中北大学
课程设计说明书
学生姓名：张路路学号：0805014115
学院：信息与通信工程学院
专业：电子信息科学与技术
题目：光电传感器实验方案的设计与实践
——光电二极管特性
指导教师：程耀瑜职称: 教授
指导教师：李永红职称: 讲师
2012年1月4日
中北大学
课程设计任务书
11/12 学年第一学期
学院：信息与通信工程学院
专业：电子信息科学与技术
学生姓名：张路路学号：0805014115 课程设计题目：光电传感器实验方案的设计与实践
——光电二极管特性
起迄日期：2011年12月19日~2012年1月6日
课程设计地点：主楼1318室，513教研室
指导教师：程耀瑜李永红
系主任：程耀瑜
下达任务书日期: 2011年12月19日
课程设计任务书
课程设计任务书
目录：
实验目的 (1)
实验内容 (1)
实验仪器 (1)
实验原理 (1)
注意事项 (4)
实验步骤 (5)
实验结果 (12)
实验总结 (15)
参考文献 (15)
光电二极管特性测试实验
一、实验目的
1、学习光电二极管的基本工作原理；
2、掌握光电二极管的基本特性参数及其测量方法，并完成对其光照灵敏度、伏安特性、时间响应特性和光谱响应特性的测量；
3、通过学习，能够对其他光伏器件有所了解。
二、实验内容
1、光电二极管暗电流测试实验
2、光电二极管伏安特性测试实验
3、光电二极管光照特性测试实验
4、光电二极管时间特性测试实验
5、光电二极管光谱特性测试实验
三、实验仪器
1、光电二极管综合实验仪 1个
2、光通路组件 1套
3、光照度计 1个
4、电源线 1根
5、2#迭插头对（红色，50cm） 10根
6、2#迭插头对（黑色，50cm） 10根
7、三相电源线 1根
8、实验指导书 1本
四、实验原理
1、概述
随着光电子技术的发发展,光电检测在灵敏度、光谱响应范围及频率我等技术方面要求越来越高，为此，近年来出现了许多性能优良的光伏检测器，如硅锗光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）等。光敏晶体管通常指光电二极管和光电三极管，通常又称光敏二极管和三敏三极管。
光敏二极管的种类很多，就材料来分，有锗、硅制作的光敏二极管，也有III－V族化合物及其他化合物制作的二极管。从结构我来分，有PN结、PIN结、异质结、肖特基势垒及点接触型等。从对光的响应来分，有用于紫外光、红外光等种类。不同种类的光敏二极管，具胡不同的光电特性和检测性能。例如，锗光敏二极管与硅光敏二极管相比，它在红外光区域有很大的灵敏度，如图所示。这是由于锗材料的禁带宽度较硅小，它的本征吸收限处于红外区域，因此在近红外光区域应用；再一方面，锗光敏二极管有较大的电流输出，但它比硅光敏二极管有较大的反向暗电流，因此，它的噪声较大。又如，PIN型或雪崩型光敏二极管与扩散型PN结光敏二极管相比具有很短的时间响应。因此，在使用光敏二极管进要了解其类型及性能是非常重要的。
光敏二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。与光电池相比，它的突出特点是结面积小，因此它的频率特性非常好。光生电动势与光电池相同，
但输出电流普遍比光电池小，一般为数微安到数十微安。按材料分，光敏二极管有硅、砷化铅光敏二极管等许多种，由于硅材料的暗电流温度系数较小，工艺较成熟，因此在实验际中使用最为广泛。
光敏二极管的工作原理是基于内光电效应，和光敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体PN结上，PN结参与了光电转换过程。
2、光电二极管的工作原理
光生伏特效应：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。通常把丹倍效应和光磁电效应成为体积光生伏特效应。光电二极管和光电三极管即为光电伏特器件。
光敏二极管的结构和普通二极管相似，只是它的PN结装在管壳顶部，光线通过透镜制成的窗口，可以集中照射在PN结上，图1（a）是其结构示意图。光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态，如图1（b）所示。
我们知道，PN结加反向电压时，反向电流的大小取决于P区和N区中少数载流子的浓度，无光照时P区中少数载流子(电子)和N区中的少数载流子(空穴)都很少，因此反向电流很小。但是当光照PN结时，只要光子能量h大于材料的禁带宽度，就会在PN结及其附近产生光生电子—空穴对，从而使P区和N区少数载流子浓度大大增加，它们在外加反向电压和PN结内电场作用下定向运动，
分别在两个方向上渡越PN结，使反向电流明显增大。如果入射光的照度变化，光生电子—空穴对的浓度将相应变动，通过外电路的光电流强度也会随之变动，光敏二极管就把光信号转换成了电信号。
3、光电二极管的基本特性
（1）暗电流
光电二极管在一定偏压，当没有光照的情况下，即黑暗环境中，所测得的电流值即为光电二极管的暗电流。
（2）光电流
光电二极管在一定偏压，当有光电照的情况下，所测得的电流值即为光电二极管在某特定光照下的光电流。
（3）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，即为光电二极管的光照特性。反向偏压工作状态下，在外加电压E 和负载电阻RL的很大变化范围内，光电流与入照光功率均具有很好的线性关系；在无偏压工作状态下，只有RL较小时光电流与入照光功率成正比，RL增大时光电流与光功率呈非线性关系。
图2 光电二极管的光照特性
（4）伏安特性
在一定光照条件下，光电二极管的输出光电流与偏压的关系称为伏安特性。光电二极管的伏安特性的数学表达式如下：
I=I0[1－exp (qV/kT)]＋IL
其中I0是无光照的反向饱和电流，V是二极管的端电压（正向电压为正，反向电压为负），q为电子电荷，k为波耳兹常数，T为PN结的温度，单位为K，IL 为无偏压状态下光照时的短路电流，它与光照时的光功率成正比。(光电二极管的伏安特性如下图所示)
1
2
3
I c (m A )
V(V)
图3 光电二极管的伏安特性曲线
（5）时间响应特性
光敏晶体管受调制光照射时，相对灵敏度与调制频率的关系称为频率特性。减少负载电阻能提高响应频率，但输出降低。
实验证明，光电器件的信号的产生和消失不能随着光强改变而立刻变化，会有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的输出升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为响应时间。为衡量其长短，常用时间常数τ的大小来表示。当用一个辐射脉冲光电探测器，如果这个脉冲的上升和下降时间很短，如方波，则光电探测器的输出由于器件的惰性而有延迟，把从10%上升到90%峰值处所需的时间称为探测器的上升时间，而把从90%下降到10%所需的时间称为下降时间。
（6）光谱特性
一般光电二极管的光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电二极管在一定偏压下所产生光电流与入射光波长之间的关系。一般用相对响应表示，实验中光电二极管的响应范围为400~1100nm ，峰值波长为800~900nm ，由于实验仪器所提供的波长范围为400~650nm ，因此，实验所测出的光谱响应曲线呈上升趋势。
