光敏二三極管特性測量實驗

一、實驗目的

1、了解光敏二、三極管的工作原理和使用方法及用途；

2、掌握光敏二、三極管的光照特性及其測試方法；

3、掌握光敏二、三極管的伏安特性及其測試方法；

4、掌握光敏二、三極管的光譜響應特性及其測試方法；

5、掌握光敏二、三極管的時間響應特性及其測試方法。

二、實驗內容

1、掌握光敏二、三極管的光照特性及其測試方法；

2、掌握光敏二、三極管的伏安特性及其測試方法；

3、掌握光敏二、三極管的光譜響應特性及其測試方法；

4、掌握光敏二、三極管的時間響應特性及其測試方法。

三、實驗儀器

光電技術創新綜合實驗儀                                             一臺

光敏二三極管實驗模塊                                               一塊

光源輸出及測量實驗模塊                                             一塊

連接導線                                                           若干

四、實驗原理

1、光敏二極管的結構和原理

光敏二極管的核心部分也是一個PN結，和普通二極管相比有很多共同之處，它們都有一個PN結，因此均屬于單向導電性的非線性元件。但光敏二極管作為一種光電器件，也有它特殊的地方。例如，光敏二極管管殼上的一個玻璃窗口能接收外部的光照；光敏二極管PN結勢壘區很薄，光生載流子的產生主要在PN結兩邊的擴散區，光電流主要來自擴散電流而不是漂移電流；又如，為了獲得盡可能大的光電流，PN結面積比普通二極管要大的多，而且通常都以擴散層作為受光面，因此，受光面上的電極做的很小。為了提高光電轉換能力，PN結的深度較普通二極管淺。圖1-1為光敏二極管外形圖（a）、結構簡圖（b）、符號（c）和等效電路圖（d）。

          a                 b                c                 d     

                             圖1-1 光敏二極管

光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態（見圖1-2），在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小（一般小于0.1微安），這個反向電流稱為暗電流，當光照射在PN結上，光子打在PN結附近，使PN結附近產生光生電子和光生空穴對，稱為光生載流子。它們在PN結處的內電場作用下做定向運動，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。如果在外部電路上接上負載，負載上就獲得了電信號。因此光敏二極管在不受光照射時處于截止狀態，受光照射時處于導通狀態。

圖1-2 光敏二極管工作電路

光敏二極管在一定負偏壓下，當入射光的強度發生變化時，通過光敏二極管的電流隨之變化，在較小負載電阻下，光電流和照度成線性關系。如圖1-3所示，這就是光敏二極管的光照特性。

圖1-3 光照特性曲線

圖1-4表示光照P—N結的伏安特性，有光照時，相對于無光照曲線向下平移，光照越強，曲線愈往下平移，光電流越大。圖中象限為P—N結加正偏壓狀態，此時P—N結暗電流ID遠大于光生電流，做為探測器工作在這個區域是沒有意義的。第三象限為P—N結加反偏壓狀態，此時P—N結暗電流ID=ISO，數值很小，遠小于光生電流IS，光伏探測器輸出的總電流，光伏探測器多工作在這個區域。

圖1-4 伏安特性曲線

光敏三極管與普通雙晶體管十分相似，不同之處是光敏三極管必須有一個對光敏感的PN結作為感光面，一般用集電結作為受光結，因此，光敏三極管實質上是一種相當于在基極和集電極之間接有光敏二極管的普通三極管。其結構與一般晶體管相類似，但也有其特殊的地方。如圖1-5（a）所示，圖中e、b、c分別表示光敏三極管的發射極、基極和集電極。正常工作時保證基極—集電極結（b—e結）為反偏壓狀態，并作為受光結（即基區為光照區）。光敏三極管通常有NPN和PNP型兩種結構，常用的材料有硅和鍺。例如用硅材料制作的NPN結構有3DU型，PNP型有3GU型，本實驗系統中使用3DU型。采用硅的NPN型光敏三極管其暗電流比鍺光敏三極管小，且受溫度變化影響小。

光敏三極管的工作有兩個過程，一是光電轉換；二是光電流放大。光電轉換過程是在b—c結內進行，它與一般光敏二極管相同。當集電極加上相對于發射極為正向電壓而基極開路時（圖1-5（b）），則b—c結處于反向偏壓狀態。無光照時，由于熱激發而產生的少數載流子，電子從基極進入集電極，空穴則從集電極移向基極，在外電路中有電流（即暗電流）流過。當光照射基區時，在該區產生電子—空穴對，光生電子在內電場作用下漂移到集電極，形成光電流，這一過程類似于光敏二極管。與此同時。空穴則留在基區，使基區的電位升高，發射極便有大量電子經基極流向集電極，總的集電極電流為

