光电检测技术-实验报告.doc
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光电检测技术-实验报告.doc
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实验名称:
典型光电测量系统设计 姓名:
凌璐学号:
3070030075 P.32
本科实验报告
课程名称:
光电检测技术
姓名:
凌璐
学院:
信息学院
系:
光电系
专业:
信息工程(光电)
学号:
3070030075
指导教师:
闻春敖
2011年6月13日
专业:
_信息工程(光电)
姓名:
_凌璐_________
学号:
_3070030075_____
日期:
_2011.5__
地点:
东四604________
实验报告
课程名称:
光电检测术_______指导老师:
_闻春敖____________成绩:
__________________
实验名称:
光伏探测器件_实验类型:
________同组学生姓名:
__________
一、实验目的和要求(必填) 二、实验内容和原理(必填)
三、主要仪器设备(必填) 四、操作方法和实验步骤
五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析(必填)
七、讨论、心得
一、实验目的
1、了解各种半导体光电探测器的工作原理及其基本特性
2、掌握各种半导体光电探测器的基本应用电路。
3、熟悉各种半导体光电探测器特性的测试方法。
二、实验设备及器材
1、光电探测器:
测量光电池、光电三极管、光电二极管、PIN光电二极管、光敏电阻各一只。
2、测试暗箱(包括:
光源、减光盘)壹套。
3、照度计、万用表各一只
4、多路稳压电源一套
5、电流/电压放大器一只
三、实验原理
1、光电二极管
光电二极管的全电流方程为:
IL=SP•E-IO[exp(qV/kT)-1]
光电二极管的伏安特性如下图1所示
1)开路状态开路电压:
VOC=ln(KT/q)(1+SP·E/I0)
2)短路电流(线性工作状态)
基本电路如右图3,
放大器的等效输入阻抗为Rf/A
(A为运放开环增益)很小,
则IS=SP·E,
电流/电压放大器的输出电压:
V0=Rf·Is=(Rf·Sp)·E
4)反向偏置(含零偏置)基本电路如右图5
IL=SP·E+I0[1-exp(qV/kT)]
V=Vb-V0=Vb-RL·IL
四、实验内容及数据分析
1、光电二极管测试
1)按照图2电路,测量硅光电池和硅光电二极管在不同光照下的开路电压VOC,记录数据,并画出开路电压与光照的关系曲线。
减光盘刻度
3
2
1
0
7
6
5
4
对应照度值/lx
167.7
96.3
50.8
22.2
12.3
5.0
2.4
0.5
开路电压VOC/V
0.388
0.371
0.349
0.320
0.298
0.258
0.225
0.090
由公式VOC=ln(KT/q)(1+SP·E/I0),可见开路电压与照度值成对数关系(有横向平移);由上图得出的曲线也可以看到,开路电压与照度近似成对数关系,与上述公式有较好的吻合。
2)按照图3,选择合适的反馈电阻,测量输出电压VO,记录数据,计算出光电二极管在不同光照下的短路光电流IS,画出短路光电流与光照的关系曲线,计算光照灵敏度SP。
减光盘刻度
3
2
1
0
7
6
5
4
对应照度值
167.7
96.3
50.8
22.2
12.3
5.0
2.4
0.5
输出电压VO/V
(Rf=10kΩ)
1.026
0.499
0.276
0.116
0.0638
0.0253
0.0116
0.0017
短路光电流IS/uA
102.6
49.9
27.6
11.6
6.38
2.53
1.16
0.17
其中,短路光电流即为Vo/Rf,该关系可由电路得到。
则由Is=Sp*E,得上图的斜率即为光电二极管的光照灵敏度Sp,所以,Sp=0.584uA/lx
3)按照图5电路,当负载电阻分别为1KΩ,10KΩ,100KΩ,1MΩ,而偏置电压分别为0V,5V时,测量硅光电池和硅光电二极管的光电特性曲线,记录数据,并画出输出电流与光照的关系曲线。
下表中数据VO为电阻两端的电压,则输出电流IL=VO/RL.V=Vo-Vb
偏置电压(Vb)
0V
5V
照度(LX)
167.7
22.2
2.4
167.7
22.2
2.4
RL
(1KΩ)
输出电压VO/mV
93.4
12.0
1.2
105
12.9
2.0
输出电流IO/uA
93.4
12.0
1.2
105
12.9
2.0
二极管电压V/V
