光电原理试验参考指导书.doc

内容简介

本实验系统从理解和熟悉光电系统角度出发，讨论光电系统中重要技术问题。重要知识点涉及：光电系统中惯用光源及其特性；惯用光电探测器工作原理、特性参数及光电信号检测基本线路；光学调制器；光电探测办法及光电信号解决办法；CCD电荷耦合器原理及其应用等。
本实验系统与理论紧密结合，注重实用，可作为测控技术与仪器、物理电子技术、仪器仪表、自动控制、精密仪器及办公自动化等专业本科生、研究生和关于科技人员课堂实验和研究。

目 录

实验一 LD/LEDP-I-V特性曲线测试 - 4 -
实验二 光电探测原理实验 - 13 -
实验三 光电探测器直流特性测试 - 24 -
实验四 光纤端面解决、耦合及熔接 - 28 -
实验五 光纤衰减系数测试 - 34 -
实验六 光电倍增管特性参数测试 - 38 -

实验一 LD/LEDP-I-V特性曲线测试
一、实验目
1、通过测量LD半导体激光器域值电流、LED发光二极管和LD半导体激光器输出功率－电流（P-I）特性曲线和电压－电流（V-I）特性曲线，计算阈值电流（Ith）和外微分量子效率，从而对LED发光二极管和LD半导体激光器工作特性有个基本理解。
2、理解温度（T）对阈值电流（Ith）和光功率（P）影响。

二、实验内容
1、测试YSLED3215型LED发光二极管电压－电流（V-I）特性曲线。
2、测试YSLED3215型LED发光二极管输出功率与电流（P-I）特性曲线。
3、测试YSLD3125型半导体激光器电压－电流（V-I）特性曲线。
4、测试YSLD3125型半导体激光器输出功率与电流（P-I）特性曲线。
5、测试YSLD3125型半导体激光器工作域值电流。
6、测试LD温度特性。

三、实验仪器
1、YSLD3125型半导体激光二极管（带尾纤输出，FC型接口） 1只
2、YSLED3215型发光二极管 1只
3、ZY606 LD/ LED电流源 1台
4、温控器（可选） 1台
5、光功率计 1台
6、万用表 1台

四、实验原理
1、激光器普通知识
激光器是使工作物质实现粒子数反转分布产生受激辐射，再运用谐振腔正反馈，实现光放大而产生激光振荡。激光，其英文LASER就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激辐射光放大）缩写。
激光本质是相干辐射与工作物质原子互相作用成果。尽管实际原子能级是非常复杂，但与产生激光直接有关重要是两个能级，设Eu表达较高能级，El表达较低能级。原子能在高低能级间越迁，在没有外界影响时，原子可自发从高能级越迁到低能级，并随着辐射一种频率为

光子，这过程称自发辐射。
若有能量为光子作用于原子，会产生两个过程，一是原子吸取光子能量从低能级越迁到高能级，同步在低能级产生一种空穴，称为受激越迁或受激吸取，此激发光子消失；二是原子在激发光子刺激下，从高能级越迁到低能级，并随着辐射一种频率

光子，这过程称受激辐射。
受激辐射激发光子不消失，而产生新光子，光子增长，并且产生新光子与激发光子具备相似频率、相位和偏振态，并沿相似方向传播，具备较好相干性，这正是咱们所需要。
受激辐射和受激吸取总是同步存在，如果受激吸取超过受激辐射，则光子数减少多于增长，总效果是入射光被衰减；反之，如果受激辐射超过受激吸取，则入射光被放大。实现受激辐射超过受激吸取核心是维持工作物质原子粒子数反转分布。所谓粒子数反转分布就是工作物质中处在高能级原子多于处在低能级原子。因此原子粒子数反转分布是产生激光必要条件。
实现粒子数反转可以使受激辐射超过受激吸取，光在工作介质中得到放大，产生激光，但工作介质增益都局限性够大，若使光单次通过工作介质而要产生较强度光，就需要很长工作物质，事实上这是十分困难，甚至是不也许。于是就想到了用光学谐振腔进行光放大。所谓光学谐振腔，事实上是在激光器两端，面对面地装两块反射镜，如下图所示：