五、注意事项
1、当电压表和电流表显示为“1＿”是说明超过量程，应更换为合适量程；
2、连线之前保证电源关闭。
3、实验过程中，请勿同时拨开两种或两种以上的光源开关，这样会造成实验所测试的数据不准确。
4、光电二极管偏压不要接反。
六、实验步骤
下面的实验内容为光电二极管的实验内容，实验之前请拆卸结构件，将光电二极管结构件装入对应光器件插座中。
1、光电二极管暗电流测试
实验装置原理框图如图4所示，但是在实际操作过程中，光电二极管的暗电流非常小，只有nA数量级。这样，实验操作过程中，对电流表的要求较高，本实验中，采用电路中串联大电阻的方法，将图4中的RL改为1M，再利用欧姆定律计算出支路中的电流即为所测器件的暗电流，如图4所示。
RL
I/
V
暗
图4
（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。
（2）“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态特性”，将拨位开关S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。
（3）“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为0。
（4）将电压表直接与电源两端相连
（5）按图4所示的电路连接电路图，负载RL选择RL=1M。
（6）打开电源开关，调节电源电压，并将电流表与电压表读数记入下表。(注:在测试暗电流时,应先将光电器件置于黑暗环境中30分钟以上,否则测试过程中电压表需一段时间后才可稳定)
（7）实验完毕，直流电源调至最小,关闭电源，拆除所有连线。
电源电
压（V）
暗电流
（mA）
2、光电二极管光电流测试
实验装置原理图如图5所示。
图5
（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。
（2）“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态特性”，将拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。
（3）按图5连接电路图， RL取RL4=1K欧。
（4）打开电源,缓慢调节光照度调节电位器，直到光照为300lx（约为环境光照），缓慢调节直流调节电位器到电压表显示为6V，请出此时电流表的读数，即为光电二极管在偏压6V，光照300lx时的光电流。
（5）实验完毕，将光照度调至最小，直流电源调至最小，关闭电源，拆除所有连线。
3、光电二极管光照特性
实验装置原理框图如图5所示。
（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。
（2）“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态”，将拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。
（3）按图5所示的电路连接电路图，负载RL选择RL4=1K欧。
（4）将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。打开电源，调节直流电源电位器，直到显示值为8V左右，顺时针调节光照度调节电位器，增大光照度值，分别记下不同照度下对应的光生电流值，填入下表。若电流表或照度计显示为“1＿”时说明超出量程，应改为合适的量程再测试。
（5）将“光照度调节”旋钮逆时针调节到最小值位置后关闭电源。
图6
（6）将以上连接的电路中改为如下图6连接（即0偏压），RL取RL4=1K欧。（7）打开电源，顺时针调节该光照度调节旋钮，增大光照度值，分别记下不同照度下对应的光生电流值，填入下表。若电流表或照度计显示为“1＿”时说明超出量程，应改为合适的量程再测试。
（8）根据上面两表中实验数据，在同一坐标轴中作出两条曲线，并进行比较。（9）实验完毕，将光照度调至最小，直流电源调至最小，关闭电源，拆除所有连线。
4、光电二极管伏安特性
实验装置原理框图如图4所示。
图5
（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。
（2）“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态”，将拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。
（4）按图5所示的电路连接电路图，负载RL选择RL5=2K欧。
（5）打开电源顺时针调节照度调节旋钮，使照度值为500Lx，保持光照度不变，调节电源电压电位器，使反向偏压为0V、2V，4V、6V、8V、10V、12V时的电流表读数，填入下表，关闭电源。
（注意：直流电源不可调至高于20V，以免烧坏光电二极管）
（6）根据上述实验结果，作出500Lx照度下的光电二极管伏安特性曲线。（7）重复上述步骤。分别测量光电二极管在300Lx和800Lx照度下，不同偏压下的光生电流值，在同一坐标轴作出伏安特性曲线。并进行比较
（8）实验完毕，将光照度调至最小，直流电源调至最小，关闭电源，拆除所有连线。
5. 光电二极管时间响应特性测试
（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。 （2）“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“脉冲”，将拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。
（3）按图7所示的电路连接电路图，负载RL 选择RL=1K 欧。
（4）示波器的测试点应为A 点，为了测试方便，可把示波器的测试点使用迭插头对引至信号测试区的TP1和TP2，TP1与直流电源的地相连。
图7
（5）打开电源，白光对应的发光二极管亮，其余的发光二极管不亮。用示波器的第一通道与接TP 和GND （即为输入的脉冲光信号），用示波器的第二通道接TP2。 （6）观察示波器两个通道信号，缓慢调节直流电源电位器直到示波器上观察到信号清晰为止，并作出实验记录（描绘出两个通道波形）。
（7）缓慢调节脉冲宽度调节，增大输入脉冲的脉冲信号的宽度，观察示波器两个通道信号的变化，并作出实验记录（描绘出两个通道的波形）并进行分析。 （8）实验完毕，关闭电源，拆除导线。
6、光电二极管光谱特性测试
当不同波长的入射光照到光电二极管上，光电二极管就有不同的灵敏度。本实验仪采用高亮度LED （白、红、橙、黄、绿、蓝、紫）作为光源，产生400～630nm 离散光谱。
光谱响应度是光电探测器对单色入射辐射的响应能力。定义为在波长λ的单位入射功率的照射下，光电探测器输出的信号电压或电流信号。即为
)()()(λλλP V v =?或)()
()(λλλP I i =
? 式中，)(λP 为波长为λ时的入射光功率；)(λV 为光电探测器在入射光功率)
(λP 作用下的输出信号电压；)(λI 则为输出用电流表示的输出信号电流。 本实验所采用的方法是基准探测器法，在相同光功率的辐射下，则有
)()(λλf f
U UK
?=
?
