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1、光电传感器技术实验指导太原理工大学物理与光电工程学院 太原理工大学测控技术研究所2014 年10 月21日实验一 光敏电阻特性参数及其测量1、光敏电阻伏安特性实验 1.1、实验目的通过本实验，认识并学习光敏电阻，掌握光敏电阻的基本工作原理，变换电路和它的光照特性和 伏安特性等基本参数及其测量方法。达到会用光敏电阻器件进行光电检测方面应用课题的设计。1.2、实验仪器 GDS-III（或W）型光电综合实验平台1台； LED 光源1 个； 光敏电阻 1 个； 通用光电器件实验装置 2 只 光电器件支杆 2 只； 连接线 20 条； 示波器探头 2 条；注意事项：LED发光二极管正负极性问题（从侧面观
2、察两条引出线在管体内的形状，较小的是正 极），与之对应的通用光电器件实验装置中，白螺钉一端为正极，黑螺钉一端为负极。通用光电器件 引线红色为正，黑色为负。1.3、实验原理某些物质吸收了光子的能量后，产生本征吸收或杂质吸收，从而改变了物质电导率的现象称为物 质的光电导效应。利用具有光电导效应的材料（如硅、锗等本征半导体与杂质半导体，硫化镉、硒化 镉、氧化铅等）可以制成电导（或电阻）随入射光度量变化器件，称为光电导器件或光敏电阻。当光敏电阻受到光的照射时，其材料的电导率发生变化，表现出阻值的变化。光照越强，它的电 阻值越低。因此，可以通过一定的电路得到输出信号随光的变化而改变的电压或电流信号。测量
3、信号 电压或电流很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）将急剧变化，因此电 路中电流将迅速增加。便可获得光敏电阻随光或时间变化的特性，即光敏电阻的特性参数。1.4、实验步骤利用图 1 实验并能 够画出 其 伏安特性曲线。2锯齿波光敏电阻Y示波器X R3= 25KQ阶梯波示波器FR2= iKn装置可以测量出光敏电阻的伏安特性，实验过程可以采用如下步骤：下面利用光电综合实验平台提供的硬件资源，模拟示波、模拟伏安 特性以及其功能软件，直接对光敏电阻进行伏安特性的测量实验，在计算机界面上直接得到光敏电阻 的伏安特性曲线。具体实验步骤如下：a. 电路接通无误后将LED与光敏电阻闭合、
4、固定，接通平台电源，进入如平台软件的主界面，在 主界面中点击“伏安特性实验”选项。在参数设置框中对伏安特性实验的参数进行设置，主要有两项， 分别是采样频率（250Hz）阶梯波与扫描锯齿波的工作频率，和发出锯齿波的级数选择（4级）。点 击示波器进行观测。b. 执行“返回”，更换采集方式。返回到主界面后，单击“数据采集”菜单，显示屏将显示出 光敏电阻的伏安特性曲线，保存数据。1.5、实验结果及分析测量光敏电阻伏安特性。 思考：图1中R2、R3的作用。2、光敏电阻时间响应特性实验2.1、实验目的通过本实验，认识并学习光敏电阻，掌握光敏电阻的基本工作原理，变换电路和它的光照特性和 伏安特性等基本参数及
5、其测量方法。达到会用光敏电阻器件进行光电检测方面应用课题的设计。2.2、实验仪器 GDS-III（或W）型光电综合实验平台1 台; LED 光源1 个； 光敏电阻 1 个； 通用光电器件实验装置 2 只 光电器件支杆 2 只； 连接线 20 条；辐射通量。e当片0 当旳 示波器探头 2 条；2.3、实验原理（1） 弱辐射条件下的时间响应 设入射辐射如右图上方的方波所示光脉冲，其 表示为：光敏电阻的光电导率O和光电流上随时间变化的规律为如上图下方所示的输出波形，其变化规律为：A & = i Go （1-岀 ）l=z1-詰）式中 O与I分别为弱辐射作用下的光电导率和光电流的稳态值。0 e0显然，当
6、t r 时， o = o ，Ie =I ；当七二 t 时， o =0.63L o ，I =0.63I ； t0e0r0e0定义为光敏电阻的上升时间常数，即光敏电阻的光电流上升到稳态值I的63%所需要的时间。re0停止辐射时，入射辐射通量。e与时间的关系为：同样，可以推导出停止辐射情况下的光电导率和光电流随时间的变化规律/ % E当t 二t 时， a 下降到 o =0.37A o ， I e0 下降到I =0.371 e0；当t t 时， o 与f00f0Ie0 均下降到0；可见，在辐射停止后，光敏电阻的光电流下降到稳态值的37%所需要的时间称为光敏电阻的下降时间常数，记为丁。f显然，光敏电阻在
7、弱辐射作用下的上升时间常数T r与下降时间常数T f近似相等。2）强辐射条件下的时间响应如右图所示为较强的辐射通量Oe（图的上方）阻时的输出波形（图的下方波形），无论对本征型电阻，光激发载流子的变化规律由下式表示，其中，脉冲光敏电阻电导率o的变化规律为:脉冲作用于光敏电还是杂质型的光敏设入射辐射为方波其光电流的变化规律为：2.4、实验步骤利用图1实验装置可以测量出光敏电阻并能够画出其时间响应特性曲线。具体实验步骤如下:a.电路接通无误后将LED与光敏电阻闭R6=100QEl实峻装蚤光敏电阻示波器R3= 10KQ的时间响应特性，合、固定，接通Ie=I ；当七二t 时， o =0.76A o ，