图1 光学谐振腔构造图

一块几乎全反射，一块为某些反射，激光可透过某些反射镜射出。被反射回到工作介质光，可在工作介质中多次来回，设来回次数为m，则有效长度为：
（m=1，2，3，4…）
L为工作介质实际长度。
由于谐振腔内工作介质存在吸取，反射镜存在透射和散射，并且只有沿轴线方向光才被放大，因而光受到一定损耗，当增益和损耗相称时，在谐振腔内建立起稳定激光振荡。即一种激光器，m有一种拟定值。
谐振腔另一种作用是选模，光在谐振腔内反射时，反射波将和入射波发生干涉，为了能在腔内形成稳定振荡，必要满足相干相长条件，也就是沿腔纵向（轴线方向）形成驻波条件，这条件是：
或
式中，为波长，n是工作介质折射率，q=1，2，3，4，…，为某一整数，为驻波波幅个数，它表征了腔内纵向光场分布，称为激光纵模，q=1称单纵模激光器，q≥2称多纵模激光器。每个驻波频率是不同样，第q个驻波频率由：

，为光速。
以上两式都阐明，虽然由于导带和价带是由许多持续能级构成有一定宽度能带，两个能带中不同能级之间电子跃迁会产生许多不同波长光波，但只有符合激光振荡相位条件那些波长存在，不符合激光振荡相位条件那些波长光将衰减掉，这些波长取决于激光器工作物质纵向长度L。
多纵模激光器输出q个波长光，但幅度不同样，幅度最大称为主模，别的称为边模。
2、半导体激光器构造
半导体是由大量原子周期性有序排列构成共价晶体，由于邻近原子作用，电子所处能态扩展成能级持续分布能带，如下图（a）所示，能量低能带称为价带，能量高能带称为导带，导带底能量Eu和价带顶能量El之间能量差称为禁带宽度或带隙，不同半导体材料有不同带隙。本征半导体中导带和价带被电子和空穴占据几率是相似，N型半导体导带被电子占据几率大，P型半导体价带被空穴占据几率大。如下图（b）、（c）所示。

图2 半导体激光器电子和空穴分布

半导体激光器构造各种各样，基本构造是下图所示双异质结平面条形构造。这种构造由三层不同类型半导体材料构成，中间层普通为厚度为0.1～0.3μm窄带隙P型半导体，称为有源层，作为工作介质，两侧分别为具备较宽带隙N型和P型半导体，称为限制层。具备不同带隙宽度两种半导体单晶之间构造称为异质结。有源层与右侧N层之间形成是P--N异质结，而与左侧P层之间形成是P--P异质结，故这种构造又称N-P-P双异质构造，简称DH构造。

图3 半导体激光器基本构造

施加正向偏压后，就能使右侧N层向有源层注入电子，左侧P层向有源层注入空穴，但由于左侧P层带隙宽，导带能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层电子不也许扩散到P层，同理，注入到有源层空穴也不也许扩散到N层。这样，注入到有源层电子和空穴被限制在0.1～0.3μm有源层内，形成了粒子数反转分布。
先后两个晶体解理面作为反射镜构成谐振腔。
给半导体激光器施加正向偏压，即注入电流是维持有源层介质原子永远保持粒子数反转分布，自发辐射产生光子作为激发光子诱发受激辐射，受激辐射产生更多新光子作为新激发光子诱发更强受激辐射。
3、半导体激光器重要特性
（1）输出电压特性
LD和LED都是半导体光电子器件，其核心某些都是P-N结。因而其具备与普通二极管相类似V-I特性曲线，如下图所示：

图4 激光器输出V-I特性曲线
由V-I曲线咱们可以计算出LD/LED总串联电阻R和开门电压VT。
（2）输出光功率特性
激光器光功率特性通惯用输出光功率与勉励电流I关系曲线，既P—I曲线表达。