0.0934
0.0120
0.0012
-4.895
-4.987
-4.998
RL
(10KΩ)
输出电压VO/mV
366
116.1
11.5
715
126
20
输出电流IO/uA
36.6
11.61
1.15
71.5
12.6
2.0
二极管电压V/V
0.366
0.1161
0.0115
-4.285
-4.874
-4.980
RL
(100KΩ)
输出电压VO/mV
382
304
105
786
543
179
输出电流IO/uA
3.82
3.04
1.05
7.86
5.43
1.79
二极管电压V/V
0.382
0.304
0.105
-4.214
-4.457
-4.821
RL
(1MΩ)
输出电压VO/mV
383
315
209
791
573
270
输出电流IO/uA
0.383
0.315
0.209
0.791
0.573
0.270
二极管电压V/V
0.383
0.315
0.209
-4.219
-4.437
-4.730
由以上数据作出光电特性曲线
由于数据范围与精度等条件的限制,上图与光电二极管伏安特性曲线(图一)有较大出入。
但仍然可以看出一定的趋势。
即光照强(3刻度)时,相同电压下会获得更大的电流。
零电压偏置下输出电流与光照的关系:
5V偏置下电流与光照的关系(右边为1MΩ时电流与照度关系的放大图):
结合公式IL=SP·E+I0[1-exp(qV/kT)],
①当二极管两端电压很小时,输出电流与照度的关系近似为线性。
但由于光电流使偏置电阻两端产生了电压,这个电压即组成了上述关系中的非线性部分。
因此,在偏置电阻阻值较低的情况下,二极管两端的电压很小,关系曲线为线性。
但是当阻值增大,由于二极管两端电压增大,曲线表现出非线性,且随电阻增加而越来越明显。
如上图的1MΩ放大图,有明显的指数性质(注意:
V的大小也是与光照有关的)。
在5V的情况下,这种变化表现不如零伏偏置下明显,因为光电流引起的电压变化相比偏置电压小很多。
②如果不考虑两端电压的变化,曲线斜率表示灵敏度,应当不随电阻的变化而变化。
但实验结果表明,随着RL的增加,I-E曲线斜率明显下降。
这仍然是非线性项的影响。
说明电阻越大,曲线容易在越小照度下脱离线性区。
4)判断光电三极管的引脚。
光电三极管可以看作是两个光电二极管。
在辨别引脚时,使用万用表的测电阻档,红黑表笔分别与两个管脚连接。
正接反接均不导通的是b脚与c脚,正接或反接时可以导通有电阻的是c脚和e脚。
五、讨论、心得
1.如果将偏置电压的变化间隔减小,测量次数增多,测得多组偏置电压下的电压电流特性,可得到更好的光电二极管的特性曲线。
2.回答下列问题
1)比较光电二极管、光电三极管、光敏电阻的光照灵敏度,线性工作范围。
答:
灵敏度比较
光电三极管>光电二极管>光敏电阻;
线性工作范围比较
光电二极管>光电三极管>光敏电阻。
2)在线性工作状态,光电二极管的反向电压加大后,为什么光电流与所加电压无关?
答:
如图3,在线性工作状态,由于运放的等效输入阻抗很小,运放的两个输入端呈现“虚短”特性。
光电二极管两端的电压可视为基本上为零,所以特性方程中二极管两端的电压引起的非线性项可以忽略不计,光电流只与光照有关。
专业:
_信息工程(光电)
姓名:
_凌璐_________
学号:
_3070030075_____
日期:
_2011.5__
地点:
东四604________
实验报告
课程名称:
光电检测技术_______指导老师:
_闻春敖____________成绩:
__________________
实验名称:
光电导探测器的应用电路及其特性测量_同组学生姓名:
______
一、实验目的和要求(必填) 二、实验内容和原理(必填)
三、主要仪器设备(必填) 四、操作方法和实验步骤
五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析(必填)
七、讨论、心得
一、实验目的
1、了解各种光敏电阻的工作原理及其基本特性
2、掌握各种光敏电阻特性参数的测试方法
3、掌握各种光敏电阻的基本应用电路
二、实验设备及器材
1、光电探测器:
光敏电阻一只。
2、测试暗箱(包括:
光源、减光盘)壹套。
3、照度计、万用表各一只
4、多路稳压电源一套
5、电流/电压放大器一只
三、实验原理
利用具有光电导效应的半导体材料做成的光电探测器称为光电导器件,通常称为光敏电阻,金属封装的硫化镉光敏电阻结构如图1所示,其光电特性:
IP=SgEr·Vb
式中:
Sg——光电导灵敏度
E——光照度
r——照度指数,在0.5~1之间.
