光电探测原理实验 实验目的1 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 [实验仪器] 1、光电探测原理实验箱 2、光照度计 3、光电二极管和光电池 4、光源 [实验原理] 1、光照度基本知识 (1)光照度是光度计量的主要参数之一，而光度计量是光学计量最基本的部分。 光度量是限于人眼能够见到的一部分辐射量，是通过人眼的视觉效果去衡量的， 人眼的视觉效果对各种波长是不同的，通常用V(入)表示，定义为人眼视觉函 数或光谱光视效率。因此，光照度不是一个纯粹的物理量，而是一个与人眼视觉 有关的生理、心理物理量。 光照度是单位面积上接收的光通量，因而可以导出：由一个发光强度I的点 光源，在相距L处的平面上产生的光照度与这个光源的发光强度成正比，与距离 的平方成反比，即： E=I/L 式中：E一光照度，单位为Lx: I一光源发光强度，单位为cd: L一距离，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
光电探测原理实验 [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 [实验仪器] 1、光电探测原理实验箱 2、光照度计 3、光电二极管和光电池 4、光源 [实验原理] 1、光照度基本知识 （1）光照度是光度计量的主要参数之一，而光度计量是光学计量最基本的部分。 光度量是限于人眼能够见到的一部分辐射量，是通过人眼的视觉效果去衡量的， 人眼的视觉效果对各种波长是不同的，通常用 V（λ）表示，定义为人眼视觉函 数或光谱光视效率。因此，光照度不是一个纯粹的物理量，而是一个与人眼视觉 有关的生理、心理物理量。 光照度是单位面积上接收的光通量，因而可以导出：由一个发光强度 I 的点 光源，在相距 L 处的平面上产生的光照度与这个光源的发光强度成正比，与距离 的平方成反比，即： 2 E = I / L 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。 1
显示 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(入)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(入)， 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(入)匹配。匹配 基本上都是通过给光探测器加适当的滤光片(V(入)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儿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IV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(入)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濑于光源的偏振状态。 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 2
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 2
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一结、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一结为例说明光生伏特效应的原理。其原理如 下图 耗尽层 内部电场 n呕 漂移 扩散◆ 导带 a 电势能 光激发→ 对空穴 对电子 中性区 耗尽层 中性区 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南。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在耗 尽层形成一个势垒，电子在区具有较低的势能，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。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（付≥E。),在耗尽层 区、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，电了 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 3
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 hf ≥ Eg 3
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结耗尽层只有儿微米，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，一方面它 形成电流的几率小，即转换效率低，另一方面响应速度也慢。为了改善这种情况 使用PD管时，总是施加适当的反向偏压，即N区加正电压，P区加负电压，外 加电压与内部电场方向相同，从而增大了耗尽层宽度，减小了中性区的宽度，从 而提高了转换效率和响应速度。 利用光伏效应制作的光伏探测器种类繁多，如普通光电二极管(PD)、PN 光电二极管、雪崩光电二极管(APD)、光电三极管、异质结光电二极管、金属 一半导体光电二极管、量子阱光探测器等。本实验只讨论普通光电二极管(PD) 和光电池。 3、光电二极管的结构和特性参数 (一)光电二极管的结构 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P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P八 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，PW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)
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，一方面它 形成电流的几率小，即转换效率低，另一方面响应速度也慢。为了改善这种情况， 使用 PD 管时，总是施加适当的反向偏压，即 N 区加正电压，P 区加负电压，外 加电压与内部电场方向相同，从而增大了耗尽层宽度，减小了中性区的宽度，从 而提高了转换效率和响应速度。 利用光伏效应制作的光伏探测器种类繁多，如普通光电二极管（PD）、PIN 光电二极管、雪崩光电二极管（APD）、光电三极管、异质结光电二极管、金属 —半导体光电二极管、量子阱光探测器等。本实验只讨论普通光电二极管（PD） 和光电池。 3、光电二极管的结构和特性参数 (一) 光电二极管的结构 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 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）。 4
光 N P d 图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。 (二)光电二极管的特性参数 这里仅就与实验有关的参数简单说明。 (1)伏安特性 光电二极管(PD)就是一个p-n结，根据固体物理对p-n结的研究，无光 照时，p一结上的电压V和通过它的电流的伏安关系为 In =Iso(evIKT -1) (1) 式中1∞为pn结的反向饱和电流，k=1·381×10J1K为波尔兹曼常数， T为热力学温度，q为电子电荷量。 有光照时，产生光生电流I 9品 (2) 式中刀为量子效率，P为光功率。 这两部分电流方向相同，则总电流I为 1=1∞(er灯-l)+Is (3) 下图表示光照P一N结的伏安特性
N P + - 光 a b c d 图 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。 （二）光电二极管的特性参数 这里仅就与实验有关的参数简单说明。 （1）伏安特性 光电二极管（PD）就是一个 p-n 结，根据固体物理对 p-n 结的研究，无光 照时，p-n 结上的电压 V 和通过它的电流的伏安关系为 ( 1) / = − qV KT D SO I I e （1） 式中 为 p-n 结的反向饱和电流， 为波尔兹曼常数， T 为热力学温度，q 为电子电荷量。 SO I k 1 381 10 J / K −23 = ⋅ × 有光照时，产生光生电流IS ν η h P I q S = （2） 式中η 为量子效率， P 为光功率。 这两部分电流方向相同，则总电流 I 为 （3） S qV KT SO I = I (e −1) + I / 下图表示光照 P—N 结的伏安特性， 5