8、I =0. 76 I。在强辐射e00 ee0显然，当tT时， o = o ，0入射时，光敏电阻的光电流上升到稳态值的67%所需要的时间T定义为强辐射作用下的上升时间常数。r当停止辐射时，由于光敏电阻体内的光生电子和光生电荷需要通过复合才能恢复到辐射作用前的 稳定状态，而且随着复合的进行，光生载流子数密度在减小，复合几率在下降，所以，停止辐射的过 渡过程要远远大于入射辐射的过程。停止辐射时光电导率和光电流的变化规律可表示为:c +127平台电源，进入如平台软件的主界面，在主界面中点击“时间响应实验”选项。然后，再从时间响应 实验栏的“采样频率”选项中设置适当的频率，最后，采用两个示波探头CH1与
9、CH2分别接在电阻R端测量方波输入脉冲和光敏电阻变换电路的输出上，然后点击“采集数据”菜单。 “时间相应测量 结果的界面”，界面分为两部分，上部显示加在光敏电阻上的输入方波脉冲的波形，其横轴为时间坐 标，显示以方波脉冲光作用到光敏电阻上，下部分为光敏电阻变化电路的输出信号，对比上下两部分 波形，观测光敏电阻的时间响应特性。b.调节R2,使得方波信号工作在非饱和状态。测量光敏电阻在强（Rl=510Q ）、弱（R1=1MQ ） 两种辐射作用下时间响应特性。例如，弱辐射的上升时间测量方法为：上升曲线边缘处点击鼠标右键， 在上升到稳态50%点击鼠标右键,弱辐射条件下光敏的上升时间为两者差,可从界面右下
10、角处直接读 出。2.5、实验结果及分析测量光敏电阻在强、弱两种辐射作用下时间响应特性,并分别计算出对应的上升、下降时间,将结果进行比较。关机与结束 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； 先将实验平台的电源关掉,再将所用的配件放回配件箱； 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。实验二 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
11、等特性。2、实验仪器 GDS-III（或W）型光电综合实验平台1台； LED 光源1 个； 光电二极管 1 只； 通用光电器件实验装置 3 只； 光电器件支杆 2 只； 连接线 20 条； 示波器探头2 条；注意事项：LED与光电二极管的区别以及正负极性问题（从顶端看去，能够看出它们的差异，光电 二极管的光敏面积,即显深颜色部分,较大；发光二极管没有）。光电二极管的长引脚为正、短引脚 为负。通用光电器件引线红色为正，黑色为负。3、实验原理光电二极管是典型的光生伏特器件，它只有一个 PN 结。光电二极管的全电流方程为：警（1-穴）監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
12、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：式中，TD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为波尔曼常数,T 为环境的绝对温度。显然，上式描述了光电二极管的扩散电流与普通二管没有什么区别。而与入射辐射有关的电流Ip为:式中，h为普朗克常数，a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，久为 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0e，久线性变化，式中的负号表明光生电流的方向与扩散电流的方
13、向相反。4、实验内容作） 光电二极管伏安特 光电二极管时间响5、实验步骤示波器 光电二极管伏安特a.将LED、光电二极管锯齿減光电二极管性的测量；应特性的测量；（选性的测量接入中通用光电器件实验装置（注意正负极性），按图1搭建电S1实殓装蛊路。电路检查无误后将LED与光电二极管闭合，避免杂散光的影响，打开实验平台开关。b. 调出光电综合实验平台的执行软件界面，在界面上先选中“伏安特性实验”。点击界面上的示波器”，所示的示波器显示界面，选择通道1 为红色，通道2 为蓝色，再点击“开始”菜单，屏 幕上将显示出各通道输入信号的波形。c. 调节电路参数，使输出信号波形的每个台阶的高度均有一定的差异，高
14、度尺寸不太小或太大， 此时光电二极管的变换电路调得比较合适。点击停止按键，然后在主界面上再点击“数据采集”，保 存光电二极管器件的伏安特性曲线图。 光电二极管时间响应特性的测量a. 按图2搭建电路，电路检查无误后，进行“时间响应实验”b. 调节电路参数，观测时间响应特性，并保存。6、实验结果及分析 测量光电二极管的伏安特性曲线。 测量光电二极管的时间响应特性曲线。关机与结束 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； 先将实验平台的电源关掉，再将所用的配件放回配件箱； 将实验所用仪器收拾好后，请指导教师检查，批准后
15、离开实验室。实验三 PSD 位置传感器实验1. 实验目的通过 PSD 光电位置传感器的原理实验，掌握光伏器件的横向效应和利用横向效应制造出的光点 位置传感器（PSD），并了解有关PSD的应用技术。2. 实验仪器 GDS-III（或W）型光电综合实验平台主机1 台; 一维PSD光电位置传感器及其夹持器1件； 点状半导体激光器1 只； 二维调整架1 只；3. 实验内容将装载有点光源的被测物体所发出的圆形光点落入到一维 PSD 器件上，其两个电极分别输出两 路电流，电流强度的和与差值与光点距器件中心位置的距离有关，因此，可用电流强度来度量光点在 PSD 上的位置，既用电流测出被测物体的位置。4. 实验原理由3层构成，上面型层上设置有两 能外还具有横向 一个均