在弱光照(小于103lx)时,近似为1,
为线性光电导;
强光照时,r值小于1,
为非线性光电导。
光敏电阻的基本应用电路如图2所示,输出信号:
V0=Ip·Rf
Vb
+
—
Cf
V0
Rf
图2电流/电压放大器
四、实验内容及步骤
1)光照特性的测试
按照图2电路,加一定的偏压Vb,选择合适的反馈电阻,测量光敏电阻在不同光照下的输出电压VO,记录数据,画出流过光敏电阻的电流与光照的关系曲线,并计算它们的光照灵敏度SP。
减光盘刻度
3
2
1
0
7
6
5
4
对应照度值
122.0
75.5
41.6
18.5
8.1
4.0
2.0
0.4
Rf
(1KΩ)
输出电压VO/V
-0.311
-0.155
-0.077
-0.028
-0.013
-0.004
-0.001
0
输出电流IO/mA
0.311
0.155
0.077
0.028
0.013
0.004
0.001
0
Rf
(10KΩ)
输出电压VO/V
-3.06
-1.53
-0.75
-0.27
-0.12
-0.03
-0.01
0
输出电流IO/mA
0.306
0.153
0.075
0.027
0.012
0.003
0.001
0
图3光敏电阻的电流与光照关系曲线
由上图可见,在不同的反馈电阻下,测得的曲线性质十分相似。
这是因为Rf事实上是一种辅助测量的手段,当运放工作在线性区,它的值并不会明显影响测量结果。
实验条件下照度属于弱光照条件,所以可认为r=1.
光照灵敏度即为曲线的斜率,由图中信息可知,Sp=0.0023.
理论上在低照度下光特性曲线应该线性度比较好,但是本实验的曲线有明显的弯曲。
实验者认为,影响曲线线性度的最主要原因可能是照度的测量偏差。
2)伏安特性的测试
按照图2电路,取不同的照度,选择合适的反馈电阻,偏压Vb从0V、5V、10V、15V…30V时的、测量光敏电阻在不同光照下的输出电压VO,记录数据,计算出光电流,画出曲线。
偏压Vb/V
0
5
10
15
20
25
30
E1=122.0LX
Rf=1KΩ
输出电压VO/V
0
-0.27
-0.564
-0.87
-1.22
-1.58
-1.98
输出电流IO/mA
0
0.27
0.564
0.87
1.22
1.58
1.98
E2=18.5LX
Rf=10KΩ
输出电压VO/V
0
-0.251
-0.545
-0.888
-1.272
-1.699
-2.15
输出电流IO/mA
0
0.0251
0.0545
0.0888
0.1272
0.1699
0.215
E1=2.0LX
Rf=10KΩ
输出电压VO/V
0
-0.124
-0.277
-0.453
-0.656
-0.881
-1.12
输出电流IO/mA
0
0.0124
0.0277
0.0453
0.0656
0.0881
0.112
由以上数据作出光敏电阻在不同照度下的伏安特性曲线,如下图所示:
图4光敏电阻在不同照度下的伏安特性曲线
由上图可知:
①曲线斜率表示光敏电阻的电导。
在光照相同的情况下,光敏电阻的伏安特性曲线表现出良好的线性。
表明在其他条件不变的情况下,相同光照下光敏电阻的电导率是基本不变的,与所加偏置电压无关。
②改变光照时曲线的斜率有所变化,表明光照会改变光敏电阻的电导率,这也是光敏电阻的工作原理。
③但是曲线的斜率与光照度的关系并没有良好的线性性。
尤其在光照低的情况下,照度的小幅度增加爱,电导率没有按比例上升。
实验者认为造成这种现象的原因可能是在照度很低的情况下光敏电阻的噪声相对影响较大。
3)计算光敏电阻在低光照条件下的光照灵敏度
结果在1)中已经给出。
五、讨论、心得
1.对电阻Rf的取值应该考虑什么?