图5 LD/LEDP-I特性曲线
在构造上，由于LED与LD相比没有光学谐振腔。因而，LD和LED功率－电流P-I关系特性曲线则有很大差别。LEDP-I曲线基本上是一条近似直线。从图5中可以看出LDP-I曲线有一阈值电流Ith，只有在工作电流If>Ith某些，P-I曲线才近似一根直线。而在If<Ith某些，LD输出光功率几乎为零。
给半导体激光器注入电流，就是给激光器有源层半导体工作介质注入能量，对价带上载流子（电子）进行激发，当注入电流较小时，导带和价带间载流子不能形成反转分布，这时从导带上跃迁到价带上载流子重要以自发辐射为主，产生是荧光，即非相干光。当注入电流达到一定值时，导带和价带间载流子才干形成反转分布，产生受激辐射，激光器才有激光(即相干光)输出，这个一定值称为阈值电流。阈值电流后来，随着注入电流增大，导带和价带间粒子数差值增大，激光增益系数增大，输出功率增长，并与注入电流近似成线性关系，如下式所示。

式中If为注入电流，为普朗克常数，为入射光频率，为光速，为入射光波长，e为电子电量，ηD为外微分量子效率，Ith为阈值电流，Pth为阈值功率。
依照P-I曲线可以求出激光器阈值电流Ith和外微分量子效率ηD：将P-I曲线线性某些作直线与横坐标相交，交点处电流值即为激光器阈值电流；曲线线性某些斜率为，由曲线求得斜率，可计算ηD。

（3）温度特性
激光器输出光功率是随温度而变化，有两个因素：一是激光器阈值电流Ith随温度升高而增大，二是激光器外微分量子效率ηD随温度升高而减小。温度升高时，Ith增大，ηD减小，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了。当以直流电流驱动时，阈值电流Ith随温度变化更加明显。
阈值与温度近似关系可以表达为：

式中，为室温，为室温下阈值电流，为特性温度。不同温度下，LDP-I曲线如图3，依照此图可以求出LD特性温度。

图6 LD温度特性曲线
五、设备简介
1、 ZY-YSLD3125型激光器
咱们所用ZY-YSLD3125型半导体激光器是具备多量子阱F-P腔激光器LD，内置背景光探测器PD，这种激光器使用时具备下图所示四种型式：

图7 LD激光器四种形式
图中，LD为激光器，PD为背景光探测器。PD-N side dwon管是探测器PD负（N）与激光器LD负（N）或正（P）相连，PD-P side dwon管是探测器PD正负（P）与激光器LD负（N）或正（P）相连，与激光器LD负（N））相连称为DVD型管，与激光器LD正（P）相连称为POINT型管。所用ZY-YSLD3125型激光器为PD-N side dwonPOINT型管，单模光纤同轴封装，带尾纤FC连接。性能指标如下表所示
参数
符号
测试条件
最小值
典型值
最大值
单位
额定功率
Pout
Iop=Ith+20
0.2
－
1
mW
中心波长
λ
CW
1290
1310
1330
nm
光谱宽度
Δλ
CW
－
2
5
nm
阈值电流
Ith
CW
－
10
15
mA
工作电流
Iop
CW
－
Ith+20
－
mA
探测器电流
Im
CW
100
－
－
μA
探测器暗电流
Id
CW
－
－
0.1
nA
表中CW表达持续。管脚图如下

图8 LD引脚阐明：1.激光器正&管壳；
2.激光器负；3.探测器负；4.探测器正。

2、 ZY-YSLED3215型LED发光二极管
ZY-YSLED3215型LED发光二极管性能指标如下表所示：

参数
符号
测试条件
最小值
典型值
最大值
单位
额定功率
Pout
IF =60mA
10
－
－
μW
中心波长
λ
CW
1280
1310
1350
nm
光谱宽度
Δλ
CW
－
－
170
nm
工作电压
Vop
CW
－
1.2
1.7
V
上升下降时间
Tr/Tf
CW
－
－
3
ns
管脚阐明如下：