式中β為共發射極電流放大倍數。因此，光敏三極管等效于一個光敏二極管與一般晶體基極—集電極結的并聯。它是把基極—集電極光敏二極管的電流（光電流IP）放大β倍的光伏探測器，可用圖1-5（c）來表示。

圖1-5 光敏三極管結構及工作原理

（a）結構示意圖  （b）光電變換原理  （c）電流放大作用

圖1-6（c）示出了光敏三極管的暗電流與溫度的關系。由于晶體管的放大作用，基極開路時的暗電流及它隨溫度上升都比光敏二極管大。

圖1-6 光敏三極管特性

五、實驗注意事項

1、連線之前要保證電源關閉；

2、打開電源之前，將“電源調節”旋鈕逆時針調至最小值；

3、若照度計、電流表或電壓表顯示為“1＿”時說明超出當前量程，應選擇合適的量程再測量；

4、嚴禁將任何電源對地短路。

六、實驗步驟

1、實驗測試電路如圖1-7所示：

圖1-7 光強與光敏二三極管電流值關系測試電路

2、打開實驗箱電源，調節照度計“調零”旋鈕，至照度計顯示為“000.0”為止，關閉實驗箱電源；（光路結構件連接參考光敏電阻模塊圖1-2）

3、J1連接實驗儀主板0—12V2，實驗儀主板GND2與GND相連。12V2、GND2分別連接實驗箱上電壓表的正負插孔，J1、J2分別連接實驗箱上的光電二極管結構件黃、藍插孔，同時將套筒紅、黑插孔與照度計紅、黑插孔相連；（做光電三極管實驗時，J1、J2分別連接實驗箱上的光電三極管結構件黃、藍插孔）；

4、打開實驗箱電源，按下K1和K2，同時保證其余開關都彈起； 

5、將光源及測量實驗模塊插入主機箱體的插槽中。航空插座FLED-IN與全彩燈光源套筒相連接，短路塊連接J11插針的T端。打開光源及測量實驗模塊電源開關K1，將S1,S2,S3開關向上撥，使光照強度為0，即照度計顯示為0，調節模塊上的W1，使TP3電壓為0；

6、將S1,S2,S3開關向下撥，將可調電源電壓調為5V，光源顏色選為白光，用示波器CH1和CH2分別觀察TP1和TP3的電壓。（調節W4可改變TP3點電壓的大小）

7、保持“電源調節”旋鈕不旋動，按“照度加”或“照度減”，測量照度為100Lx、150Lx、200Lx、250Lx、300Lx、350Lx、400Lx、450Lx、500Lx、550Lx、600Lx分別對應的電壓值U（TP1點的電壓），R1=100K按照I=U/R1計算電流值，且將實驗數據記錄于表1-1中：

表1-1 5V偏壓下，光敏二極管光電特性測試

8、改變電源供電偏壓U1，分別記錄電壓為8V、10V時，不同光照度下對應的電流值，并分別記錄于表1-2及表1-3中：

表1-2 8V偏壓下，光敏二極管光電特性測試

表1-3 10V偏壓下，光敏二極管光電特性測試

9、保持照度為100Lx不變，調節電源供電偏壓，使供電偏壓為1V、2V、3V、4V、5V、6V、7V、8V、9V、10V，分別記錄對應的電流值，并記錄表1-4中：

表1-4 100Lx照度，光敏二極管伏安特性測試

10、按“照度加”，調節使光照為200Lx、300Lx、400Lx、500Lx、600Lx，記錄同一光照不同電壓下對應的電流值，并分別記錄表1-5至表1-9中：

表1-5 200Lx照度，光敏二極管伏安特性測試

表1-6  300Lx照度，光敏二極管伏安特性測試

表1-7  400Lx照度，光敏二極管伏安特性測試

表1-8  500Lx照度，光敏二極管伏安特性測試

表1-9  600Lx照度，光敏二極管伏安特性測試

11、使可調電源偏壓調為5V分別測量不同顏色光在100Lx光照強度下，光敏二極管的電流值，將各個光源100lx照度下光敏二極管的電流值記錄在表1-10中。

表1-10  光敏二極管光譜特性測試

12、將S1，S2，S3開關向上撥，將可調電源電壓調為5V。將光源及測量實驗模塊的J16與J17,18,J19插座相連接。觀察光源及測量實驗模塊的J16點波形和光敏二極管實驗模塊TP1點波形，分析光敏二極管的時間響應特性；

13、光敏三極管與二極管的實驗步驟相同，將J1、J2分別連接實驗箱上的光敏三極管結構件黃、藍插孔；

14、將“電源調節”旋鈕逆時針旋至不可調位置，關閉實驗箱電源。