式中，f U 为基准探测器显示的电压值，K 为基准电压的放大倍数，)(λf ?为基准
探测器的响应度。取在测试过程中,f U
取相同值,则实验所测测试的响应度大小由)()(λλf U ?=?的大小确定.下图为基准探测器的光谱响应曲线。
图8 基准探测器的光谱响应曲线
（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。 （2）“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态特性”，将拨位开关S1，S2，S4，S3，S5，S6，S7均拨下。
（3）将直流电源正负极直接与电压表相连，打开电源，调节电源电位器至电压表为10V ，关闭电源。
（4）按如图9连接电路图，RL 取RL10=100K 欧。
图9
（5）打开电源，缓慢调节光照度调节电位器到最大，依次将S2，S3，S4，S5，S6，S7拨上后拨下，记下当上述开关拨向上时,照度计读数最小时照度计的读数E作为参考。
（注意：请不要同时将两个拨位开关拨上）
（6）S2拨上，缓慢调节电位器直到照度计显示为E，将电压表测试所得的数据填入下表，再将S2拨下；
（7）重复操作步骤（6），分别测试出橙，黄，绿，蓝，紫在光照度E下电压表的读数，填入下表。
（8）根据所测试得到的数据，做出光电二极管的光谱特性曲线。
七．实验结果
1光电二极管暗电流特性
2．光电二极管光照特性（1）图5条件下
（2）图6条件下
3、光电二极管伏安特性
(1).500LX
(2).300LX
4、光电二极管时间响应特性
(b)
（a）入射光脉冲方波（b）响应时间5、光电二极管光谱特性测试
八．实验总结
通过此次实验，我们了解到了光电二极管结构，特性，和工作原理，认识到了光电器件在不同环境下的性质变化以及他们的基本运用，掌握了不少光电探测器件使用的知识。在此感谢老师的指导和教诲，我们一定会继续努力学好光电探测，多动脑筋多思考，多动手多实践，认真学习理论知识，以应对社会的发展，满足企业的需要，争取做出成绩来，回馈母校，回报社会！
九.参考文献
[1]杨小丽，光电子技术基础，北京：北京邮电大学出版社，2005。
[2]Donald A.Neamen.半导体物理与器件，北京：电子工业出版社，2005。
[3]杨经国，等.光电子技术，成都：四川大学出版社，1990。
[4]梁万国，等.光电探测器的设计[J]，半导体光电，1998，（19）：51-55。
[5]王正清，等.光电探测技术[M]，北京：电子工业出版社，1994，161。
我们做化学发光的仪器检测部分都是用光电倍增管来检测我们化学反应所发出的微弱的光信号，我在这里给大家介绍一下光电倍增管的一些参数，仅供大家参考。 介绍 今天我们使用的光电器件中，光电倍增管（PMT）是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。典型的光电倍增管如图1所示，在真空管中，包括光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极和电子收集极（阳极）的器件。 当光照射光阴极，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，通过进一步的二次发射得到倍增放大。放大后的电子被阳极收集作为信号输出。 因为采用了二次发射倍增系统，光电倍增管在可以探测到紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器件中具有极高的灵敏度和极低的噪声。光电倍增管还有快速响应、低本底、大面积阴极等特点。 下面将讲解光电倍增管结构的主要特点和基本使用特性。 结构 一般，端窗型（Head-on）和侧窗型（Side-on）结构的光电倍增管都有一个光阴极。侧窗型的光电倍增管，从玻璃壳的侧面接收入射光，而端窗型光电倍增管是从玻璃壳的顶部接收入射光。通常情况下，侧窗型光电倍增管价格较便宜，并在分光光度计和通常的光度测定方面有广泛的使用。大部分的侧窗型光电倍增管使用了不透明光阴极（反射式光阴极）和环形聚焦型电子倍增极结构，这使其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度。 端窗型（也称作顶窗型）光电倍增管在其入射窗的内表面上沉积了半透明光阴极（透过式光阴极），使其具有优于侧窗型的均匀性。端窗型光电倍增管的特点还包括它拥有从几十平方毫米到几百平方厘米的光阴极。 端窗型光电倍增管中还有针对高能物理实验用的，可以广角度捕集入射光的大尺寸半球形光窗的光电倍增管。
APD光电二极管特性测试实验 一、实验目的 1、学习掌握APD光电二极管的工作原理 2、学习掌握APD光电二极管的基本特性 3、掌握APD光电二极管特性测试方法 4、了解APD光电二极管的基本应用 二、实验内容 1、APD光电二极管暗电流测试实验 2、APD光电二极管光电流测试实验 3、APD光电二极管伏安特性测试实验 4、APD光电二极管雪崩电压测试实验 5、APD光电二极管光电特性测试实验 6、APD光电二极管时间响应特性测试实验 7、APD光电二极管光谱特性测试实验 三、实验仪器 1、光电探测综合实验仪 1个 2、光通路组件 1套 3、光照度计 1台 4、光敏电阻及封装组件 1套 5、2#迭插头对（红色，50cm） 10根 6、2#迭插头对（黑色，50cm） 10根 7、三相电源线 1根 8、实验指导书 1本 9、示波器 1台 四、实验原理 雪崩光电二极管APD—Avalanche Photodiode是具有内部增益的光检测器，它可以用来检测微弱光信号并获得较大的输出光电流。 雪崩光电二极管能够获得内部增益是基于碰撞电离效应。当PN结上加高的反偏压时，耗尽层的电场很强，光生载流子经过时就会被电场加速，当电场强度足够高(约3x105V／cm)时，光生载流子获得很大的动能，它们在高速运动中与半导体晶格碰撞，使晶体中的原子电离，从而激发出新的电子一空穴对，这种现象称为碰撞电离。碰撞电离产生的电子一空穴对在强电场作用下同样又被加速，重复前一过程，这样多次碰撞电离的结果使载流子迅速增加，电流也迅速增大，这个物理过程称为雪崩倍增效应。 图6-1为APD的一种结构。外侧与电极接触的P区和N区都进行了重掺杂，分别以P+和N+表示；在I区和N+区中间是宽度较窄的另一层P区。APD工作在大的反偏压下，当反偏压加大到某一值后，耗尽层从N+-P结区一直扩展(或称拉通)到P+区，包括了中间的P层区和I区。图4的结构为拉通型APD的结构。从图中可以看到，电场在I区分布较弱，而在N+-P区分布较强，碰撞电离区即雪崩区就在N+-P区。尽管I区的电场比N+-P区低得多，但也足够高(可达2x104V／cm)，可以保证载流子达到饱和漂移速度。当入射光照射时，由于雪
课题光电管特性的研究 1．了解光电效应实验的基本规律和光的量子性； 教学目的 2．测定光电管的伏安特性，研究光电流强度与加在光电管两极间电压的关系； 3．测定光电管的光电特性，研究光电流强度与照在光电管阴极上光通量的关系。重难点 1．光电管的伏安特性和光电特性； 2．最小二乘法处理数据。 教学方法讲授、讨论、实验演示相结合。 学时 3个学时 一、前言 光电效应是指在光的作用下，从物体表面释放电子的现象，所逸出的电子称为光 电子。这种现象是1887年赫兹研究电磁波时发现的。在光电效应中，光不仅在被吸 收或发射时以能量h 的微粒出现，而且以微粒形式在空间传播，充分显示了光的粒 子性。 1905年爱因斯坦引入光量子理论，给出了光电效应方程，成功地解释了光电效应 的全部实验规律。1916年密立根用光电效应实验验证了爱因斯坦的光电效应方程，并 测定了普朗克常量。爱因斯坦和密立根都因为光电效应方面的杰出贡献，分别获得 1921年和1923年诺贝尔物理学奖。而今光电效应已经广泛地应用于各科技领域，例 如利用光电效应制成的光电管、光电倍增管等光电转换其间，把光学量转换成电学量 来测量。光电元件已成为石油钻井、传真电报、自动控制等生产和科研中不可缺少的 元件。 二、实验仪器 暗匣（内装光电管及小灯泡及米尺）；光电效应实验仪（包括24V稳压电源、12V 可调稳压电源、1 3位数子电压表和电流表，分别指示光电管电压、光源电流和光电 2 流、调节光电管电压的电位器、调小灯电流的可变电阻）。