图9 LED引脚阐明：1.管壳； 2.LED负；3.LED正
3、 ZY606型LD/ LED电流源
本机为激光二极管（LD）专用测试设备，可广泛用于650nm、780nm、808nm、850nm、980nm、1310nm、1550nm等各种中小功率LD电流测试及老化测试。设备内部带APC(Automatic Power Control)电路及ACC(Automatic Current Control)电路，可以实现如下三种功能：
1） LD电源
2） Iop及Im电流测试
3） LD恒功老化及恒流老化
性能指标
供应电流（Iop）max：150mA
反馈测量电流(Im)max：uA
Iop测量精确度： ±0.5mA
Iop辨别率：0.1mA
Im测量精确度：±5uA
Im辨别率：1uA
仪器构造
仪器面板构造图如图10
① LD/LED电流显示
② 激光器背向探测电流显示
③ 电源开关
④ LD/LED电流输出
⑤ DVD管、POINTER管切换开关（DVD管则按下开关，POINTER管则弹起）
⑥ 恒功、恒流切换开关
⑦ 输出电流粗调旋钮
⑧ 输出电流细调旋钮

图10 仪器前面板
操作阐明
1) 本机只能对PD-N side downLD进行测量，不能用来测量PD-P side down安装激光器，否则会损坏激光器。
2) 本机一大特色是设备内部带APC（Automatic Power Control）电路，这种电路是LD在实际应用时普通采用一种恒功控制电路。因而，一只LD在本机上所体现直流特性，将与它在实际应用时直流特性完全一致。有了这种恒功控制电路，就可以长期通电对LD进行寿命及稳定性考核。从而反映出LD在应用产品（如光通信模块、DVD激光头等）中工作时稳定性。没有APC电路设备，则不能实现上述功能。
操作环节
1）通电之前，保证“粗调”“细调”旋钮在最小值位置。这样可防止冲击电流损坏LD。
2）确认LD或LED已经插接良好后，打开电源开关。此时电源输出为零，LD或LED尚未发光。
3）恒功测量：将切换开关拨到恒功档，顺时针缓慢调节输出功率“粗调”旋钮，LD射出激光。改调“细调”旋钮，可将LD输出调至规定数值（用一台光功率计来测量LD输出功率）。通过Iop显示窗口可以读出输出电流值，通过Im显示窗口可以读出探测电流值。注意：LED内部没有探测器，故不能用恒功档测试，只能用恒流档进行测试。
4）恒流测量：将切换开关拨到恒流档，该方式下“细调”旋钮无效，Im窗口显示读数也无效。只需要调节输出功率“粗调”旋钮即可，通过Iop显示窗口可以读出输出电流值。
5）恒功老化：将被测LD调到固定功率输出（这个值由顾客依照需要拟定），并保持不断电，记录该LD在通电一定期间后工作电流变化量，从而反映出LD产品在实际应用中稳定性。
6）恒流老化：将被测LD调到固定电流输出（这个值由顾客依照需要拟定），并保持不断电，记录该LD在通电一定期间后输出功率变化量，从而反映出LD产品在实际应用中稳定性。

六、实验装置及环节
激光器测试实验装置如下
1、按图连接线路，连接图如下。关于ZY606型LD/ LED电流源详细用法参见设备简介。

2、若实验中用到温控器，启动温控器电源，并将温度调到20℃。
3、因YSLD3125型半导体激光器为Pointer型， 将电流源“DVD、Pointer”管切换钮置于Pointer，恒功恒流切换置于恒功，“粗调”和“细调”置于最小。启动电流源，缓慢调节电流旋纽使电流由0mA逐渐增长到18mA，每隔3mA记录LD电压值和光功率值，绘制P-I曲线和V-I曲线。牢记电流最大不能超过40mA，否会损坏激光器！！注意：LD为静电敏感元件，因而操作者不要用手直接接触激光器引脚以及与引脚连接任何测试点和线路，以免损坏激光器。
表1 LDP-I-V实验测试数据
I(mA)
0
3
6
9
12
15
18
U(V)

P(uW)

4、启动LED驱动电源（恒流档测量），缓慢调节“粗调”旋纽逐渐增长工作电流，使电流由0mA逐渐增长到30mA，每隔5mA记录LED电压值和光功率值。绘制LEDP-I曲线和V-I曲线。
表2 LEDP-I-V实验测试数据
I(mA)
0
5
10
15
20
25
30
U(V)

P(uW)