答:
电阻Rf的取值应当适中:
不能太小,要保证有足够的电流电压转换系数从而方便测量;不能太大,必须保证没有饱和,运放工作在线性放大区。
在实验中可以根据具体的数据进行选择,如果发现增大光照或偏置电压时测量结果没有改变,则很有可能电流超过了运放的线性工作区,此时应该选择较小的Rf.
2.本实验光照度的影响较大,所以对照度的测量很重要。
3.记录应当在读数较为稳定后进行,因为测量电路中有电容等储能元件,可能有延时。
专业:
_信息工程(光电)
姓名:
_凌璐_________
学号:
_3070030075_____
日期:
_2011.5__
地点:
东四604________
实验报告
课程名称:
光电检测技术_______指导老师:
_闻春敖____________成绩:
__________________
实验名称:
光电倍增管的应用电路及特性测试_同组学生姓名:
_____
一、实验目的和要求(必填) 二、实验内容和原理(必填)
三、主要仪器设备(必填) 四、操作方法和实验步骤
五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析(必填)
七、讨论、心得
一、实验目的
1、了解光电倍增管的工作原理及其基本特性
2、掌握光电倍增管的基本测量电路
二、实验设备及器材
1、光电探测器测试暗箱一套
包括:
卤钨灯、减光盘、光电倍增管(受光面8*24mm2)等。
2、微电流放大器一套
3、万用表壹只
4、照度计壹只
5、可调高压电源壹套
三、实验原理
光电倍增管的特性参数有阴极灵敏度、阳极灵敏度、电流增益、光电特性、暗电流。
供电电路
(1)高压的连接方式
光电倍增管的供电方式有两种,即负高压接法,(阴极接电源负高压,电源正端接地)和正高压接法(阳极接电源正高压,电源负端接地)。
负高压接法的优点是便于与后面的放大器连接,并且可以直流输出信号,也可以交流输出信号,操作安全方便,缺点在于因玻壳的电位与阴极电位接近,屏蔽罩应至少离开管子玻壳1~2mm,使系统的外形尺寸增大,否则由于静电屏蔽的寄生影响,暗电流与噪声都会增大。
实验采用负高压接法。
(2)分压器
光电倍增管极间电压的分配最常用的方案是如图1所示的电阻链分压器,最佳的极间电压分配取决于三个因素:
即阳极峰值电流、允许的电压波动、允许的非线性偏离。
光电倍增管极间的分配可按前级区、中间级区和末级区加以考虑,前级区的收集电压必须足够高,以便第一倍增极有高的收集效率和大的二次电子发射系数,中间级区的各级间通常具有均匀发布的级间电压,以便管子获得最佳增益,由于末级区各级特别是末级需支取较大电流,所以末级区各级间电压不能过低,以免形成空间电荷效应而使管子失去应有的直线性。
当阳级电流增大到与分压器电流相比拟时,将会导致末级区各级间电压的大幅度下降,从而使光电倍增管出现严重的非线性,为防止级间电压的再分配以保证增益的稳定,分压器电流至少为最大阳极电流的20倍,对于直线性要求很高的使用场合,如精密的光幅射测量中,为了保证测量信号的线性度优于1%,一般要求分压器上的电流是阳极最大光电流的100倍以上。
当确定了分压器电流后,就可以根据光电倍增管的最大阳极电压算出分压器的总电阻,再按照适当的级间分压分配,由总电阻求出各分压电阻的阻值。
(3)输出电路
光电倍增管输出的是电流信号,输出阻抗很高,可作为一个理想的恒流源来考虑,因此输出电流与负载电阻无关。
实际上,对负载阻抗也存在一个上限,因为负载电阻上的电压降明显地降低末级倍增极与阳极之间的电压,因而会降低放大倍数,致使光电特性偏离线性。
Rf
当光电倍增管用在低频光信号测量中时,阳极输出的光电流可采用电流/电压放大器,此时光电倍增管应采用负高压供电,如图2所示,输出信号V0=Ip·Rf此时运算放大器的同、反相端为同电位,阳极与末级倍增极间的电压不受光电流信号的影响。
V0=Ip·Rf
-HV
Ip
AMP
_
+
Cf
A
K
图1阳极电流测量电路
四、实验内容及步骤
1、暗电流测量(注意:
卤钨灯不开)
(1)电流/电压放大器连电源(+12v/-12v、GND,+5v、地);连out至1000k、连Vo1至Vi2、连+5V/B至B(放大100倍)。