三、实验原理 金属或金属化合物在光的照射下有电子逸出的现象，称为光电效应，或称为光电发射。产生光电发射的物体表面通常接电源负极，所以又称为光电阴极，光电阴极往往不由纯金属制成，而常用锑钯或银氧钯的复杂化合物制成，因为这些金属化合物阴极的电子逸出功远较纯金属小，这样就能在较小光照下得到较大的光电流。把光电阴极和另一个金属电极－阳极仪器封装在抽成真空的玻璃壳里就成了光电管。光电管在现代科学技术中如自动控制、有声电影、电视、以及光讯号测量等方面都有重要的应用。 1905年爱因斯坦提出“光子”概念，光是由一些能量E h ν=的粒子组成的粒子流。按照光子理论，光电效应是光子与电子碰撞，光子把全部能量（h ν）传给电子，电子获得的能量，一部分用来克服金属表面对它的束缚，另一部分成为该电子（光电子）逸出金属表面后的动能。根据能量守恒有 2 max 12 h mv W ν=+ 该式就是著名的爱因斯坦光电效应方程。由于 一个电子只能吸收一个光子的能量，该式表明光电子的初动能与入射光的频率呈线性关系，与入射光子数无关。 本实验是利用真空光电管来研究这一实验的基本规律，验证爱因斯坦的光电子理论。实验原理图如图5.12－1所示，C 为光电管的阴极，A 为光电管的阳极，调节R ,可在A 、C 两极间获得连续变化的电压。光的强弱决定于光子的多少，当用一定强度的光照射到光电管阴极时，光子（h ν）流 射到C 上打出光电子，阴极释放的电子在电场的作用下向阳极迁移，回路中将形成光电流。光电流的大小与光电管两极间电压及光电管阴极的光通量（光通量与光强成正比）都有关。
光电倍增管综述
光电倍增管综述 摘要：光电倍增管是一种能将微弱的光信号转换成可测电信号的光电转换器件。本文将从结构，特性，应用及发展前景几方面做阐述。 一结构 光电倍增管是一种真空器件。它由光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极及电子收集极（阳极）等组成。典型的光电倍增管按入射光接收方式可分为端窗式和侧窗式两种类型。下图所示为端窗型光电倍增管的剖面结构图。 其主要工作过程如下：当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到的倍增放大。然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。另外，光电倍增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。 二特性 一光谱响应 光电倍增管由阴极收入射光子的能量并将其转换为光子，其转换效率（阴极灵敏度）随入射光的波长而变。这种光阴极灵敏度与入射光波长之间的关系叫做光谱响应特性。 一般情况下，光谱响应特性的长波段取决于光阴极材料，短波段则取决于入射窗材料。光电倍增管的阴极一般都采用具有低逸出功能的碱金属材料所形成的光电发射面。光电倍增管的窗材料通常由硼硅玻璃、透紫玻璃（UV玻璃）、合成石英玻璃和氟化镁（或镁氟化物）玻璃制成。硼硅玻璃窗材料可以透过近红外至300nm垢可见入射光，而其它3种玻璃材料则可用于对紫外区不可见光的探测。
二光照灵敏度 由于测量光电倍增管的光谱响应特性需要精密的测试系统和很长的时间，因此，要为用户提 供每一支光电倍增管的光谱响应特性曲线是不现实的，所以，一般是为用户提供阴极和阳极 的光照灵敏度。 阴极光照灵敏度，是指使用钨灯产生的2856K色温光测试的每单位通量入射光产生的阴极光 电子电流。阳极光照灵敏度是每单位阴极上的入射光能量产生的阳极输出电流（即经过二次 发射极倍增的输出电流）。 三增益 光阴极发射出来的光电子被电场加速后撞击到第一倍增极上将产生二次电子发射，以便产生 多于光电子数目的电子流，这些二次发射的电子流又被加速撞击到下一个倍增极，以产生又 一次的二次电子发射，连续地重复这一过程，直到最末倍增极的二次电子发射被阳极收集， 这样就达到了电流放大的目的。这时光电倍增管阴极产生的很小的光电子电流即被放大成较 大的阳极输出电流。一般的光电倍增管有9～12个倍增极。 三应用 光电倍增管应用用下表简单表示。 光电倍增管的应用领域 光谱学----- 利用光吸收原理 应用领域光电倍增管特性适用管紫外/可见/近红外分光光度计 光通过物质时使物质的电子状态发生变化，而失去部分能量，叫做吸收。利用吸收进行定量分析。为确定样品物质的量，采用连续的光谱对物质进行扫描，并利用光电倍增管检测光通过被测物质前后的强度，即可得到被测物质程度，计算出物质的量。1.宽光谱响应 2.高稳定性 3.低暗电流 4.高量子效率 5.低滞后效应 6.较好偏光特性 R212 R6356,R6 R928,R955,R14 R1463 R374,R3 CR114,CR131 原子吸收分光光度计 广泛地应用于微量金属元素的分析。对应于分析的各种元素，需要专用 的元素灯，照射燃烧并雾化分离成原子状态的被测物质上，用光电倍增 管检测光被吸收的强度，并与预先得到的标准样品比较。 R928,R955 CR1 生物技术 应用领域光电倍增管特性适用管 细胞分类 细胞分类仪是利用荧光物质对细胞标定后，用激光照射，细胞的荧光、散乱光用光电倍增管进行观察，对特定的细胞进行选别的装置。1.高量子效率 2.高稳定性 3.低暗电流 4.高电流增益 5.好的偏振特性 R6353,R6357,R R928,R1477,R3 R2368 CR131 荧光计 细胞分类的最终目的是分离细胞，为此，有一种用于对细胞、化学物质进行解析的装置，它称为荧光计。它对细胞、染色体发出的荧光、散乱
实验七光电倍增管的特性与特性参数测试 1. 实验目的： 光电倍增管是最灵敏的光电器件。它的暗电流、噪声、灵敏度大范围可调和时间响应等特性都具有独特的特点，因此，光电倍增管是非常优秀的光电器件。掌握光电倍增管的主要特性参数，及其它的供电电路对于正确应用光电倍增管解决微弱辐射的测量技术是非常重要的。 2. 实验仪器： 1）GDS-Ⅱ型光电综合实验平台主机； 1)GDBS-Ⅰ型光电倍增管实验装置； 3. 实验内容： 1、光电倍增管阳极暗电流I D的测量； 2、光电倍增管阳极光照灵敏度S a的测量；光电倍增管的灵敏度S a与电源电压U bb 的关系； 3、测量光电倍增管的增益G； 4. 实验原理 1）光电倍增管工作原理 光电倍增管是真空光电器件，它主要由光入射窗、光电阴极面、电子聚焦系统、倍增电极和阳极等5部分构成。其工作原理如“光电技术”教材第4章所讲述，分下面5部分： (1)光子透过入射窗口玻璃入射到玻璃内层光电阴极上，窗口玻璃的透过 率满足光电倍增管的光谱响应特性； (2)进入到光电阴极上的光子使光电阴极材料产生外光电效应，激发出电 子，并飞离表面到真空中，称其为光电子； (3)光电子通过电场加速，并在电子聚焦系统的作用下射入到第一倍增极 D1上，倍增极D1将发射出比入射光电子数目增多δ倍，这些二次电子又在电场 作用下射入到下一增极； (4)入射电子经N级倍增后，电子数就被放大δN倍； (5)经过电子倍增后的二次电子由阳极收集起来，形成阳极电流，在负载上产生压降，输出电压信号U o。 2）光电倍增管的基本特性参数 光电倍增管的特性参数包括光电灵敏度、电流增益、光电特性、阳极特性、暗电流特性与时间响应等特性。 ①光电灵敏度 光电灵敏度是光电倍增管探测光信号能力的一个重要标致，光电灵敏度通常分为阴极灵