4、 通过P-I曲线线性某些作直线与横坐标相交，交点处电流值即为激光器阈值电流，计算外微分量子效率ηD。
5、调节温控器，升高LD工作温度，重复实验环节3，记录LDP-I曲线和V-I曲线。比较在不同温度下，LD特性曲线变化。
注意：插拔激光器之前，务必先把输出功率“粗调”旋钮调到最小，然后关闭电源开关，这是由于带电插拔LD会导致LD劣化。

六、实验报告规定
1、 在坐标纸上作出YSLED3215型发光二极管V—I曲线和 P—I曲线。
2、 在坐标纸上作出YSLD3125型半导体激光器V—I曲线和 P—I曲线，并拟定出阈值电流和外微分量子效率。
在坐标纸上作出YSLD3125型半导体激光器温度特性曲线。

七、思考题
1、串联电阻R对于LD/LED应用性能有何影响？
2、为什么LD/LED输出特性有较大差别？

实验二 光电探测原理实验
一、实验目
1、理解光照度基本知识、光照度测量基本原理，学会光照度测量办法。
2、理解光电二极管和光电池工作原理和用法
3、掌握光电二极管和光电池光照特性及其测试办法
4、理解光电二极管和光电池伏安特性并掌握其测试办法

二、实验仪器
1、 光电探测原理实验箱
2、 光照度计
3、 光电二极管和光电池
4、 光源

三、实验原理
1、光照度基本知识
（1）光照度是光度计量重要参数之一，而光度计量是光学计量最基本某些。光度量是限于人眼可以见到一某些辐射量，是通过人眼视觉效果去衡量，人眼视觉效果对各种波长是不同，通惯用V（λ）表达，定义为人眼视觉函数或光谱光视效率。因而，光照度不是一种纯粹物理量，而是一种与人眼视觉关于生理、心理物理量。
光照度是单位面积上接受光通量，因而可以导出：由一种发光强度I点光源，在相距L处平面上产生光照度与这个光源发光强度成正比，与距离平方成反比，即：

式中：E——光照度，单位为Lx；
I——光源发光强度，单位为cd；
L——距离，单位为m。
（2）光照度计构造
光照度计是用来测量照度仪器，它构造原理如图1.1。

图 1光照度计构造图
图中D为光探测器，图1.2为典型硅光探测器相对光谱响应曲线；C为余弦校正器，在光照度测量中，被测面上光不也许都来自垂直方向，因而照度计必要进行余弦修正，使光探测器不同角度上光度响应满足余弦关系。余弦校正器使用是一种漫透射材料，当入射光无论以什么角度射在漫透射材料上时，光探测器接受到始终是漫射光。余弦校正器透光性要好；F为V（λ）校正器，在光照度测量中，除了但愿光探测器有较高敏捷度、较低噪声、较宽线性范畴和较快响应时间等外，还规定相对光谱响应符合视觉函数V（λ），而普通光探测器光谱响应度与之相差甚远，因而需要进行V（λ）匹配。匹配基本上都是通过给光探测器加恰当滤光片（V（λ）滤光片）来实现，满足条件滤光片往往需要不同型号和厚度几片颜色玻璃组合来实现匹配。当D接受到通过C和F光辐射时，所产生光电信号，一方面通过I/V变换，然后通过运算放大器A放大，最后在显示屏上显示出相应信号定标后就是照度值。
（3）照度测量误差因素
1）照度计相对光谱响应度与V（λ）偏离引起误差。
2）接受器线性：也就是说接受器响应度在整个指定输出范畴内为常数。
3）疲劳特性：疲劳是照度计在恒定工作条件下，由投射照度引起响应度可逆暂时变化。
4）照度计方向性响应。
5）由于量程变化产生误差：这个误差是照度计开关从一种量程变到邻近量程所产生系统误差。
6）温度依赖性：温度依赖性是用环境温度对照度头绝对响应度和相对光谱响应度影响来表征。
7）偏振依赖性：照度计输出信号还依赖于光源偏振状态。
8）照度头接受面受非均匀照明影响。

2、光生伏特应和光伏探测器原理
光生伏特效应是光照使半导体产生光生电子和空穴，这些电子和空穴在某种“力”作用下向相反方向移动和积聚而产生电位差现象。使电子和空穴向相反方向移“力”可以是同质半导体由于不同掺杂形成p—n结、不同质半导体构成异质结或金属和同质半导体接触形成肖特基结内建电场，也可以是磁场等。下面以p—n结为例阐明光生伏特效应原理。其原理如下图

