《光电技术》课程实验指导书.doc

《光电技术》课程实验说明 课程实验计划进行四次 第一次：实验一 第二次：实验二 第三次：实验三、四 第四次：实验五、六 其中第一次、第二次实验需要同学自己进行实际测量；第三次、第四次实验属于演示实验。 实验一 光电探测原理实验 一、实验目的 1、了解光照度基本知识、光照度测量基本原理，学会光照度的测量方法。 2、了解光电二极管和光电池的工作原理和使用方法 3、掌握光电二极管和光电池的光照特性及其测试方法 4、理解光电二极管和光电池的的伏安特性并掌握其测试方法 二、实验仪器 光电探测原理实验箱 式中：E——光照度，单位为Lx； I——光源发光强度，单位为cd； L——距离，单位为m。 （2）光照度计的结构 光照度计是用来测量照度的仪器，它的结构原理如图1.1。 图 1光照度计结构图 图中D为光探测器，图1.2为典型的硅光探测器的相对光谱响应曲线；C为余弦校正器，在光照度测量中，被测面上的光不可能都来自垂直方向，因此照度计必须进行余弦修正，使光探测器不同角度上的光度响应满足余弦关系。余弦校正器使用的是一种漫透射材料，当入射光不论以什么角度射在漫透射材料上时，光探测器接收到的始终是漫射光。余弦校正器的透光性要好；F为V（λ）校正器，在光照度测量中，除了希望光探测器有较高的灵敏度、较低的噪声、较宽的线性范围和较快的响应时间等外，还要求相对光谱响应符合视觉函数V（λ），而通常光探测器的光谱响应度与之相差甚远，因此需要进行V（λ）匹配。匹配基本上都是通过给光探测器加适当的滤光片（V（λ）滤光片）来实现的，满足条件的滤光片往往需要不同型号和厚度的几片颜色玻璃组合来实现匹配。当D接收到通过C和F的光辐射时，所产生的光电信号，首先经过I/V变换，然后经过运算放大器A放大，最后在显示器上显示出相应的信号定标后就是照度值。 （3）照度测量的误差因素 1）照度计相对光谱响应度与V（λ）的偏离引起的误差。 2）接收器线性：也就是说接收器的响应度在整个指定输出范围内为常数。 3）疲劳特性：疲劳是照度计在恒定的工作条件下，由投射照度引起的响应度可逆的暂时的变化。 4）照度计的方向性响应。 5）由于量程改变产生的误差：这个误差是照度计的开关从一个量程变到邻近量程所产生的系统误差。 6）温度依赖性：温度依赖性是用环境温度对照度头绝对响应度和相对光谱响应度的影响来表征。 7）偏振依赖性：照度计的输出信号还依赖于光源的偏振状态。 8）照度头接收面受非均匀照明的影响。 2、光生伏特应和光伏探测器的原理 光生伏特效应是光照使半导体产生光生电子和空穴，这些电子和空穴在某种“力”的作用下向相反的方向移动和积聚而产生电位差的现象。使电子和空穴向相反的方向移的“力”可以是同质半导体由于不同的掺杂形成的p—n结、不同质的半导体组成的异质结或金属和同质半导体接触形成的肖特基结的内建电场，也可以是磁场等。下面以p—n结为例说明光生伏特效应的原理。其原理如下图 图2 光生伏特效应原理图 如图a所示，未光照时，P区的多数载流子空穴和n区的多数载流子电子，由于浓度差会向对方扩散，结果在接触面附近形成正负离子组成的空间电荷层及相应的由n区指向P区的内建电场，该电场阻止两边的载流子的扩散，但使电子和空穴产生与扩散运动方向相反的漂移运动，最后达到热平衡，形成一个稳定的内建电场E内。内建电场存在的区域称作耗尽层。从能量的角度看，内建电场E内在耗尽层形成一个势垒，电子在n区具有较低的势能，在P区具有较高的势能，空穴则相反，如图b所示，最终使能带发生倾斜。n区的电子和P区的空穴要想从一区进如另一区都需要提供能量。 当有入射光作用时，如果光子的能量大于或等于带隙（），在耗尽层区、n区和P区都会发生受激吸收，即价带的电子吸收光子的能量越迁到导带形成光生电子--空穴对。若电子--空穴对在耗尽层内，由于内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动，形成漂移电流。若电子--空穴对在耗尽层两侧没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场的作用下，形成与漂移电流相同方向的电流，称为扩散电流。漂移电流和扩散电流的总和即为光生电流。若外电路开路，则光生的电子和空穴分别在N区和P区积累，形成电动势，这就是光生伏特效应。若外电路闭合，N区过剩的电子通过外电路流向P区，同样，P区的空穴流向N区，便形成了光生电流。当入射光变化时，光生电流随之变化，从而将光信号转换成电信号。 这种由PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产生的电子--空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单的光电二极管（PD）。 这种简单的光电二极管（PD），由于PN结耗尽层只有几微米，大部分光入射光被中性区吸收，中性区内的电子和空穴是靠扩散运动形成电流的，一方