记下此时的V’(Vo2)。
(2)将暗箱前面板接线柱接线柱①②短接,③连接到高压输出负端(-HV),④接正端(地)。
(3)阳极输出信号④⑤用信号线连接到电流/电压放大器。
④接地、⑤接屏蔽线的芯线。
(4)调节光电倍增管电源上的电位器至最小(逆时针到底),开电源开关,调高压从–400V到-1000V,记下相应的Vo2值,高压调小后关电源。
处理后得暗电流与所加的电压之间的关系。
测试条件:
第一级反馈电阻Rf=1MΩ,第二级放大倍数A=1,零点偏差电压V’=-1.7mV
负高压(V)
-400V
-450V
-500V
-550V
-600V
-650V
-700V
输出电压Vo2/mV
-0.5
-0.3
-0.1
0.1
0.8
2.3
4.0
Vo=Vo2-V’/mV
1.2
1.4
1.6
1.8
2.5
4.0
5.7
阳极电流
Io=Vo/(A*Rf)/nA
1.2
1.4
1.6
1.8
2.5
4.0
5.7
负高压(V)
-750V
-800V
-850V
-900V
-950V
-1000V
输出电压Vo2
7.7
16.0
27.5
41.5
64.3
103.2
Vo=Vo2-V’/mV
9.4
17.7
29.2
43.2
66.0
104.9
阳极电流
Io=Vo/(A*Rf)/nA
9.4
17.7
29.2
43.2
66.0
104.9
根据以上数据作出暗电流与所加电压之间的关系图:
图2暗电流与所加电压的关系图
由上图可知:
随着负高压的上升,阴极暗电流呈指数上升。
2、光电倍增管增益和阳极灵敏度测量
(1)连接线路参照暗电流测量线路
(2)开卤钨灯电源(4A),调节减光盘,选择两种入射光照(减光盘刻度3、1处)下,测量光电倍增管在不同高压(-400伏至-1000伏)时的阳极光电流。
减光盘刻度:
3;E=122.0LX
测试条件:
第一级反馈电阻=100kΩ,第二级放大倍数A=1,零点偏差电压=-0.1mV
负高压(V)
-400V
-450V
-500V
-550V
-600V
-650V
-700V
输出电压Vo2(mV)
10.7
26.0
59.0
119.5
235
418
722
Vo=Vo2-V'
(mV)
10.8
26.1
59.1
119.6
235.1
418.1
722.1
阳极电流(mA)
Io=Vo/(A*Rf)
1.08E-4
2.61E-4
5.91E-4
1.196E-3
2.351E-3
4.181E-3
7.221E-3
负高压
-750V
-800V
-850V
-900V
-950V
-1000V
输出电压Vo2(mV)
1183
1892
2870
4210
5970
8130
Vo=Vo2-V'
(mV)
1183.1
1892.1
2870.1
4210.1
5970.1
8130.1
阳极电流(mA)
Io=Vo/(A*Rf)
1.1831E-2
1.8921E-2
2.8701E-2
4.2101E-2
5.9701E-2
8.1301E-2
减光盘刻度:
1;对应照度值:
41.6LX
测试条件:
第一级反馈电阻=100kΩ,第二级放大倍数A=1,零点偏差电压=-0.1mV
负高压(V)
-400V
-450V
-500V
-550V
-600V
-650V
-700V
输出电压Vo2(mV)
3.2
8.1
18.2
37.8
72.1
129.2
221
Vo=Vo2-V'
(mV)
3.3
8.2
18.3
37.9
72.2
129.3
221.1
阳极电流(mA)
Io=Vo/(A*Rf)
3.3E-5
8.2E-5
1.83E-4
3.79E-4
7.22E-4
1.293E-3
2.211E-3
负高压
-750V
-800V
-850V
-900V
-950V
-1000V
输出电压Vo2(mV)
365
575
866
1283
1808
2490
Vo=Vo2-V'
(mV)
365.1
575.1
866.1
1283.1
1808.1
2490.1
阳极电流(mA)
Io=Vo/(
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