图2 光生伏特效应原理图
如图a所示，未光照时，P区多数载流子空穴和n区多数载流子电子，由于浓度差会向对方扩散，成果在接触面附近形成正负离子构成空间电荷层及相应由n区指向P区内建电场，该电场制止两边载流子扩散，但使电子和空穴产生与扩散运动方向相反漂移运动，最后达到热平衡，形成一种稳定内建电场E内。内建电场存在区域称作耗尽层。从能量角度看，内建电场E内在耗尽层形成一种势垒，电子在n区具备较低势能，在P区具备较高势能，空穴则相反，如图b所示，最后使能带发生倾斜。n区电子和P区空穴要想从一区进如另一区都需要提供能量。
当有入射光作用时，如果光子能量不不大于或等于带隙（），在耗尽层区、n区和P区都会发生受激吸取，即价带电子吸取光子能量越迁到导带形成光生电子--空穴对。若电子--空穴对在耗尽层内，由于内部电场作用，电子向N区运动，空穴向P区运动，形成漂移电流。若电子--空穴对在耗尽层两侧没有电场中性区，由于热运动，某些光生电子和空穴通过扩散运动也许进入耗尽层，然后在电场作用下，形成与漂移电流相似方向电流，称为扩散电流。漂移电流和扩散电流总和即为光生电流。若外电路开路，则光生电子和空穴分别在N区和P区积累，形成电动势，这就是光生伏特效应。若外电路闭合，N区过剩电子通过外电路流向P区，同样，P区空穴流向N区，便形成了光生电流。当入射光变化时，光生电流随之变化，从而将光信号转换成电信号。
这种由PN构导致，在入射光作用下，由于受激吸取过程产生电子--空穴对运动，在闭合电路中形成光生电流器件，就是简朴光电二极管（PD）。
这种简朴光电二极管（PD），由于PN结耗尽层只有几微米，大某些光入射光被中性区吸取，中性区内电子和空穴是靠扩散运动形成电流，一方面它形成电流几率小，即转换效率低，另一方面响应速度也慢。为了改进这种状况，使用PD管时，总是施加恰当反向偏压，即N区加正电压，P区加负电压，外加电压与内部电场方向相似，从而增大了耗尽层宽度，减小了中性区宽度，从而提高了转换效率和响应速度。
运用光伏效应制作光伏探测器种类繁多，如普通光电二极管（PD）、PIN光电二极管、雪崩光电二极管（APD）、光电三极管、异质结光电二极管、金属—半导体光电二极管、量子阱光探测器等。本实验只讨论普通光电二极管（PD）和光电池。
3、光电二极管构造和特性参数
(一) 光电二极管构造
电二极管核心某些也是一种PN结，和普通二极管相比有诸多共同之处，它们均有一种PN结，因而均属于单向导电性非线性元件。但光电二极管作为一种光电器件，也有它特殊地方。例如，光电二极管管壳上一种玻璃窗口能接受外部光照；光电二极管PN结势垒区很薄，光生载流子产生重要在PN结两边扩散区，光电流重要来自扩散电流而不是漂移电流；又如，为了获得尽量大光电流，PN结面积比普通二极管要大多，并且普通都以扩散层作为受光面，因而，受光面上电极做很小。为了提高光电转换能力，PN结深度较普通二极管浅。图3为光电二极管外形图（a）、构造简图（b）、符号（c） 和等效电路图（d）。

a b c d
图 3 光电二极管
光电二极管在电路中普通是处在反向工作状态，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小（普通不大于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结处内电场作用下作定向运动，形成光电流。光照度越大，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。因而光电二极管在不受光照射时处在截止状态，受光照射时处在导通状态。
（二）光电二极管特性参数
这里仅就与实验关于参数简朴阐明。
（1）伏安特性
光电二极管（PD）就是一种p-n结，依照固体物理对p-n结研究，无光照时，p-n结上电压V和通过它电流伏安关系为
（1）
式中为p-n结反向饱和电流，为波尔兹曼常数，T为热力学温度，q为电子电荷量。
有光照时，产生光生电流IS
（2）
式中为量子效率，为光功率。
这两某些电流方向相似，则总电流I为
（3）
下图表达光照P—N结伏安特性，

