实验一 光敏电阻特性实验
实验原理:
利用具有光电导效应的半导体材料制成的光敏传感器叫光敏电阻，又称为光导管。是一种均质的半导体光电器件, 其结构如图1-1所示。光敏电阻采用梳状结构是由于在间距很近的电阻之间有可能采用大的灵敏面积, 提高灵敏度。
光敏电阻应用得极为广泛，可见光波段和大气透过的几个窗口都有适用的光敏电阻。利用光敏电阻制成的光控开关在日常生活中随处可见。当内光电效应发生时，光敏电阻电导率的改变量为：
∆σ=∆p ⋅e ⋅μp +∆n ⋅e ⋅μn 在上式中，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：I ph =
A
⋅∆σ⋅U d
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1-2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，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1-2光敏电阻的伏安特性曲线 图1-3 光敏电阻的光照特性曲线
光敏电阻的光照特性则如图 1-3
所示。不同的光敏电阻的光照特性是不同的，但是
1
在大多数的情况下，曲线的形状都与图1-3 类似。由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不适宜作测量型的线性敏感元件，在自动控制中光敏电阻常用作开关量的光电传感器。
图 1-4 几种光敏电阻的光谱特性
实验所需部件:
稳压电源、光敏电阻、负载电阻（选配单元）、电压表、各种光源、遮光罩、激光器
实验步骤:
1. 测试光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电阻
观察光敏电阻的结构，用遮光罩将光敏电阻完全掩盖，用万用表欧姆档测得的电阻值为暗电阻R 暗，移开遮光罩，在环境光照下测得的光敏电阻的阻值为亮电阻R 亮，暗电阻与亮电阻之差为光电阻，光电阻越大，则灵敏度越高。
结果：用万用表欧姆档测得的暗电阻为∞，超出万用表的量程。在环境光照下的亮电阻为6.5k Ω。
在光电器件模板的试件插座上接入另一光敏电阻，试作性能比较分析。 2. 光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流
按照图1-5接线，分别在暗光及有光源照射下测出输出U 暗和U 亮，电流L 暗=U暗/R，亮电流L 亮=U亮/R，亮电流与暗电流之差称为光电流，光电流越大则灵敏度越高。
结果：暗光时电流为0。有光源照射时光电流为71uA 。
3. 光敏电阻的伏安特性测试
按照图1-5接线，电源可从直流稳压电源+2~+12V间选用， 每次在一定的光照条件下，测出当加在光敏电阻上
电压 为+2V；+4V；+6V；+8V；+10V时电阻R 两端的电压U R ，和电流数据，同时算出此时光敏电阻的阻值，并填入以下表格，根据实验数据画出光敏电阻的伏安特性曲线。
图1-5 光敏电阻的测量电路
2
结果：光敏电阻的阻值随光照强度增加而变小，光照强度的变化不改变光敏电阻伏安特性形状，始终呈线性
4. 光敏电阻的光照特性测试
按照图1-5接好实验线路，负载电阻R 选定1K ，光源用白炽灯，（实验者可仔细调节光源控制旋钮，得到不同的光源亮度），每确定一种亮度后改变测试电路工作电压从0V-12V 。
从电源电压U CC =2V开始到U CC =10V，每次在一定的外加电压下测出光敏电阻在相对
U R
光照度从“弱光”到逐步增强（通过白炽灯亮度调节）的电流数据，即：I ph =，
1.00K Ω同时求出此时光敏电阻的阻值，即：R g =
U cc -U R
。这里要求尽量多的测点（不少于4I Ph
个）不同照度下的电流数据，尤其要在弱光位置选择较多的数据点，以使所得到的数据点能够绘出较为完整的光照特性曲线。
光敏电阻光照特性测试数据表（电源电压：2V ）
3
光敏电阻光照特性测试数据表（电源电压：4V ）
光敏电阻光照特性测试数据表（电源电压：6V ）
光敏电阻光照特性测试数据表（电源电压：10V ）
4
图（b ）不同电源电压下光敏电阻光照特性曲线
结果：光照强度很弱时，光敏电阻光电流值很小，且几乎不随光照强度变化而变化；随着光照强度进一步增加，在未达光照饱和前，光电流值与光照强度近似呈线性变化；光强继续增加，光敏电阻光照特性达到饱和，这时光电流值将不再随光照强度增加而继续变大，其值主要取决于光敏电阻两端电压，电压越大，饱和光电流越大。在总的变化过程中，两端电压高的光敏电阻的光电流总是要高于两端电压低的光敏电阻光电流值。
