光电信息技术与实验

光电信息技术与实验第一页，共三十五页，2022年，8月28日实验一

光电二极管、光电三极管光照特性的测试第二页，共三十五页，2022年，8月28日－、目的要求掌握光电二极管的工作原理和使用方法。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。∧第三页，共三十五页，2022年，8月28日二、工作原理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1所示

图1光电二极管工作原理图∧第四页，共三十五页，2022年，8月28日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：

β为电流放大倍数。图2光电三极管工作原理图∧第五页，共三十五页，2022年，8月28日E4>E3>E2>E1>E0E4E3E2E1E0U

I0E4>E3>E2>E1>E0E4E3E2E1E0UI0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光电二极管和光电三极管的伏安特性曲线

∧第六页，共三十五页，2022年，8月28日三、实验内容测量光电二极管的光电流和照度特性曲线。测量光电二极管不同照度下的伏安特性曲线。∧第七页，共三十五页，2022年，8月28日图4光电二极管光照特性测试装置照度计直流稳压电源μA光电探测器调压变压器四、实验仪器及装置

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。实验装置如图4。

∧第八页，共三十五页，2022年，8月28日实验二

硅光电池负载特性的测试第九页，共三十五页，2022年，8月28日一、实验目的掌握硅光电池的正确使用方法。了解光电池零负载，以及不同负载时光电流与照度的关系。∧第十页，共三十五页，2022年，8月28日二、工作原理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IφRLIDIA

N

P图1光电池工作原理图∧第十一页，共三十五页，2022年，8月28日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。∧第十二页，共三十五页，2022年，8月28日最佳负载，负载在RL=0～∞之间变化按经验公式求出最佳负载：当RL≤Ropt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RL>Ropt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。∧第十三页，共三十五页，2022年，8月28日三、实验内容测定电池零负载下Ip和E的关系。测定光电池不同负载情况下特性数据。∧第十四页，共三十五页，2022年，8月28日四、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。∧第十五页，共三十五页，2022年，8月28日图2光电池负载实验装置AR5R6RLC

mvR3100ΩBG1R4VEI2

I1

μA

G100Ω五、实验线路装置

光电池负载实验线路装置如图2所示。∧第十六页，共三十五页，2022年，8月28日光电池受光照后，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：∧第十七页，共三十五页，2022年，8月28日实验三

光电倍增管特性和参数的测试第十八页，共三十五页，2022年，8月28日一、实验目的了解光电倍增管的基本特性。学习光电倍增管基本参数的测量方法。学会正确使用光电倍增管。∧第十九页，共三十五页，2022年，8月28日二、实验原理工作原理

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∧第二十页，共三十五页，2022年，8月28日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D1～D2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105～104倍。这就是真空光电倍增管的电子内倍增原理。∧第二十一页，共三十五页，2022年，8月28日供电分压器和输出电路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。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-HVD1D2D3D4D5D6D7D811IA10IK123456789KA

∧第二十二页，共三十五页，2022年，8月28日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φ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φ所得的商：∧第二十三页，共三十五页，2022年，8月28日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，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。∧第二十四页，共三十五页，2022年，8月28日三、实验装置实验装置如图3。

图3

测试原理图

∧第二十五页，共三十五页，2022年，8月28日本实验选用GB787-74型光电倍增管，其管脚和名称见下图。∧第二十六页，共三十五页，2022年，8月28日实验四

光电控制电路设计与装调第二十七页，共三十五页，2022年，8月28日一、实验目的了解光电三极管和红外发光管的性能、参数及应用。学会拟定、分析光电系统。掌握光电三极管接收及放大电路，红外发光管脉冲调制光源的构成与调试。∧第二十八页，共三十五页，2022年，8月28日二、实验原理与电路实验原理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。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。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。

∧第二十九页，共三十五页，2022年，8月28日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

R12.2KR2

51KC1

0.2μFC20.01μFR339ΩDVCC(+5V)·····HG413∧第三十页，共三十五页，2022年，8月28日时基集成块NE555输出震荡频率由外接电阻R1、R2及电容C1决定。3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。∧第三十一页，共三十五页，2022年，8月28日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。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)T23DG6R151KR26.2KVCC（+5V）∧第三十二页，共三十五页，2022年，8月28日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。∧第三十三页，共三十五页，2022年，8月28日如果负载电