光敏二极管特性测试实验 一、实验目的 1.学习光电器件的光电特性、伏安特性的测试方法； 2.掌握光电器件的工作原理、适用范围和应用基础。 二、实验内容 1、光电二极管暗电流测试实验 2、光电二极管光电流测试实验 3、光电二极管伏安特性测试实验 4、光电二极管光电特性测试实验 5、光电二极管时间特性测试实验 6、光电二极管光谱特性测试实验 7、光电三极管光电流测试实验 8、光电三极管伏安特性测试实验 9、光电三极管光电特性测试实验 10、光电三极管时间特性测试实验 11、光电三极管光谱特性测试实验 三、实验仪器 1、光电二三极管综合实验仪 1个 2、光通路组件 1套 3、光照度计 1个 4、电源线 1根 5、2#迭插头对（红色，50cm） 10根 6、2#迭插头对（黑色，50cm） 10根 7、三相电源线 1根 8、实验指导书 1本 四、实验原理 1、概述
随着光电子技术的发发展,光电检测在灵敏度、光谱响应范围及频率我等技术方面要求越来越高，为此，近年来出现了许多性能优良的光伏检测器，如硅锗光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）等。光敏晶体管通常指光电二极管和光电三极管，通常又称光敏二极管和三敏三极管。 光敏二极管的种类很多，就材料来分，有锗、硅制作的光敏二极管，也有III－V族化合物及其他化合物制作的二极管。从结构我来分，有PN结、PIN结、异质结、肖特基势垒及点接触型等。从对光的响应来分，有用于紫外光、红外光等种类。不同种类的光敏二极管，具胡不同的光电特性和检测性能。例如，锗光敏二极管与硅光敏二极管相比，它在红外光区域有很大的灵敏度，如图所示。这是由于锗材料的禁带宽度较硅小，它的本征吸收限处于红外区域，因此在近红外光区域应用；再一方面，锗光敏二极管有较大的电流输出，但它比硅光敏二极管有较大的反向暗电流，因此，它的噪声较大。又如，PIN型或雪崩型光敏二极管与扩散型PN结光敏二极管相比具有很短的时间响应。因此，在使用光敏二极管进要了解其类型及性能是非常重要的。 光敏二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。与光电池相比，它的突出特点是结面积小，因此它的频率特性非常好。光生电动势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为数微安到数十微安。按材料分，光敏二极管有硅、砷化铅光敏二极管等许多种，由于硅材料的暗电流温度系数较小，工艺较成熟，因此在实验际中使用最为广泛。 光敏三极管与光敏二极管的工作原理基本相同，工作原理都是基于内光电效应，和光敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体PN结上，PN结参与了光电转换过程。 2、光电二三极管的工作原理 光生伏特效应：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
页眉内容 光电倍增管简介及使用特性 我们做化学发光的仪器检测部分都是用光电倍增管来检测我们化学反应所发出的微弱的光信号，我在这里给大家介绍一下光电倍增管的一些参数，仅供大家参考。 介绍 今天我们使用的光电器件中，光电倍增管（PMT ）是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。典型的光电倍增管如图1所示，在真空管中，包括光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极和电子收集极（阳极）的器件。 当光照射光阴极，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，通过进一步的二次发射得到倍增放大。放大后的电子被阳极收集作为信号输出。 因为采用了二次发射倍增系统，光电倍增管在可以探测到紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器件中具有极高的灵敏度和极低的噪声。光电倍增管还有快速响应、低本底、大面积阴极等特点。 下面将讲解光电倍增管结构的主要特点和基本使用特性。
结构 一般，端窗型（Head-on）和侧窗型（Side-on）结构的光电倍增管都有一个光阴极。侧窗型的光电倍增管，从玻璃壳的侧面接收入射光，而端窗型光电倍增管是从玻璃壳的顶部接收入射光。通常情况下，侧窗型光电倍增管价格较便宜，并在分光光度计和通常的光度测定方面有广泛的使用。大部分的侧窗型光电倍增管使用了不透明光阴极（反射式光阴极）和环形聚焦型电子倍增极结构，这使其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度。 端窗型（也称作顶窗型）光电倍增管在其入射窗的内表面上沉积了半透明光阴极（透过式光阴极），使其具有优于侧窗型的均匀性。端窗型光电倍增管的特点还包括它拥有从几十平方毫米到几百平方厘米的光阴极。 端窗型光电倍增管中还有针对高能物理实验用的，可以广角度捕集入射光的大尺寸半球形光窗的光电倍增管。 电子倍增系统 光电倍增管的优异的灵敏度（高电流放大和高信噪比）得益于基于多个排列的二次电子发射系统的使用，它使电子低噪声的条件下得
光电管特性的研究 光电效应是指在光的作用下，从物体表面释放电子的现象，所逸出的电子称为光电子。这种现象是1887年赫兹研究电磁波时发现的。在光电效应中，光不仅在被吸收或发射时以能量h 的微粒出现，而且以微粒形式在空间传播，充分显示了光的粒子性。 1905年爱因斯坦引入光量子理论，给出了光电效应方程，成功地解释了光电效应的全部实验规律。1916年密立根用光电效应实验验证了爱因斯坦的光电效应方程，并测定了普朗克常量。爱因斯坦和密立根都因为光电效应方面的杰出贡献，分别获得1921年和1923年诺贝尔物理学奖。而今光电效应已经广泛地应用于各科技领域，例如利用光电效应制成的光电管、光电倍增管等光电转换其间，把光学量转换成电学量来测量。光电元件已成为石油钻井、传真电报、自动控制等生产和科研中不可缺少的元件。 一、教学目的 1、了解光电效应实验的基本规律和光的量子性。 2、测定光电管的伏安特性，研究光电流强度与加在光电管两极间电压的关系。 3、测定光电管的光电特性，研究光电流强度与照在光电管阴极上光通量的关系。 二、教学要求 1、实验三小时完成。 2、观察光电管结构和光电效应现象，理解光的量子性。 3、测定光电管的伏安特性，研究光电流强度与加在光电管两极间电压的关系。 4、测定光电管的光电特性，研究光电流强度与照在光电管阴极上光通量的关系。 5、用所学过的知识解释本次实验所测得的曲线，并对实验结果进行评价，写出合格的实验报告。 三、教学重点和难点 1、重点：通过光电管的伏安特性和光电特性，掌握光电效应迈的实验原理。
