光电器件特性实验（光电二极管、光电三极管，光敏电阻）
一、实验目的
1、了解光敏电阻的光电特性、光谱响应特性、频率特性等基本特性，测出它的伏安特性曲线和光照特性曲线。
2、了解光敏二极管的基本特性，测出它的伏安特性和光照特性曲线。
3、了解硅光电池的基本特性，测出它的伏安特性曲线和光照特性曲线。
4、了解光敏三极管的基本特性，测出它的伏安特性和光照特性曲线。
5、了解光纤传感器基本特性和光纤通讯基本原理。
二、实验原理
1、光敏电阻
在光照作用下能使物体的电导率改变的现象称为内光电效应。本实验所用的光敏电阻就是基于内光电效应的光电元件。当内光电效应发生时，固体材料吸 收的能量使部分价带电子迁移到导带，同时在价带中留下空穴。这样由于材料中载流子个数增加，使材料的电导率增加，电导率的改变量为
（1）
在（1）式中，e为电荷电量，△p为空穴浓度的改变量，△n为电子浓度的改变量，μ表示迁移率。
当两端加上电压U后，光电流为：
（2）
式中A为与电流垂直的表面，d为电极间的间距。在一定的光照度下，△σ为恒定的值，因而光电流和电压成线性关系。
光敏电阻的伏安特性如图2所示，不同的光照度可以得到不同的伏安特性，表明电阻值随光照度发生变化。光照度不变的情况下，电压越高，光电流也越大，而且没有饱和现象。当然，与一般电阻一样光敏电阻的工作电压和电流都不能超过规定的最高额定值。
图2 光敏电阻的伏安特性曲线 图3 光敏电阻的光照特性曲线
当光电器件电极上的电压一定时，光电流与入射到光电器件上的光照强度之间的关系称为光照特性。光敏电阻的光照特性则如图3所示。不同的光敏电阻的光照特性是不同的，但是在大多数的情况下，曲线的形状都与图3的结果类似。由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不适宜作线性敏感元件 ，这是光敏电阻的缺点之一。所以在自动控制中光敏电阻常用作开关量的光电传感器。
光敏三极管特性实验误差分析
光敏三极管特性实验常见的误差包括仪器误差、操作误差和环境误差。
1. 仪器误差：由于光敏三极管的灵敏度较高,所以在实验过程中,对于仪器的精度要求也相应较高。仪器误差包括测量误差和仪器本身的误差,如示波器和万用表等仪器的精度、灵敏度、分辨率等。
2. 操作误差：实验操作过程中的疏忽和错误也会对实验结果造成一定的误差。例如未及时校准仪器、测量值的读取不准确、实验操作过程中的误操作等。
3. 环境误差：实验环境因素也会对实验结果造成影响,例如光线强度、温度和湿度等。这些环境因素变化可能会造成光电元件的灵敏度改变,从而影响实验结果。
因此,在进行光敏三极管特性实验时,应该注意仪器的选择和使用,实验操作的准确性和规范性,以及控制环境因素的稳定性,以减少实验误差的发生。同时需要对实验结果进行多次实验和数据处理,以提高实验数据的准确性。
光敏二极管的主要技术参数介绍
光敏二极管又称光电二极管，是一种光电转换器件，也就是说能把接收到的光的变化，转变成电流的变化。目前使用最多的是Si（硅）光电二极管。它有四种类型：PN结型，PIN结型，雪崩型和肖特基结型，主要用于自动控制、如光耦合、光电读出装置、红外线遥控装置、红外防盗、路灯的自动控制、过程控制、编码器、译码器等。以下简介比较常用都是PIN结型光敏二极管，如下图：
光敏二极管引脚的区分通常直接查看光敏二极管的引脚长短即可区分:引脚长的为正极(P极)，引脚短的为负极(N极)。对于有色点或管键标识的管子，其靠近标识的一脚为正极，另一脚为负极。
在无光照射时，光敏二极管的伏安特性和普通二极管一样，此时的反向电流叫暗电流，一般在几微安到几百微安之间，其值随反向偏压的增大和环境温度的升高而增大。在检测弱光电信号时，必须考虑用暗电流小的管子。一般光敏二极管的工作方式为加反向电压或不加电压两种状态。在有光照时，光敏二极管在一定的反偏电压范围内（UR≥5V），其反向电流将随光照强度（10-103Lux范围内）的增加而线性增加，这时的反向电流又叫光电流。因此，对应一定的光照强度，光敏二极管相当于一个恒流源。在有光照而无外加电压时，光敏二极管相当于一个光电池，输出电压P区为正，N区为负，随光照强度的改变，由于光电转换光敏二极管两极的输出电压也随着改变。因此可用数显万用表的区别正负极，方法是将万用表置于Rx1k挡，用物体挡住管子的受光窗口，用红、黑表笔对调测出两次阻值，其阻值较大的一次测量(反向阻值)，红表笔所接的引脚为负极，黑表笔所接的引脚为正极。
光敏二极管有一定光谱响应范围，并对某波长的光有最高的响应灵敏度（峰值波长）。光敏二极管对于照射光线的响应程度是不一样的，它某一范围内的光谱有着最强烈的响应，而对另外一些光波则响应不佳，主要表现为反向电流的大小不一。因此，要想获取最大的光电流，应选择光谱响应特性符合待测光谱的光敏二极管，同时加大照度和调整入射的角度。常见的光敏管一般有可见光（透明封装的），不可见光（黑色封装的）其光谱响应特性图如下图所示：
实验三：光敏三极管特性实验
一、实验目的：.
1、熟悉光敏三极管的结构和作用原理；
2、了解光敏三极管的特性，当工作偏压一定时，光敏三极管输出光电流与入射光的照度（或通量）的关系。
二、实验原理：
光敏三极管是在光电二极管的基础上发展起来的，它和普通的晶体三极管相似——具有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路的电流控制，还受光的控制。所以光敏三极管的外形有光窗。有三根引线的也有二根引线的，管型分为PNP型和NPN型两种光敏三极管，NPN型称3DU型光敏三极管，PNP型称3CU型光敏三极管。
现以3DU型为例说明硅光敏三极管的结构和作用原理，如图3-1所示。以N型硅片作为衬底，扩散硼而形成P型，再扩散磷而形成重掺杂N+层，并涂以SiO2作为保护层。在重掺杂的N+侧开窗，引出一个电极并称作“集电极c”，由中间的P型层引出一个基极b，也可以不引出来（由于硅光敏三极管信号是以光注入，所以一般不需要基极引线），而在N型硅片的衬底上引出一个发射e，这就构成一个光敏三极管。
图3-1 3DU型光敏三极管结构原理图及符号
硅光敏三极管的工作原理：工作时各电极所加的电压与普通晶体管相同，即需要保证集电极反向偏置，发射极正偏置，由于集电极是反偏置，在结区内有很强的内建电场，对3DU型硅三极管来说，内建电场的方向是由c到b，与硅光电二极管工作原理相同，如果有光照到基极--集电极上，能量大于禁带宽度的光子在结区内激发出光生载流子-电子空穴对，这些载流子在内建电场的作用下，电子流向集电极，空穴流向基极，相当于外界向基极注入一个控制电流I b=I p（发射极是正向偏置和普通晶体管一样有放大作用）。当基极没有引线，此时集电极电流：
I c=β I b=β I p=SE·E·β
式中β为晶体管的电流增益系数；E为入射照度；SE为光电灵敏度。由此可见，光敏三极管的光电转换部分是集-基结区内进行，而集电极、基极、发射极又构成了一个有放大作用的晶体管。
