验伏安特性曲线。

（2）仪器扫描自动测量方法

仪器扫描自动测法是通过仪器内部提供的扫描电路为光电三极菅供给阶梯波光照和锯齿波偏置电压实现在一个阶梯光照下电源做线性变化，从而获得光电三极管的伏安特性曲线。

自动测量法的操作过程与实验步骤如实验四“光电二极管伏安特性曲线的测量方法”相似，这里不再赘述。

二、光电三极管光照特性的测量

光电三极管的光照特性主要表现在它的暗电流特性与亮电流特性方面，通常采用如下方法进行测量。

仍采用如图2所示的测量电路.先设定加在光电三极管上的偏置电压（或电源电压）.然后改变入射到光电三极管上的光照度.测出对应不同照度下流过负载电阻

的电流IL，将IL填入表5；

改变偏置电压.在重复上述过程.可以获得与表5类似的测量值，再根据这些测量值绘出如图4所示的光照特性曲线。

显然.照度为0时输出的电流为暗电流。

表-5光电三极管的光照特性

照度Lx

100

200

300

400

500

600

700

800

I（mA）

0.011

0.023

0.041

0.051

0.084

0.091

图4光电三极管光照特性实验曲线

三、光电三极管的光谱响应

光电三极管对不同波长的光，接受灵敏度是不一样的。

它有一个峰值响应波长。

当入射光的波长大于峰值波长时，其相对灵敏度要下降。

当入射光的波长长于某波长〔长波长）时，由于入射光子的能量太小.不足以激发电子从价带跃迁到导带产生电子空穴对.而入射光的波长小于峰值响应波长时.相对灵敏皮也要下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结使相对灵敏度下降。

实验时通过滤色片“过滤白光”可以得到不同波长的近似单色光.当然也可以采用LED发光管发出的近似单色光为光源。

用密度片对光进行衰减改变其照度，也可以采用改变LED的工作电流的方式改变其照度使不同波长的单色光具有相同的照度作用到光电三极管，得到不同波长光作用下的灵敏度。

这就是光电三极管的光谱响应。

光电三极管光谱响应（光谱特性）的实验方法也与光照特性的量方法相似.可参照上述实验进行。

将实验数据填入表-6.便可绘制出如图5所示

当然.采用光电实验平台提供的光谱响应测量软硬件便可直接用计算机软件界面开出的窗口上自动测量出如图5所示光电三极管的光谱特性曲线。

采用自动测量光电三极管光谱响应测量软件时，应事先对LED光源进行光谱与光强分布进行标定.对测量系统的方波波长与能量分布进行标定。

然后.执行光谱测量软件便可自动绘出光电三极管的光谱响应特性曲线。

表-6光谱响应测量表

颜色

光电流

照度lx

红

（650）

绿

（530）

蓝

（450）

白

10

0.016

0.007

0.012

100

0.028

图5光电三极管的光谱特性曲线

四、光电三极管的时间响应

光电三极管的时间响应测及电路如图6所示，光电三极管时间响应测量系统的光源由发光二极管提供·

由于发光二极管的时间响应远远小于光电三极管.因此，对于光电三极管来说发光二极管在方波脉冲电流作用下发出的光可以近似为方波辐射。

光电三极管在方波辐射作用下的响应标志着光电三极管的时间响应特性。

因此，用图6所示的时间响应测量电路中光电三极管集电极输出信号UO的波形

测量出它的时间响应特性。

图6光电三极管的时间响应测量电路

输出信号的波形存在着上升时间和下降时间它们都滞后于输入脉冲的两个边沿。

因此.通过同步测量输入与输出脉冲的波形可以测量光电三极管的时间响应。

测量时.将输入给发光二极管的方波脉冲接到实验平台输入端口CHI端上，既用它作数据采集的同步控制又要将其波形显示出来.输出信号接到实验平台的另一个输入端CH3上.作为被测信号。

接好后，合上实验平台电源和计算机的电源，执行“光电综合实验平台软件”.在弹主菜单.在主菜单-选择适当的工作频率，如选择500kHz，执行“示波器"

功能键.在示波器界面上点击“开始”.则界面出现如图7所示两示波器探头所测得的信号波形。

其中下部方波为光源的驱动波形，上部为光电器件的输出波形。

显然输出波形因器件的惯性而产生延迟，

图7光电三极管变换电路的时间响应的测量

图8光电三极管变换电路上升到位波形图

用鼠标右键可以测出波形任意点处的幅值与位置；

如图7中选择上升到幅值的10%的时间起点，如图8中选择上升到幅值的90%的时间起点，由图7及图8可以方便地测出电路的上升时间与下降时间。

从图7与图8中可以看出，输出电压波形延迟于输入脉冲的波形，表明光电三极管的反向偏置电路存在时间延迟现象，利用软件提供的测量工具，可以找到它的上升时间和下降时间值。

六、心得体会：

通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关光电子三极管的特性和应用，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过反复的思考和查阅相关书籍最终得以解决。

实践出真知，通过亲自实践，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。

通过这次的课程设计，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又让我对光电三极管有了深入的辩思，这对我自身素质的提高和知识的增长有了很大的帮助。

同时，设计让我感触很深。

使我对抽象的理论有了具体的认识。

通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；

熟悉了常用仪器、仪表；

了解了电路的连线方法。

回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。

果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。

此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。