2、难点：最小二乘法处理数据。 四、讲授内容（约20分钟） 采用讲授、讨论、演示相结合的教学方法。 1、光电效应的实验原理。 2、与学生们共同探讨光电效应在现代生产生活中的应用。 (1)光电管 利用饱和电流与照射光强的线性关系，实现光信号和电信号之间的转换。如：光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等。 (2)光电倍增管 光电倍增管可使光电阴极发出的光电子增至48 10~10倍，在探测弱光方面得到广泛的应用。 （3）光电成像器件 光电导摄像管等，可以将辐射图像转换成或增强为可观察、记录、传输、存储和进行处理的图像，广泛地应用于天文学、空间科学、电视等领域。 3、光电管的伏安特性曲线的特点和光电特性的特点，留给学生思考如何用所学知识解释这些特点，并在实验报告中回答。 4、结合仪器演示实验的主要步骤。 （1）测光电管的伏安特性曲线 ⑴按教材图5.12－4接好线路，使光电管阳极为高电势，检查正负极插线无误后，打开光电效应仪的电源开关，并预热10分钟。 ⑵选取合适的小灯电流值。测量前先测出小灯泡与光电管阴极间的初始间 r，并记录。 距0 ⑶研究光电管正向伏安特性。由于光电管的伏安特性为非线性曲线，因此，在非线性区域，测试点应多一些。 ⑷测临界截止电压。将光电管接线的极性对调，即在光电管两极加上反向电压，使光电管阳极为负电势，慢慢增大反向电压，记下使光电流刚好为零的电压值，即为临界截止电压。 ⑸研究光电管在不同光强照射下的伏安特性，采用两种方法。
- -- - . -考试文档- 光电倍增管简介及使用特性 我们做化学发光的仪器检测部分都是用光电倍增管来检测我们化学反应所发出的微弱的光信号，我 在这里给大家介绍一下光电倍增管的一些参数，仅供大家参考。 介绍 今天我们使用的光电器件中，光电倍增管（PMT）是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。典型的光电倍增管如图1所示，在真空管中，包括光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极和电子收集极（阳极）的器件。 当光照射光阴极，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，通过进一步的二次发射得到倍增放大。放大后的电子被阳极收集作为信号输出。 因为采用了二次发射倍增系统，光电倍增管在可以探测到紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器件中具有极高的灵敏度和极低的噪声。光电倍增管还有快速响应、低本底、大面积阴极等特点。
下面将讲解光电倍增管结构的主要特点和基本使用特性。 结构 一般，端窗型（Head-on）和侧窗型（Side-on）结构的光电倍增管都有一个光阴极。侧窗型的光电倍增管，从玻璃壳的侧面接收入射 光，而端窗型光电倍增管是从玻璃壳的顶部接收入射光。通常情况下，侧窗型光电倍增管价格较便宜，并在分光光度计和通常的光度 测定方面有广泛的使用。大部分的侧窗型光电倍增管使用了不透明光阴极（反射式光阴极）和环形聚焦型电子倍增极结构，这使其在 较低的工作电压下具有较高的灵敏度。 端窗型（也称作顶窗型）光电倍增管在其入射窗的表面上沉积了半透明光阴极（透过式光阴极），使其具有优于侧窗型的均匀性。端 窗型光电倍增管的特点还包括它拥有从几十平方毫米到几百平方厘米的光阴极。 端窗型光电倍增管中还有针对高能物理实验用的，可以广角度捕集入射光的大尺寸半球形光窗的光电倍增管。 - . -考试文档-
实验四PIN光电二极管特性测试 一、实验目的 1、学习掌握PIN光电二极管的工作原理 2、学习掌握PIN光电二极管的基本特性 3、掌握PIN光电二极管特性测试的方法 4、了解PIN光电二极管的基本应用 二、实验内容 1、PIN光电二极管暗电流测试实验 2、PIN光电二极管光电流测试实验 3、PIN光电二极管伏安特性测试实验 4、PIN光电二极管光电特性测试实验 5、PIN光电二极管时间响应特性测试实验 6、PIN光电二极管光谱特性测试实验 三、实验器材 1、光电探测综合实验仪1个 2、光通路组件1套 3、光照度计1台 4、PIN 光电二极管及封装组件1套 5、2#迭插头对（红色，50cm）10根 6、2#迭插头对（黑色，50cm）10根 7、三相电源线1根 8、实验指导书1本 9、示波器1台 四、实验原理 光电探测器PIN管的静态特性测量是指PIN光电二极管在无光照时的P-N结正负极、击穿电压、暗电流Id以及在有光照的情况下的输入光功率和输出电流的关系（或者响应度），光谱响应特性的测量。 图5-1 PIN光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布 图5-1是PIN光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布。在高掺杂P型和N型半导体之间生长一层本征半导体材料或低掺杂半导体材料，称为I层。在半导体PN结中，掺杂浓度和耗尽层宽度有如下关系： LP/LN=DN/DP
其中：DP和DN 分别为P区和N区的掺杂浓度；LP和LN分别为P区和N区的耗尽层的宽度。在PIN中，如对于P层和I层(低掺杂N型半导体)形成的PN结，由于I层近于本征半导体，有 DN<
光电倍增管简介 1. 光电倍增管的结构和工作原理 由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子 的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105~106倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。 2. 光电倍增管的主要参数 （1）倍增系数M 倍增系数M等于n个倍增电极的二次电子发射系数δ的乘积。如果n个倍增电极的δ都相同，则M=1因此，阳极电流I 为 i —光电阴极的光电流 光电倍增管的电流放大倍数β为 M与所加电压有关，M在105~108之间，稳定性为1％左右，加速电压稳定性要在0.1％以内。如果有波动，倍增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极之间的电压为1000~2500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50~100V。对所加电压越稳越好，这样可以减小统计涨落，从而减小测量误差。
光电倍增管的特性曲线 （2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。 光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。 另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。 （3）暗电流和本底脉冲 一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流，这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除。 如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，本底电流具有脉冲形式。 （4）光电倍增管的光谱特性 光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较好的管子，在很宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于10-4lm时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图所示。