5. 光敏电阻的光谱特性：
用不同的半导体材料制成的光敏电阻有着不同的光谱特性，见图1-4。当不同波长的入射光照到光敏电阻的光敏面上，光敏电阻就有不同的灵敏度。
用高亮度LED （红、黄、绿、蓝）作为光源，发光管与光敏电阻顶端可用附件中的黑色软管连接。分别测出光敏电阻在各种光源照射下的光电流，再用固体激光器、日光（白光）作为光源，测得光电流，将测得的数据记入下表，据此做出两种光电阻大致的光谱特性曲线：
共测试两个光敏电阻：
第一个光敏电阻：
第二个光敏电阻：
5
结果：不同的光敏电阻的光照特性是不同的，但大多数的情况下，其曲线的形状大体相同如上图，在特定的波长处存在吸收峰值，其他波长处光吸收则较之要小，吸收峰波长与光敏电阻特性有关。
6. 光敏电阻的温度特性：
光敏电阻与其他半导体器件一样，性能受温度影响较大。随着温度的升高电阻值增大，灵敏度下降。请按图1-5测试电路，分别测出常温下和加温（可白炽灯光照加热3~5分钟）后的伏安特性曲线。
常温：
6
结果：利用吹风机加热光敏电阻，但其温度特性未有很好的体现，测得的光电流没有变化。其原因可能是白炽灯离光敏电阻较近，在进行之前的实验过程中，白炽灯处于打开状态，其热辐射已经将光敏电阻进行了加热。因此再利用吹风机加热光敏电阻后，其光电流无明显边缘。
注意事项:
实验时请注意不要超过光电阻的最大耗散功率P MAX, P MAX =LU 光源照射时灯胆及灯杯温度均很高，请勿用手触摸，以免烫伤。
实验时各种不同波长光源选用的高亮度LED 在不发光时均为透明材料封装，查看颜色及亮度均可从其顶端透镜前观察。用做光源时也应将透镜发光点对准光敏器件。
7
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y
实验报告
课程名称：实验题目：班 级：姓 名：学 号：同 组 人：实验地点：实验时间：教师评语：
光电信号检测 光敏二极管特性测试 1021102 张居旺 1102100501 李伟 张文红
张春雨 赵爽
电机楼10008室 2013 年 5 月 11 日
实验成绩：8
实验二 光敏二极管特性实验
实验原理:
光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的，其管芯是一个具有光敏特征的PN 结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。光敏二极管的伏安特性相当于向下平移了的普通二极管，无光照时，有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时, 饱和反向漏电流大大增加，形成光电流，它随入射光强度的变化而变化。光敏二极管结构见图2-1。
图2-1光敏二极管原理
实验所需部件:
光敏二极管、稳压电源、负载电阻（实验选配单元中可变电阻）、遮光罩、光源、电压表（万用表）、微安表（万用表上的200mA 档） 实验步骤:
按图2-2接线, 要注意光敏二极管是工作在反向工作电压的。由于硅光敏二极管的反向电流非常小，所以应视实
验情况逐步提高工作电压，如有必要可用稳压电源上的±
10V 或±12V 串接。
图2-2 光敏二极管测试电路
1. 暗电流测试
用遮光罩盖住光电器件模板, 选择合适的电路反向工作电压，选择适当的负载电阻。打开仪器电源，调节负载电阻值，微安表显示的电流值即为暗电流，或用4 1/2位万用表200mV 档测得负载电阻R 上的压降U 暗，则暗电流L 暗=U暗/R。一般锗光敏二极管的暗电流要大于硅光敏二极管暗电流数十倍。可在试件插座上更换其他光敏二极管进行测试做性能比较。
测试结果：暗电流0.4mA （电源电压2V ）。
2. 光电流测试:
缓慢揭开遮光罩，观察微安表上的电流值的变化, （也可将照度计探头置于光敏二极管同一感光处，观察当光照强度变化时光敏二极管光电流的变化）或是用4 1/2位万用表200mV 档测得R 上的压降U 光, 光电流L 光=U光/R。如光电流较大，则可减小工作电压或调节加大负载电阻。
测试结果：随着照度增加，光电流由0.4mA 上升到10.1mA ，进一步上升到51.9mA （电源电压2V ）。
3. 伏安特性测试实验
