光电材料与器件实验指导书.doc

光电材料与器件实验指导书 何 宁 编 桂林电子科技大学信息与通信学院 2008年12月实验一 光电池及LED光源特性测试一实验目的 1 理解光电池的光电转换机理及主要特性参数。 2 理解LED光源的电光转换机理、驱动方式及主要特性参数。 3 掌握两种器件的应用及参数的测试方法。二实验内容 1 测量光电池的开路电压、短路电流和伏安特性。 2 测量LED光源的驱动特性及电光转换效率。三实验原理 光电池是由一个面积较大的PN结构成，它是一种直接将光能转换成电能的光电器件，这种器件是利用光生伏特效应，当光线照射到P-N结上时，就会在P-N结两端出现电动势（P区为正；N区为负），若负载接入PN结两端，光电池就有功率输出。光电池对不同的波长的光反映的灵敏度是不同的，按制作材料不同可分为硅光电池和硒光电池，光谱特性如图1所示。 图1 光谱特性 图2 光电特性图1中硅光电池的光谱响应范围是波长400012000，在波长为8000 时达到峰值，而硒光电池的峰值出现在5000 左右，波长的范围是38007500 ，1埃=0.1nm。图2中硅光电池的开路电压与光照是一种非线性关系，当光照强度在200勒克斯时就趋向饱和。而短路电流在很大的范围内与光照成线型关系，因此使用光电池作为测量元件使用时，应该把它当成电流源的形式来研究，因为短路电流与光强是线性的，处理起来比较方便，而不要当成电压源使用。需要说明的是这里说的短路电流与开路电压与平时意义上不同，它是指外负载电阻相对与内阻非常小时候的电流值，以及外负载很大时的端电压。实验时外负载电阻5.0K时，就认为是开路电压。经实验证明外负载越小线性度越好。不同颜色的光有不同的波长，因此光电池的光照频率也不同，光电池的频率特性是指输出电流随调制光的频率变化的关系，图3分别表示硅光电池与硒光电池的频率响应曲线，可见硅光电池有较好的频率特性，而硒光电池则较差。太阳能辐射能量主要集中在1.3-32um的波长范围，表面温度近6000K的太阳能辐射出的能量95%以上的部分分布在波长小于2um的光谱范围。而对于温度为几百K的物体其辐射能主要集中在2-50um的红外波谱范围。LED光源的发光过程是在正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中，当电子经过该晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明瓦，荧光灯5070流明瓦，钠灯90140流明瓦，大部分的耗电变成热量损耗。LED光效经改良后将达到达50200流明瓦，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光，光源光谱特性见图4。 图3 光电池的频率特性 图4 LED光源光谱特性四实验步骤 1光电池测量（1）将光电池板放置在太阳光模拟装置上，通过调整交流调压器改变光照强度。（2）光电池负载特性测量，将交流调压器输出电压置于置于220V，测出此时光照度值，调整W1，测量不同阻值下光电池输出V-I的关系，按表1数据测量并记录。负载电阻在11-4100改变。（3）光电池开路电压测量，调整W1使阻值为4K（负载电阻大于4.1K相当于开路），改变光照强度，按表2数据测量并记录，测量开路电压与光强的特性曲线。（4）光电池短路电流测量，调整W1使阻值为15（负载电阻小于15相当于短路），改变光照强度，按表3数据测量并记录，与光强的特性曲线。（5）对比不同光源在同一照度下光电池能提供的电流（白炽灯、节能灯、日光灯、磨砂灯）。表1 电 流（mA）102030405060708090100110120电 压（V）电 阻（）表2（回路电阻为4K）电 压（V）123456789照 度（LUX）表3（回路电阻为15欧）电 流（mA）102030405060708090100110120照 度（LUX） K1+10W1毫安表U光电池图5 光电池结构原理及测试电路 图6 光电池测试线路2. LED光源驱动测量 直流驱动（1）切换K3开关为直流驱动，调整W2使流过LED的电流按表4数据变化。（2）测量LED端电压和发出的光强，并计算电光转换效率。表4电 流（mA）20406080100150200250300350电 压（V）照 度（LUX） 脉冲驱动（1） 切换K2开关为外部信号输入，切换K3开关为脉冲驱动状态。（2） 设置信号源为B通道，波形为脉冲，频率为1KHz，幅度为3.5V。（3） 改变信号源脉冲占空比，使流过LED的电流按表4数据变化。（4） 用光照度计测量LED发出的光强，并计算电光转换效率。（5） 改变信号源频率，占空比为50，按表6测量相应参数，分析各参数与频率变化的趋势。 表5电 流（mA）20406080100120140160180200250300350电 压（V）照 度（LUX）脉冲占空比表6频 率(KHz)123 45678910电 压（V）电 流（mA）照 度（LUX）W2毫安表直流K2K3内部脉冲外部脉冲前置驱动功率放大LED光源图7 LED驱动电路测试图五实验仪器 稳压电源 信号源 示波器 光照度计 交流调压器 毫安表 万用表六实验报告1分析处理实验数据，描绘特性曲线。2对比LED的两种驱动方式电光转换效率，说明其优缺点。 实验二 光开关控制及特性参数测试一实验目的1熟悉光开关的作用和类型。2理解光开关的特性参数。3掌握光开关典型参数的测试方法。二实验内容114光开关光路切换驱动控制实验。2光通道插入损耗特性测试。3光通道消光比特性测试。4光开关的抖动特性测试。三实验原理光开关是光纤通信系统中重要的无源光器件，它的主要任务是切换光路，在光交换和光网络中有许多应用。光开关可分为机械式光开关、液晶光开关、电光式光开关和热光式光开关，机械式是通过机械的方法实现光路切换，它利用驱动机构带动活动的光纤（或微反射镜），使活动光纤（或微反射镜）根据指令信号控制要求与所需光纤连接。目前使用得最成熟的是机械式光开关，它具有插入损耗小、串扰小、开关时间短（抖动）等优点。光开关的主要参数有开关时间、插入损耗、消光比、串扰。插入损耗是指光开关引入光路后导致的光能量损失，以dB表示，即，此值越小越好。消光比是指光开关处于通状态时输出的光功率和处于断状态时的输出光功率之比，此值越大越好，即。四实验框图 图1给出12光开关的原理图。控制电路 光开关光功率计机械驱动光 源光功率计五实验步骤1开启稳定光源，调整输出功率，用光功率计测量光源输出光功率为1mw。2给定一14光开关，将光源与光开关输入端连接好，开启控制电路电源。3选择电路板上光路选择键，根据给定功能表参数，用万用表测试光开关相应控制位电压。4用光功率计测量对应光开关输出端口的光功率，并记入表1。5根据测试参数计算每一光通道的插入损耗。6测出没被选中的光通道的输出光功率，并计算其消光比。7连接光电探测器，用存储示波器测量光开关的上升和下降时间（过渡时间长度）。表1端 口输入口输出口1输出口2输出口3输出口4功 率（mw）六实验设备稳定光源 稳压电源 光功率计 万用表七实验报告1处理实验数据2说明消光比大小对传输性能的影响。3画出光开关抖动曲线，并标注其开关时间。4实