光电二极管特性测试及其变换电路 1实验目的 (1)学习掌握光电二极管的工作原理 (2)学习掌握光电二极管的基本特性 (3)掌握光电二极管特性测试的方法 (4)了解光电二极管的基本应用 2实验内容 (1)光电二极管暗电流测试实验 (2)光电二极管光电流测试实验 (3)光电二极管伏安特性测试实验 (4)光电二极管光电特性测试实验 (5)光电二极管时间特性测试实验 (6)光电二极管光谱特性测试实验 3实验仪器 (1)光电器件实验仪1台 (2)示波器1台 (3)万用表1个 (4)计算机1套 4实验原理 光电二极管又称光敏二极管。制造一般光电二极管的材料几乎全部选用硅或锗的单晶材料。由于硅器件较锗器件暗电流、温度系数都小得多,加之制作硅器件采用的平面工艺使其管芯结构很容易精确控制，因此,硅光电二极管得到了广泛应用。 光电二极管的结构和普通二极管相似，只是它的PN结装在管壳顶部，光线通过透镜制成的窗口，可以集中照射在PN结上，图1（a）是其结构示意图。光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态，如图1（b）所示。
（a）结构示意图（b）基本电路 图1 光电二极管结构图 PN结加反向电压时，反向电流的大小取决于P区和N区中少数载流子的浓度，无光照时P区中少数载流子(电子)和N区中的少数载流子(空穴)都很少，因此反向电流很小。但是当光照射PN结时，只要光子能量hv大于材料的禁带宽度，就会在PN结及其附近产生光生电子—空穴对，从而使P区和N区少数载流子浓度大大增加。这些载流子的数目，对于多数载流子影响不大，但对P区和N 区的少数载流子来说，则会使少数载流子的浓度大大提高，在反向电压（P区接负，N区接正）作用下，反向饱和漏电流大大增加，形成光电流，该光电流随入射光照度的变化而相应变化。光电流通过负载R L时，在电阻两端将得到随人射光变化的电压信号如果入射光的照度改变，光生电子—空穴对的浓度将相应变动，通过外电路的光电流强度也会随之变动，光敏二极管就把光信号转换成了电信号。 5注意事项 1、实验之前，请仔细阅读光电探测综合实验仪说明，弄清实验箱各部分的功能及拨位开关的意义； 2、当电压表和电流表显示为“1＿”是说明超过量程，应更换为合适量程； 3、连线之前保证电源关闭。 4、实验过程中，请勿同时拨开两种或两种以上的光源开关，这样会造成实验所测试的数据不准确。 6实验步骤 6.1光电二极管暗电流测试 实验装置原理框图如图2所示，但是在实际操作过程中，光电二极管和光电三极管的暗电流非常小，只有nA数量级。这样，实验操作过程中，对电流表的要求较高，本实验中，采用电路中串联大电阻的方法，将图2中的RL改为20M，
光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中,光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换,但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景,单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。 本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作原理,然后如果读者有机会的话,可以运行一个SPICE模拟程序,它会很形象地说明电路原理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步（本文未作讨论）是制作实验模拟板。 1 光检测电路的基本组成和工作原理 设计一个精密的光检测电路最常用的方法 是将一个光电二极管跨接在一个CMOS输入 放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种 方式的单电源电路示于图1中。 在该电路中,光电二极管工作于光致电压 （零偏置）方式。光电二极管上的入射光使之 产生的电流I SC从负极流至正极,如图中所示。由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高,二极管产生的电流将流过反馈电阻R F。输出电压会随着电阻R F两端的压降而变化。 图中的放大系统将电流转换为电压,即 V OUT = I SC×R F（1） 图1 单电源光电二极管检测电路 式（1）中,V OUT是运算放大器输出端的电压,单位为V;I SC是光电二极管产生的电流,单位为A;R F是放大器电路中的反馈电阻,单位为W 。图1中的C RF是电阻R F的寄生电容和电路板的分布电容,且具有一个单极点为1/（2p R F C RF）。 用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器的反馈元件R F。用这个模拟程序,激励信号源为I SC,输出端电压为V OUT。 此例中,R F的缺省值为1MW ,C RF为0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理想的电流源。给出这些值后,传输函数中的极点等于1/（2p R F C RF）,即318.3kHz。改变R F 可在信号频响范围内改变极点。
APD光电二极管特性测试实验 APD光电二极管特性测试实验 1，实验目的 1，学习掌握APD光电二极管的工作原理2，学习掌握APD光电二极管的基本特性3，掌握APD光电二极管特性测试方法4，了解APD光电二极管的基本应用 2，实验内容有 1，APD光电二极管暗电流测试实验2，APD光电二极管光电流测试实验3，APD光电二极管伏安特性测试实验4，APD光电二极管雪崩电压测试实验5、APD光电二极管光电特性测试实验6、APD光电二极管时间响应特性测试实验7、APD光电二极管光谱特性测试实验 3、实验仪器 1、光电检测综合实验仪器1 2、光路组件1组 3、测光表1组 4、1组5和2#重叠插头对(红色，50厘米)和10组6和2#重叠插头对(黑色，50厘米)10根7相电力电缆，1根8相电源线，1本9实验说明书，1台 4示波器， 雪崩光电二极管APD—雪崩光电二极管是一种具有内部增益的光电探测器，可用于探测微弱的光信号并获得较大的输出光电流。 雪崩光电二极管的内部增益基于碰撞电离效应。当高反向偏置电
压施加到PN结时， 5 耗尽层中的电场非常强，并且光生载流子在通过时将被电场加速。当电场强度足够高(约3x10v/cm)时，光生载流子获得大量动能。它们与半导体晶格高速碰撞，电离晶体中的原子，从而激发新的电子-空穴对。这种现象被称为碰撞电离碰撞电离产生的电子-空穴对也在强电场的作用下加速，并重复前面的过程。由于多次碰撞电离，载流子迅速增加，电流迅速增加。这一物理过程被称为雪崩倍增效应。 ++ 图6-1是APD的结构与电极接触的外侧的P区和N区被重掺杂，分别由P和N + 表示；在I区和n区的中间是另一层宽度较窄的p区APD在大的反向偏置下工作。当反向偏置电压增加到 ++ 到一定值时，耗尽层从N-P结区延伸到P区，包括中间P层区和I + 区图4的结构是直通APD结构从图中可以看出，电场分布在区域一相对较弱，但在区域N-P ++ 相对较强。碰撞电离区，即雪崩区，位于n-p区虽然I区的电场比
