发布时间 : 星期一 文章光电技术综合实验指导-（下）更新完毕开始阅读a5317011ff00bed5b9f31df0
道，再点击“开始”菜单，屏幕上将显示出示波笔输入信号的波形。参考2.2节的内容。
观察示波器的波形，调整相应的电阻，使显示的特性曲线确实符合测量需要后，再点击“停止”将在显示屏上出现用示波笔所采集的信号波形（如阶梯波与锯齿波）。点击“返回”，便回到如图2.5-5所示的软件主界面，再设置“伏安特性测量”的采样频率和阶梯波的级数。设置方法是在主界面上直接用鼠标点击选择。
与光敏电阻伏安特性测量方法类似，搭建好实验电路后，先用示波器探头1观测图2.5-4中左侧阶梯波信号，再用示波器探头2观测右部光电二极管输出信号，得到如图2.5-6所示阶梯波与输出信号波形，如果输出信号波形的每个台阶的高度均有一定的差异，高度尺寸不太
小或太大，说明光电二极管的变换电路调得比较合适，则可以点击停止按键，将其抓屏保存，再点击“返回”按钮，回到主界面。然后在主界面上再点击“数据采集”，便会在界面上显示出如图2.5-7所示光电二极管的伏安特性曲线。它为典型光电二极管器件的伏安特性曲线图。
从光电二极管伏安特性曲线可以找到光电二极管的饱和区、线性区，它的电流放大倍率等参数。这些参数都是实际应用中很有价值的参数。
图2.5-7 光电二极管伏安特性曲线
（3）光电二极管时间响应的测量
光电二极管时间响应的测量电路如图2.5-8所示。图中左半部分为LED脉冲光源的供电电路，由平台发出频率可由软件选择的方波脉冲信号加于LED驱动三极管的基极使三极管的集电极电流发出脉冲电流，使LED发出脉冲光。电路的右侧为光电二极管的变换电路，它由RO为光电二极管GD提供 反向偏置，并使光电二极管能够接收到方波脉冲光辐射。
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图2.5-8 时间响应测量电路
用实验仪示波探头CH1接到发光脉冲信号输入端，而用仪器的另一示波探头CH2接到光电二极管输出端Uo，打开计算机并执行光电二极管时间响应测量程序，观测CH1与CH2的波形，根据CH2相对CH1的波形，测量出光电二极管的上升时间tr与下降时间toff，比较tr与toff值，计算出光电二极管的时间响应τ；最后，画出光电二极管的时间响应特性曲线。
6. 关机与结束：
1、 所测的数据及实验结果（包括实验曲线）保存好，分析实验结果的合理性，如不合理，则要重新补作上述实验；若合理，可以进行关机；
2、 先将实验平台的电源关掉，再将所用的配件放回配件箱；
3、 将实验所用仪器收拾好后，请指导教师检查，批准后离开实验室。
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实验2.6 光电池的偏置电路与特性参数测量实验
1. 实验目的
硅光电池包含测量用的硅光电池、硒光电池与太阳能电池等，它们常有3种偏置方式，即自偏置（作为电池应用）、零伏偏置（测光用）与反向偏置（测光用）。在不同偏置的情况下硅光电池将表现出不同的特性（《光电技术第2版》3.2.3节对其进行了详细的叙述），适用于不同的应用，因此，学习掌握硅光电池3种偏置电路的及在3种偏置下表现出特性，对正确看待光电池，应用硅光电池进行清洁能源、光电测量与控制是非常重要的。本节通过典型光电池的各种偏置电路实验，掌握它们的特性。
2. 实验内容
1. 2. 3.
硅光电池在不同偏置状态下的基本特性； 测试硅光电池在不同偏置状态下的典型特性参数； 测量硅光电池在反向偏置下的时间响应；
3. 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 硅光电池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；
4. 实验原理
硅光电池与光电二极管类似，具有光生伏特器件的特性，是典型的P-N结型光生伏特器件。硅光电池与光电二极管的不同之处在于它的光敏面积较大，P、N结型材料的参杂浓度较高，内阻较小，便于向负载供电（参见“光电技术”的3.2.3节对硅光电池的讲述）。
1）自偏置电路 硅光电池的自偏置电路的实验电路如图2.6-1(a)所示，用数字电压表测量硅光电池两端的电压，用微安表测量流过硅光电池的电流。显然，加在硅光电池两端的偏置电压由光生电流在负载电阻上产生的压降提供。因此，称其为自偏置电路。
图2.6-1 硅光电池自偏置电路与伏安特性曲线
在自偏置情况下，硅光电池的电流方程为
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qU?q Ip?Φe,λ?ID(ekT?1) （2.6-1）
h?式中，电压U = IpRL，为自偏置电压。流过光电二极管的电流由两部分组成，一部分与入射辐射有关，另一部分与偏置电压（或负载电阻RL）成指数关系。
由此可以得到Ip与RL间的关系和如图2.5-1(b)所示关系曲线，它应该位于第4象限，为方便分析与计算将其旋转到第1象限。
当RL=0时，U=0时，相当于硅光电池处于短路工作状态；短路状态下，流过硅光电池的电流为短路电流Isc，它与入射辐射通量φe,λ的关系为
Ip?Isc?角坐标的纵轴上。
?qhc Φe,λ （2.6-2）
短路状态下硅光电池的输出功率为零。为自偏置电路的特殊状态（RL=0），工作点位于直另一个特殊状态为RL→∞，即开路状态。此时，流过硅光电池的电流为零（Ip=0），可以推导出开路电压为
Uoc?kT(ID?Isc)ln (2.6-3) qID显然，它应该位于横轴上，是对数函数，与光电流及暗电流成对数关系。同样，开路状态下的输出功率也为零。
但是，0＜RL＜∞时，输出功率PL＞0。RL取何值使硅光电池的输出功率最大是利用硅光电池做电源向负载供电的关键技术。通过实验找到获得最大输出功率的最佳负载电阻Ropt是硅光电池自偏置电路的关键问题。
2）反向偏置电路
硅光电池的反向偏置电路与光电二极管的反向偏置电路类似，PN结所加的外电场方向与内建电场方向相同，使PN结区加宽，更有利于漂移运动的光生电子与空穴的运动。只要外加电场足够大，光电流Ip只与光度量有关而与外加电压的幅度无关（如图2.5-1所示）。
显然，反向偏置下的硅光电池不会对负载输出功率，只能消耗供电电源的功率。 3）零伏偏置电路
硅光电池在零伏偏置状态下具有良好的光电响应特性，它的暗电流为零。这是硅光电池零伏偏置的最大特点。真正绝对零伏偏置的电路是不存在的，但是，可以制作出近似的零伏偏置电路。如图2.6-2所示的电路为典型的硅光电池零伏偏置电路。图中，用高增益的高阻抗运算放大器构成闭环放大电路具有对硅光电池的等效输入电阻Ri接近于零，使电路近似为硅光电池的零伏偏置电路。
图2.6-2 硅光电池零伏偏置电路
5. 实验步骤
（1）自偏置电路的输出特性与最佳负载电阻
① 组装自偏置电路的输出特性
首先将硅光电池装置和LED光源装置牢靠地安装到光学台上，使LED光源发出的光能够射入硅光电池上，构成如图2.6-3所示的结构。再按照图2.6-1所示的电路连接成自偏置电
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