图4 P-N结伏安特性
有光照时，相对于无光照曲线向下平移，光照越强，曲线愈往下平移，光电流越大。图中第一象限为P—N结加正偏压状态，此时P—N结暗电流ID远不不大于光生电流，做为探测器工作在这个区域是没故意义。第三象限为P—N结加反偏压状态，此时P—N结暗电流ID=ISO，数值很小，远不大于光生电流IS，光伏探测器输出总电流，光伏探测器多工作在这个区域。
由图可见，在低反压下电流随电压变化比较明显，这是由于反向偏压增长使耗尽层加宽，结电场增强，使结区光吸取率和光生载流子收集效率增大。当反向偏压进一步增长，光生载流子收集已达极限，光电流趋于饱和。这时，光电流与外加反向偏压几乎无关，而仅取决于入射光功率。
图中还标注了开路光电压和短路光电流定义。由式（3）式可以求得光伏探测器输出电压
（4）
在P—N结开路时（即外负载电阻），光伏探测器输出电压称为开路电压，这时经外回路负载上总电流，在式（4）中，将代入，可得开路电压表达式
（5）
若将P—N短路（即V=O），由式（2）可得短路电流为
（6）
和是光伏探测器两个重要参数，其数值可以从伏安特性曲线上得到；由式（5）、（6）可看出，两者都随光强增大而增大，但随光强增大线性上升，而则按对数规律增长，如下图所示。

图5 和随光强变化曲线
（2） 光谱特性
光伏探测器对不同波长光敏捷度是不同，这是由于光子能量必要不不大于或等于带隙，光子才干被吸取产生电子-空穴对，不同半导体材料具备不同，因而对光波长具备选取性，除与材料关于外，还与详细构造关于。下图给出了硅、锗材料光电二极管光谱响应特性，硅光电二极管最佳响应波长在0·8～1·0；锗材料能响应到1·7。图b显示了由硅、硒材料制成光电池光谱响应特性曲线。

（3）光照特性
光电二极管在一定负偏压下，当入射光强度发生变化时，通过光电二极管电流随之变化，在较小负载电阻下，光电流和照度成线性关系。如下图所示

（4）暗电流
当没有光照射时，光电二极管反向饱和电流称为暗电流。
4、光电池构造和特性参数
(一) 光电池构造原理
光电池是一种直接将光能转换为电能光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。 
光电池工作原理是基于“光生伏特效应”，它实质上是一种大面积PN结，当光照射到PN结一种面，例如P型面时，若光子能量不不大于半导体材料禁带宽度，那么P型区每吸取一种光子就产生一对自由电子和空穴， 电子-空穴对从表面向内迅速扩散， 在结电场作用下，最后建立一种与光照强度关于电动势。 图4.1为硅光电池原理图。其中（a) 构造示意图； (b) 等效电路。
图 7 硅光电池原理图
(一) 光电池特性参数
这里讨论光电池光照特性，用入射光强-电流电压特性和入射光强-负载特性来描述。
入射光强-电流电压特性描述是开路电压VOC和短开路电流ISC随入射光强变化规律，如下图所示。

图8 光电池光照特性曲线
VOC随入射光强按对数规律变化，ISC与入射光强成线性关系。
光电池用作探测器时，普通是以电流源形式使用，总要接负载电阻RL，这时电流记作，它与与入射光强不在成线性关系，相对光电池内阻越大，线性范畴越小，如下图所示：

入射光强-负载特性描述是在相似照度下，输出电压、输出电流、输出功率随负载变化规律。如下图所示：

当RL＜＜Rd时，可近似看做短路，输出电流为ISC，与入射光强成正比，RL越小，线性度越好，线性范畴越大。
当RL为∞时，可近似看做开路，输出电压为VOC。
随着RL变化，输出功率也变化，当时，输出功率最大，RM称最佳负载。

