发布时间 : 星期五 文章光电技术综合实验指导-（下）更新完毕开始阅读a5317011ff00bed5b9f31df0
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
qU?q??I =ID?ekT?1? (1?e??d)Φe,? （2.5-1）????hc式中前一项称为扩散电流，也称为暗电流，用Id表示；后一项为光生电流，常用IP表示。显然，扩散电流Id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Id与偏置电压U的关系为
qU?Id?ID?ekT?1? ? （2.5-2）??式中，ID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Ip为 Ip???q?hc(1?e??d)Φe,λ （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。
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
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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。但是，仔细从顶端看去，能够看出它们的差异，光电二极管的光敏面积（显深颜色部分）较大，光电三极管较小，发光二极管没有。
② 光电二极管实验装置
光电二极管实验装置即为半导体光电器件实验装置，只是将光电二极管插入它的插孔。它的引出线通过φ2.1标准插座引出，其结构和接线如图2.2-3与图2.2-4所示。
③ 搭建测量电路
测量电路如图2.5-1所示，搭建时应该首先将光电二极管实验装置与LED发光光源装置相对安放在平台上，然后将光电二极管实验装置引线的红色插头插到负载电阻RL（例如选510kΩ）的插孔中，再将负载电阻的另一个插孔与数字电流表的正极（红色插孔）用连线相连接，再将数字电流表的负极（黑色插孔）与平台左下角可调电源的负极（黑色插孔）相连，再将光电二极管的负极（黑色插头）插入到可调电源的红色插孔中，最后将数字电压表并接到光电二极管的两端，完成如图2.5-1所示测量电路的搭建。
LED光源的供电电路的搭建与2.2节光敏电阻亮电阻测量实验一样的步骤搭建。 （2）光照灵敏度的测量
定义光电二极管的电流灵敏度为入射到光敏面上辐射量的变化（例如通量变化dΦ）引起电流变化dI与辐射量变化dΦ之比。通过对式（2.5-2）进行微分可以得到
Si?dI?q??(1?e??d) （2.5-4） dΦhc显然，当某波长λ的辐射作用于光电二极管时，其电流灵敏度为与材料有关的常数，表征光电二极管的光电转换特性的线性关系。
1）暗电流的测量
首先测量光电二极管的暗电流，测量电路如图2.5-1所示，当光电二极管处于暗室状态时，用图2.5-1数字电流表所测量光电二极管的暗电流。
① 将LED光源的一个引线插头拔出，使光电二极管处于暗室之中。
② 接通平台电源，即可以直接从串联数字电流表读取光电二极管的电流读数时可以适当选择量程。
③ 调整可调稳压电源的电压，观测数字电流表与数字电压表数值的变化，并将电流与电压表的示值记录下来，在直角坐标系中画出电流与电压的关系曲线即为被测光电二极管的暗电流特性曲线。
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图2.5-1 光电二极管偏置电路
2）光照特性的测量 ① 标定光源
测量完暗电流以后，将拔出的插头再插入电路。然后将平台提供的照度计与LED光源相对安装，通过改变LED供电电路的串联电阻（可串接电位器改变电阻）分别测出LED的电流Ip值及与之对应的光源出口处的照度值。便可以获得LED光源的光电流Ip与入射到被测光电二极管光敏面处的光照度Ev间的光照特性曲线。 2.5-1空格内，完成标定工作。
表2.5-1发光二极管的电流与发出的光照度
光照度Ev（lx） 电流ILED（mA） 10 20 30 40 50 60 70 图2.5-2 光电二极管光照特性
标定过程中，把照度为表2.5-1的一些照度如10、20、30lx所对应的电流ILED记录到表
②光电二极管光照特性测量实验
标定完成后，将光电二极管实验装置与LED光源相对安装，然后根据表2.5-1的示值测量出不同光照下光电二极管的输出电流，填入表2.5-2。
表2.5-2光电二极管光照特性测量值
光照度Ev（lx） 电流ILED（mA） 电流I（ pmA）10 20 30 40 50 60 70 由光照特性曲线很容易计算出光电二极管的光电灵敏度Sv
Sv??Ip （2.5-5） ?Ev（2）光电二极管伏安特性的测量
光电二极管伏安特性的测量方法也分为两种。手工描点测量方法与利用实验仪器进行自动测量的方法。
① 描点测量方法
手工描点测量方法是利用图2.5-1所示的电路测量出光电二极管的伏安特性，并描绘出特性曲线。在测量时，首先设定入射光的照度值，而后改变电源电压Ubb，用数字电压表测量光电二极管两端的电压UD，用数字电流表测量光电流Ip，将测量值填入表2.5-3中。
表2.5-3光电二极管伏安特性测量值
10（lx） 20（lx） 30（lx） 40 电压UD（V） 电流I（ pmA）电压UD（V） 电流I（ pmA）电压UD（V） 电流I（ pmA）电压UD（V） 0 0 0 0 0.1 0.1 0.1 0.1 0.2 0.2 0.2 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 1 1 1 1 5 5 5 5 8 8 8 8 12 12 12 12 由图2.5-1可见，由于光电二极管两端所加的偏置电压均为负值。光电二极管在反向电
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压作用下的伏安特性曲线可将表2.5-2中的数值在如图2.5-3所示的直角坐标系找到对应点，再将这些点连成线便画出一族特性曲线。即为光电二极管的伏安特性曲线。
②自动测量的方法
自动测量的方法是将发光二极管与被测光电二极管组装 成如图2.5-4所示的电路。将实验平台上提供的阶梯信号接 到发光二极管供电电路电路的输入端，使其发出阶梯光脉 冲；而实验平台提供锯齿扫描波为被测光电二极管的偏置电 源，使光电二极管上加载的电源由低向高逐渐增强。由于平 台提供的“阶梯波”与“锯齿波”均具有严格的“同步” 关系，用实验平台的“示波器”探头将光电二极管输出 信号接入计算机系统。便完成自动测量光电二极管伏安
图2.5-4 光电二极管特性实验电路
特性的准备工作。完成光电二极管电压由低到高变化（或扫描）一次，LED提供一个阶梯的亮度。也可以说在LED提供一个阶梯亮度的情况下，光电二极管的电源电压做一次由低到高的扫描。以扫描电压为横轴，以反映流过光电二极管电流（Ip）强度的输出电压Uo为纵轴做扫描图像便为光电二极管的伏安特性曲线。
实验时，用平台提供的基本电子元器件构成如图2.5-4所示的LED供电电路，开机检查LED是否发出了阶梯光脉冲？然后再关机，搭建光电二极管的接收电路。并将LED与光电
二极管安放在一起，尽量靠近，避免杂光干扰，将平台上的2只示波笔分别接到锯齿扫描电压与光电二极管的输出端，并以锯齿波为x轴，以输出信号为y轴。
调出光电综合实验平台的执行软件界面如图2.4-5所示，在界面上先选中“伏安特性实
图2.5-5 光电器件伏安特性实验软件界面
验”选定扫描频率在500KHz以下，如100KHz，然后点击界面上的“示波器”，弹出如图2.2-14所示的示波显示界面，选择通道1为红色，通道2为蓝色，将示波笔（探头）接入相应的通
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