?光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中，光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换，但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景，单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。 本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作原理，然后如果读者有机会的话，可以运行一个SP IC E模拟程序，它会很形象地说明电路原理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步（本文未作讨论）是制作实验模拟板。 1 光检测电路的基本组成和工作原理 设计一个精密的光检测电路最常用的方法是将一个光电二极管跨接在一个CMOS 输入放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种方式的单电源电路示于图1中。 在该电路中，光电二极管工作于光致电压（零偏置）方式。光电二极管上的入射光使之产生的电流ISC从负极流至正极，如图中所示。由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高，二极管产生的电流将流过反馈电阻RF。输出电压会随着电阻RF两端的压降而变化。 图中的放大系统将电流转换为电压，即 VOUT = ISC ×RF （1）
图1 单电源光电二极管检测电路 式（1）中，VOUT是运算放大器输出端的电压，单位为V;ISC是光电二极管产生的电流，单位为A;RF是放大器电路中的反馈电阻，单位为W 。图1中的CRF是电阻RF的寄生电容和电路板的分布电容，且具有一个单极点为1/（2p RF CRF）。 用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器的反馈元件RF。用这个模拟程序，激励信号源为ISC，输出端电压为VOUT。 此例中，RF的缺省值为1MW ，CRF为0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理想的电流源。给出这些值后，传输函数中的极点等于1/（2p RFCRF），即318.3kHz。改变RF可在信号频响范围内改变极点。 遗憾的是，如果不考虑稳定性和噪声等问题，这种简单的方案通常是注定要失败的。例如，系统的阶跃响应会产生一个其数量难以接受的振铃输出，更坏的情况是电路可能会产生振荡。如果解决了系统不稳定的问题，输出响应可能仍然会有足够大的“噪声”而得不到可靠的结果。 实现一个稳定的光检测电路从理解电路的变量、分析整个传输函数和设计一个可靠的电路方案开始。设计时首先考虑的是为光电二极管响应选择合适的电阻。第二是分析稳定性。然后应评估系统的稳定性并分析输出噪声，根据每种应用的要求将之调节到适当的水平。 这种电路中有三个设计变量需要考虑分析，它们是：光电二极管、放大器和R//C反馈网络。首先选择光电二极管，虽然它具有良好的光响应特性，但二极管的寄生电容将对电路的噪声增益和稳定性有极大的影响。另外，光电二极管的并联寄生电阻在很宽的温度范围内变化，会在温度极限时导致不稳定和噪声问题。为了保持良好的线性性能及较低的失调误差，运放应该具有一个较小的输入偏置电流（例如CMOS工艺）。此外，输入噪声电压、输入共模电容和差分电容也对系统的稳定性和整体精度产生不利的影响。最后，R//C反馈网络用于建立电路的增益。该网络也会对电路的稳定性和噪声性能产生影响。 2 光检测电路的SPICE模型
四川理工学院毕业设计（论文）APD光电管的特性测试及应用研究 学生：XXX 学号：XXX 专业：物理学 班级：2010.1 指导教师：XXX 四川理工学院理学院 二O 一四年六月
附件1：四川理工学院毕业设计（论文）任务书 四川理工学院 毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目：APD光电管的特性测试及应用研究 系：物理专业：物理学班级: 2010级1班学号： 学生：XXX 指导教师：XXX 接受任务时间2014.01.18 教研室主任（签名）二级学院院长（签名） 1．毕业设计（论文）的主要内容及基本要求 1) 学习APD光电二极管的工作原理； 2）理解APD光电二极管的各项参数指标并测试各项参数如: 暗电流、伏安特性、雪崩电压、光谱特性等； 3）设计利用APD光电二极管的相关检测电路并实际制作硬件； 4) 撰写毕业论文，参加答辩。 2．指定查阅的主要参考文献及说明 [1]Jerald Graeme. 光电二级管及其放大电路设计[M]. 北京:科学出版社. 2012.8 [2]史玖德. 光电管与光电倍增管[M]. 1981年 [3]黄德修. 半导体光电子学(第二版)[M]. 北京:电子工业出版社, 2013.1. [4]安毓英. 光电子技术[M].北京:电子工业出版社, 2012.12. [5]王庆有. 光电传感器应用技术[M].北京:机械工业出版社,2007.10. [6]其他：可网上搜索查找相关中文和外文文献。 注：本表在学生接受任务时下达
摘要 APD -Avalanche Photodiode称为雪崩光敏二极管，在光电二极管的P-N结上加上反向偏压，则入射的光子被P-N结吸收后就会形成光电流。雪崩光敏二极管广泛应用于电磁兼容测试、生物发光检测、激光成像系统、激光测距、激光雷达、激光陀螺、红外探测、金属矿石选择等领域。本文在分析APD工作原理的基础上，在实验室实际测试了APD光电二极管的暗电流、光电流、伏安特性、雪崩电压、光电特性、光谱特性等。最后设计了一个通过单片机控制并显示的光敏开关电路，在实验室调试成功。 关键词：APD；光电特性测试；半导体；单片机
光电倍增管原理简介 我们做化学发光的仪器检测部分都是用光电倍增管来检测我们化学反应所发出的微弱的光信号，在这里给大家介绍一下光电倍增管的一些参数，仅供大家参考。 介绍 今天我们使用的光电器件中，光电倍增管（PMT）是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。典型的光电倍增管如图1所示，在真空管中，包括光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极和电子收集极（阳极）的器件。 当光照射光阴极，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，通过进一步的二次发射得到倍增放大。放大后的电子被阳极收集作为信号输出。 因为采用了二次发射倍增系统，光电倍增管在可以探测到紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器件中具有极高的灵敏度和极低的噪声。光电倍增管还有快速响应、低本底、大面积阴极等特点。
下面将讲解光电倍增管结构的主要特点和基本使用特性。 结构 一般，端窗型（Head-on）和侧窗型（Side-on）结构的光电倍增管都有一个光阴极。侧窗型的光电倍增管，从玻璃壳的侧面接收入射光，而端窗型光电倍增管是从玻璃壳的顶部接收入射光。通常情况下，侧窗型光电倍增管价格较便宜，并在分光光度计和通常的光度测定方面有广泛的使用。大部分的侧窗型光电倍增管使用了不透明光阴极（反射式光阴极）和环形聚焦型电子倍增极结构，这使其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度。 端窗型（也称作顶窗型）光电倍增管在其入射窗的内表面上沉积了半透明光阴极（透过式光阴极），使其具有优于侧窗型的均匀性。端窗型光电倍增管的特点还包括它拥有从几十平方毫米到几百平方厘米的光阴极。
端窗型光电倍增管中还有针对高能物理实验用的，可以广角度捕集入射光的大尺寸半球形光窗的光电倍增管。 电子倍增系统 光电倍增管的优异的灵敏度（高电流放大和高信噪比）得益于基于多个排列的二次电子发射系统的使用，它使电子低噪声的条件下得到倍增。电子倍增系统包括从8至19极的被叫做打拿极或倍增极的电极。 现在使用的电子倍增系统主要有以下几类： 1）环形聚焦型 环形聚焦型结构主要应用于侧窗型光电倍增管。其主要特点为紧凑的结构和快速时间响应特性。