四、实验内容
1、 光电二极管和光电池输出光电流与入射光照度关系测量。
2、 光电二极管和光电池伏安特性测试。
3、 光电二极管和光电池暗电流测试。

五、仪器简介
所用重要仪器为光电探测原理实验箱，实验箱配备有0～12V可调直流电压源，可为光电二极管提供可以调节偏置电压、20LX- LX照度计用来测量照度、200mV-20V电压表和20μA-200mA电流表、亮度可调12V/5W卤素灯作为光源、探测器为通光口径Φ5硅光电二极管和光敏直径为Φ6光电池。各表头显示单元和各种调节单元都放在面板上，而光源、照度计探头、硅光电池和硅光电二极管均在箱外，可用引线连接到面板上，面板上还配有电阻RL1、RL2、RL3、R1和R2，阻值分别为2.4 KΩ、5.6 KΩ、10 KΩ、51KΩ和100 KΩ，可供光电池和光电二极管作为负载。
实验箱还配备10K粗调电位器RP1和47K多圈精密细调电位器RP2，可供学生配合其他元件自己动手搭建实验之用。
面板操作示意图：

六、实验环节
1、光电二极管反向伏安特性测量
实验原理框图如下：

(1)、负载RL选取RL1=2.4K。将“光电二极管偏置电压输入＋”端与电流表“＋”端用导线连接，电流表“－”端与RL1任一端连接，RL1另一端与“光电二极管偏置电压输入－”端相连，此时光电二极管偏压为零。
(2)、电流表档位调节至20μA档，“光照度调节“旋钮逆时针调节至最小值位置。打开电源开关，顺时针调节照度调节旋钮，使照度值为50Lx，记录此时电流表读数。关闭电源，拆掉电流表“－”端与RL1之间连线。
(3)、电压表调到20V档，“幅度调节”旋钮逆时针调至最小值位置。将“直流电源0-12V”端与RL1连接，将“直流电源另一端（接地端）与电流表“－”端连接。再将电压表“＋”端与“直流电源0-12V”端相连，“直流电源”接地端与电压表“－”端相连。
(4)、打开电源开关，调节“幅度调节”旋钮，直至电压表显示为2.00V为止，记下光电二极管所加反向偏压为2V时电流表读数。
(5)、重复环节4，分别记下反向偏压为4V、6V、8V和10V时电流表读数。
(6)、重复上述环节。分别测量光电二极管在100Lx、200Lx和300Lx照度下，不同偏压下光生电流值，并分别作出伏安特性曲线。比较四条伏安特性特性曲线有什么不同。
(7)、实验完毕，拆除所有连线。将“幅度调节”和“光照度调节”旋钮都逆时针旋究竟。
2、光电二极管在-6V偏压下光照特性测量
（1）照上图连接线路，载RL选取RL1=2.4K，电流表档位调节至20μA档。
（2）调节“幅度调节”旋钮，使电压表批示为6伏。
（3）将光源、照度计、光电二极管插入实验箱相应孔中。
（4）将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值，测-6V偏压下电流，即为暗电流值。
（5）分别测出光照度为25LX、50LX、100 LX、150 LX、200 LX、250LX、300 LX时电流值。
（6）绘出光电二极管光照特性曲线。
3、光电池照度—电流特性测试
实验原理框图如下图

分别测出下表所示光照度和负载下光生电流。作出光照度—电流特性曲线，并对曲线进行分析。

光照度（Lx）
0
20
40
60
80
100
120
140
160
R=0
光生电流（μA）

R=2.4K
光生电流（μA）

4、光电池照度—电压特性测试
实验原理框图如下图

分别测出下表所示光照度下光生电压，作出光照度—开路电压特性曲线。

光照度（Lx）
0
10
30
50
100
200
300
光生电压（mV）

5、入射光强-负载特性测试 实验原理框图如下图。

（1）按图连接线路，光照度取50Lx，将电压表选取2V档，电流表选取200μA档。
（2）分别测出负载电阻Ｒ为下表所示值电流和电压。
负载（Ω）
0
2.4Ｋ（RL1）
5.6Ｋ（RL2）
10Ｋ（RL3）
51Ｋ（R1）
100Ｋ（R2）
电流（μA）

电压（mV）

（3） 作出50Lx光照度下光电池光生电流