工程光学实验指导书 实验二 光电探测原理实验 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。
图2.2 典型硅光电探测器相对光谱相应曲线
（2）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、光生福特效应
光生伏特效应是一种内光电效应。光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。对于不均匀半导体，由于同质的半导体不同的掺杂形成的PN结、不同质的半导体组成的异质结或金属与半导体接触形成的肖特基势垒都存在内建电场，当光照射这种半导体时，由于半导体对光的吸收而产生了光生电子和空穴，它们在内建电场的作用下就会向相反的方向移动和聚集而产生电位差。这种现象是最重要的一类光生伏特效应。均匀半导体体内没有内建电场，当光照射时，因眼光生载流子浓度梯度不同而引起载流子的扩散运动，且电子和空穴的迁移率不相等，使两种载流子扩散速度的不同从而导致两种电荷分开，而出现光生电势。这种现象称为丹倍效应。此外，如果存在外加磁场，也可使得扩散中的两种载流子向相反方向偏转，从而产生光生电势。通常把丹倍
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工程光学实验指导书 实验二 光电探测原理实验 效应和光磁电效应成为体积光生伏特效应。
3、光电二极管结构和特性参数 （1）光电二极管结构
光电二极管的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比有很多共同之处，它们都有一个PN结，因此均属于单向导电性的非线性元件。但光电二极管作为一种光电器件，也有它特殊的地方。例如，光电二极管管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照；光电二极管PN结势垒区很薄，光生载流子的产生主要在PN结两边的扩散区，光电流主要来自扩散电流而不是漂移电流；又如，为了获得尽可能大的光电流，PN结面积比普通二极管要大的多，而且通常都以扩散层作为受光面，因此，受光面上的电极做的很小。为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极管浅。图2.3为光电二极管外形图（a）、结构简图（b）、符号（c） 和等效电路图（d）。
光+NP-
a b c d
图 2.3 光电二极管
光电二极管在电路中一般是处于反向工作状态，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小（一般小于0.1微安），这个反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，称为光生载流子。它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号。因此光电二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。
（2）光电二极管的特性的基本光照特性 光电二极管在一定偏压下，当入射光的强度发生变化，通过光电二极管的电流随之变化，并且光电流和照度成线性关系。当没有光照射时，测得的电流为暗电流。如图2.4所示，
光
生
电 流
光照度 图2.4 光照特性曲线
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工程光学实验指导书 实验二 光电探测原理实验
（3）光电二极管的伏安特性
光电二极管的输出光电流与偏压的关系称为伏安特性，如图2.5。
0.100.081200 LxI / mA0.060.040.0201000 Lx800 Lx600 Lx400 Lx200 Lx-10-20-30-40-50反向电压/ V
图 2.5 光电二极管的伏安特性
（4）发光二极管的光谱特性
光电二极管对不同波长的光的灵敏度是不同的。 4、光电池的结构和特性参数 （1）光电池的结构
光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。 ?
光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。它实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴， 电子-空穴对从表面向内迅速扩散， 在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。 图2.6为硅光电池原理图。其中（a) 结构示意图； (b) 等效电路。
硼扩散层SiO2膜P型电极IIAN型硅片PN结电极(a)A(b)
图 2.6 硅光电池原理图
（2）光电池的光照特性曲线参数
光照特性曲线描述的是开路电压和短路电流随入射光强变化的规律，如图2.7所示 0.30.6
开路电压0.20.4
0.10.2短路电流
光生电流 / mA
02 000光照度 /Lx4 0000图 2.7 硅光电池的光照电流电压特性
（3）光电池的光谱特性
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光生电压/ V工程光学实验指导书 实验二 光电探测原理实验
光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的，如图2.8。
100
硒80
硅60
40
20
040060080010001200 ? / nm
2.8 硅光电池的光谱特性
五、仪器简介
实验箱配备有0～12V可调的直流电压源，可为光电二极管提供可以调节的偏置电压。本实验箱还配有照度计、电压表和电流表，各表头显示单元和各种调节单元都放在面板上，而光源、照度计探头、硅光电池和硅光电二极管等不需要经常移动的器件都在实验箱里面固定，所有引出线都通过连线连接到面板上，学生做实验时只需要简单连线即可，连线、调节、观察和记录都很方便。
实验箱还配备10K粗调电位器RP1和47K多圈精密细调电位器RP2，可供学生配合其它元件自己动手搭建实验之用，提高学生动手动脑能力。
面板操作示意图：
S / %
六、实验步骤
（1）光电二极管反向伏安特性的测量 实验装置原理框图如图2.9所示。
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工程光学实验指导书 实验二 光电探测原理实验
图 2.9 实验原理框图
1、负载RL选择RL1=2.4K。将面板上“光电二极管偏置电压输入＋”端与电流表“＋”端用导线连接，电流表“－”端与RL1任一端连接，RL1另一端与“光电二极管偏置电压输入－”端相连，此时光电二极管偏压为零。
2、电流表档位调节至20μA档，将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。打开电源开关，顺时针调节该旋钮，使照度值为50Lx，记录此时电流表读数。关闭电源，拆掉电流表“-”端与RL1间连线。
3、将电压表调到20V档，“幅度调节”旋钮逆时针调至最小值位置。将“直流电源0-12V”端与RL1相连，将“直流电源”接地端与电流表“-”端用导线连接。再将电压表“+”端与“直流电源0-12V”相连，“直流电源”接地端与电压表“-”端用导线连接。
4、打开电源开关，调节“幅度调节”旋钮，直至电压表显示为2.00V为止，记下光电二极管所加反向偏压为2V时电流表的读书。
5、重复步骤4，分别记下偏压为4V、6V、8V和10V时的电流表读数。
6、重复上述步骤。分别测量光电二极管在100Lx、200Lx和300Lx照度下，不同偏压下的光生电流值，并分别作出伏安特性曲线。比较四条曲线有什么不同。
7、实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。将“幅度调节”和“光照度调节”旋钮都逆时针旋到底。
（2）光电二极管在-6V偏压下光照特性测量
1、照上图连接线路，负载选择RL1＝2.4K，电流表档位选择20μA。 2、调节“幅度调节”旋钮，使电压表指示为6V。
3、将光源、照度计、光电二极管插入实验箱相应孔中。
4、将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值，测-6V偏压下的电流，即为暗电流。 5、分别测出照度为25Lx、50Lx、100Lx、150Lx、200Lx、250Lx、300Lx时的电流值。 6、绘制光电二极管的光照度曲线。 （3）光电池照度－电流特性曲线 实验装置原理框图如图2.10所示。
1、将“光电池电压输出＋”端与电流表“＋”端相连，“光电池电压输出－”端与电流表“－”端相连。电流表档位调至20μA档，“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。
2、打开电源开关。顺时针调节“光照度调节”旋钮，逐渐增大光照度，记下不同光照度下的短路电流值，填入表3。
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