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1、光电信息技术与实验第1页，共35页，编辑于2022年，星期四实实 验验 一一 光电二极管、光电三极管光电二极管、光电三极管光照特性的测试光照特性的测试第2页，共35页，编辑于2022年，星期四、目的要求1.掌握光电二极管的工作原理和使用方法。2.进一步了解光电二极管的光照特性和伏安特性，为设计光电系统前置放大器打下基础。第3页，共35页，编辑于2022年，星期四二、工作原理1.光电二极管是结型半导体光伏探测器件。当入射光子能量大于材料禁带宽度时，半导体吸收光子能量将产生电子空穴对。产生在PN结内的电子空穴对在内建电场（光电二极管工作时加反向偏压Vb）作用下被分离，形成光生电势，产生光电流，如图
2、1所示 图1 光电二极管工作原理图第4页，共35页，编辑于2022年，星期四2.光电三极管的原理性结构如图2所示。正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结为反偏置，发射结为正偏置，集电结为光电结。当光照到集电结上时，集电结即产生光电流Ip向基区注入，同时在集电极电路产生了一个被放大的电流：为电流放大倍数。图2 光电三极管工作原理图第5页，共35页，编辑于2022年，星期四E4E3E2E1E0E4E3E2E1E0U I0E4E3E2E1E0E4E3E2E1E0 U I0 图3（a）光电二极管伏安特性曲线 （b）光电三极管伏安特性曲线3.光电二极管和光电三极管的伏安特性曲线第6页，共35页，编辑于
3、2022年，星期四三、实验内容1.测量光电二极管的光电流和照度特性曲线。2.测量光电二极管不同照度下的伏安特性曲线。第7页，共35页，编辑于2022年，星期四图4 光电二极管光照特性测试装置照度计直流稳压电源A光电探测器调压变压器四、实验仪器及装置 1.实验仪器：光电二极管、钨丝灯、调压变压器、照度表、毫安表、直流稳压电源等。2.实验装置如图4。第8页，共35页，编辑于2022年，星期四实实 验验 二二 硅光电池负载特性的测试硅光电池负载特性的测试第9页，共35页，编辑于2022年，星期四一、实验目的1.掌握硅光电池的正确使用方法。2.了解光电池零负载，以及不同负载时光电流与照度的关系。第10
4、页，共35页，编辑于2022年，星期四二、工作原理1.光电池具有半导体结型器件无源直接负载下的工作特性，工作原理如图1所示。RL外接负载为，Ip为光电流，ID为二极管结电流。光IRLIDI A N P 图1 光电池工作原理图第11页，共35页，编辑于2022年，星期四2.I为通过负载的外电流：其中ISC为光电流反向饱和电流。当 为温度电压当量时，负载RL上的电压V=IRL 给光电池正向偏压。当零负载时（RL=0），（1）式外电流为短路电流：S为光电流灵敏度，短路电流ISC和照度E成正比。当开路时，（RL=），（1）式外电流I=0则开路电压为：开路电压Voc与照度E几乎无关；所有照度下的开路电压
5、Voc趋于光电池正向开启电压V=0.6伏，并小于这个电压值。第12页，共35页，编辑于2022年，星期四最佳负载，负载在RL=0之间变化按经验公式求出最佳负载：当RLRopt时，并忽略光电池结电流，负载电流近似等于恒定短路电流。当RLRopt时，光电池结电流按指数增加,负载电流近似于指数形式减小。第13页，共35页，编辑于2022年，星期四三、实验内容1.测定电池零负载下Ip和E的关系。2.测定光电池不同负载情况下特性数据。第14页，共35页，编辑于2022年，星期四四、实验仪表和器材 硅光电池、照度计、钨丝灯、调压变压器、直流稳压电源、毫伏电压表、微安表、电阻和电位计等。第15页，共35页，
6、编辑于2022年，星期四图2 光电池负载实验装置 A R5 R6 RLC mv R3100B G1R4VE I2 I1 A G 100五、实验线路装置 光电池负载实验线路装置如图2所示。第16页，共35页，编辑于2022年，星期四u光电池受光照后，产生光电流I2。在A、B两点的毫伏电压会产生偏转。调节稳压电源VE后，产生补偿电流I1，I1和光电流I2方向相反。调节电位计R5（粗调）和R6（细调）使补偿电流I1与光电流I2相减，并促使毫伏电压表G1指示为零。此时，表示A点和B点电位相同。相当于光电池在A、B二点外电路为零状态下工作，根据电路平衡条件：则光电流为：第17页，共35页，编辑于2022
7、年，星期四实实 验验 三三 光电倍增管特性和参数的光电倍增管特性和参数的测试测试第18页，共35页，编辑于2022年，星期四一、实验目的1.了解光电倍增管的基本特性。2.学习光电倍增管基本参数的测量方法。3.学会正确使用光电倍增管。第19页，共35页，编辑于2022年，星期四二、实验原理1.工作原理 u光电倍增管是由半透明的光电发射阴极、倍增极和阳极所组成的，由图1所示。图1 光电倍增管外形与结果原理示意图a)侧窗式b)端窗式c)原理示意图第20页，共35页，编辑于2022年，星期四u当入射光子照射到半透明的光电阴极K上时，将发射出光电子，被第一倍增极D1与阴极K之间的电场所聚焦并加速后与倍增
8、极D2碰撞，一个光电子从D1撞击出3个以上的新电子，这种新电子叫做二次电子。这些二次电子又被D1D2之间的电场所加速，打到第二个倍增极D2上。并从D2上撞击出更多的新的二次电子。如此继续下去，使电子流迅速倍增。最后被阳极A收集。收集的阳极电子流比阴极发射的电子流一般大105104倍。这就是真空光电倍增管的电子内倍增原理。第21页，共35页，编辑于2022年，星期四2.供电分压器和输出电路 u光电倍增管的极间电压的分配一般是由图2所示的串联电阻分压器执行。u最佳的极间电压分配取决于三个因素：阳极峰值电流、允许的电压波动以及允许的非线性偏离。图2 光电倍增管供电电路-HVD1 D2 D3 D4 D
9、5 D6 D7 D811IA10IK1 2 3 4 5 6 7 8 9KA第22页，共35页，编辑于2022年，星期四3.光电倍增管的特性和参数阴极光照灵敏度 阴极光照灵敏度定义为光电阴极的光电流IK除以入射光通量所得的商：国际照明委员会的标准光照相应于分布温度为2859K的绝对黑体的辐射。阳极光照灵敏度 阳极光照灵敏度定义为阳极输出电流IA除以入射光通量所得的商：第23页，共35页，编辑于2022年，星期四电流增益 电流增益定义为在一定的入射光通量和阳极电压下，阳极电流与阴极电流的比值，也可以用阳极光照灵敏度与阴极光照灵敏度的比值来确定，即：或 暗电流 当光电倍增管在完全黑暗的情况下工作时，
10、阳极电路里仍然会出现输出电流，称为暗电流。引起暗电流的因素有：热电子发射、场致发射、放射性同位素的核辐射、光反馈、离子反馈和极间漏电等。第24页，共35页，编辑于2022年，星期四三、实验装置u实验装置如图3。图3 测试原理图第25页，共35页，编辑于2022年，星期四u本实验选用GB787-74型光电倍增管，其管脚和名称见下图。第26页，共35页，编辑于2022年，星期四实实 验验 四四 光电控制电路设计与装调光电控制电路设计与装调第27页，共35页，编辑于2022年，星期四一、实验目的1.了解光电三极管和红外发光管的性能、参数及应用。2.学会拟定、分析光电系统。3.掌握光电三极管接收及放大
11、电路，红外发光管脉冲调制光源的构成与调试。第28页，共35页，编辑于2022年，星期四二、实验原理与电路1.实验原理u光电控制系统一般由发光部分、接收部分和信号处理部分组成。u本实验采用振荡电路产生的方波信号对红外发光管进行调制，使之输出光脉冲信号，然后由光电三极管接收，放大还原为电信号。u方波脉冲发生器使用555时基集成电路；光电接收电路采用光电三极管组成的放大电路，本实验采用3DU11型。第29页，共35页，编辑于2022年，星期四2.参考实验电路 发光电路由震荡电路和红外发光管HG413组成，电路图如图1所示。图1 发光电路148237651 R1 2.2K R2 51K C1 0.2F
12、 C2 0.01FR3 39 DVCC(+5V)HG413第30页，共35页，编辑于2022年，星期四u时基集成块NE555输出震荡频率由外接电阻R1、R2及电容C1决定。u3端为输出端，R3是限流电阻，避免由于电流过大而烧坏红外发光管D，其输出信号为方波，占空比为 。第31页，共35页，编辑于2022年，星期四接收电路由光电三极管、放大驱动电路和负载组成。由于外接负载的不同，所采用的放大电路的形式也很多。u如果负载电流较小，可采用晶体管作放大器，输出端直接带负载（如图2）。图2 晶体管放大电路T13DU11D(BT201)T23DG6R151K R2 6.2K VCC （+5V）第32页，共
13、35页，编辑于2022年，星期四u采用运算放大器作放大电路（如图3）该电路特点是：电路简单，调试方便，工作稳定可靠。但输出电流仍受运算放大器的最大输出电流限制。第33页，共35页，编辑于2022年，星期四u如果负载电流较大，或者负载需要较高的电压驱动，那么可以采用继电器进行弱电强电转换（如图4）该电路经继电器后输出电流可较大。但其调试复杂，且电路的可靠性也由于采用的元器件增多而有所下降。第34页，共35页，编辑于2022年，星期四三、实验内容1.组装脉冲发生器电路，并进行调试，先取C1=10F。此时 此频率可由接收部分发光二极管直观地显示出来，便于调试。2.组装光接收电路，将光脉冲转换为电脉冲。3.联调 第35页，共35页，编辑于2022年，星期四