按图3-2连接实验线路, 光源选用高亮度卤素灯, 分别调节至“弱光”、“中光”和“强光”三种照度。负载电阻用万用表确定阻值1K 欧姆。
将可调光源调至一种照度，每次在该照度下，测出加在光敏二极管上的各反向偏压
9
与产生的光电流 的关系数据，其中光电流I ph =验。
U R
（1K Ω为取样电阻），在三种光照度下重复上述实
1.00K Ω
图2-3 光敏二极管的伏安特性曲线
10
结果：在照度一定的情况下，随着反向电压的正价，光电流逐渐增加，当电压值较低时，光电
流随电压变化近似呈线性变化，但随着电压进一步变大，受限于一定的光照强度，光电流趋于饱和（本实验中由于测量实验数据不够，无法确切看出饱和阶段状态） 由于实验操作时对于中等光度及弱光强度的控制度不够理想，致使我们实验数据中弱光与中等光照的曲线几乎没有变化。
4. 光照度特性测试
实验电路见图2-2。光源选用高亮度卤素灯，由实验者按照从“弱-强”仔细调节光源电位器取得多种光照度 ，每选一种照度就选择3种反向偏压测试记录，测出光敏二极管在
U R
相对光照度为“弱光”到逐步增强的光电流数据，其中I Ph ＝（1K Ω为取样电阻）。
1.00K Ω
图2-4光敏二极管的光照特性曲线
注：由于实验室没有光度计，所以我们组没有进行光敏二极管的光照特性曲线性质验证
光敏二极管的光照特性亦呈良好线性，这是由于它的电流灵敏度一般为常数。而光敏三极管在弱光时灵敏度低些，在强光时则有饱和现象，这是由于电流放大倍数的非线性所至，对弱信号的检测不利。故一般在作线性检测元件时，可选择光敏二极管而不能用光敏三极管。
注意事项:
本实验中暗电流测试最高反向工作电压受仪器电压条件限制为±12V （24V ），硅光敏二极管暗电流很小，虽然提高了反向电压，但还是有可能不易测得。测试光电流时要缓慢地改变光照度，以免测试电路中的微安表指针打表，如微安表量程不够大，可选用万用表的200mA 电流档。
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y
实验报告
课程名称：实验题目：班 级：姓 名：学 号：同 组 人：实验地点：实验时间：教师评语：
光电信号检测 光电池特性测试 1021102 张居旺 1102100501 李伟 张文红
张春雨 赵爽
电机楼10008室 2013 年 5 月 11 日
实验成绩：
实验四 光电池特性测试
实验原理:
光电池的结构其实是一个较大面积的半导体PN 结，工作原理是光生伏特效应, 当负载接入PN 两极（电路中的E ）后即得到功率输出。在一定光照度下，硅光电池的伏安特性呈非线性。
图7-2 硅光电池伏安特性曲线 图7-3硅光电池光照特性曲线 当光照射硅光电池的时候，将产生一个由N 区流向P 区的光生电流I ph ；同时由于PN 结二极管的特性，存在正向二极管管电流I D ，此电流方向与光生电流方向相反。所以实际获得的电流为：
⎡⎛eV
I =I ph -I D =I ph -I 0⎢exp
⎝nk B T ⎣
⎫⎤
⎪-1⎥ ⎭⎦
式中V 为结电压，I 0为二极管反向饱和电流，n 为理想系数，表示PN 结的特性，通常在1和2之间，k B 为波尔兹曼常熟，T 为绝对温度。短路电流是指负载电阻相对于光电池的内阻来讲是很小的时候的电流。在一定的光照度下，当光电池被短路时，结电压
V
为0，从而有：
I SC =I ph
负载电阻在20欧姆以下时，短路电流与光照有比较好的线性关系，负载电阻过大，则线性会变坏。
开路电压则是指负载电阻远大于光电池的内阻时硅光电池两端的电压，而当硅光电池的输出端开路时有I =0，由（3）（4）式可得开路电压为：
V OC =
nk B T ⎛I SC ⎫
ln +1⎪ q I ⎝0⎭
图7-3为硅光电池的光照特性曲线。开路电压与光照度之间为对数关系，因而具有
饱和性。因此，把硅光电池作为敏感元件时，应该把它当作电流源的形式使用，即利用短路电流与光照度成线性的特点，这是硅光电池的主要优点。
实验所需器件:
两种光电池、各类光源、实验选配电路、电压表（万用表）自备、微安表（毫安表）、激光器、照度计（用户选配）
实验步骤:
图7-1为光电池结构原理及测试电路，图中E 为光电池。 1. 光电池短路电流测试：
光电池的内阻在不同光照时是不同的，所以在测得暗光条件下光电池的内阻后（图7-1左）, 应选用相对小得多的负载电阻。(这样所测得的电流近似短路电流) ，试用阻值为1、5、10、20、30Ω或更大的负载电阻接入测试电路。打开光源，在不同的距离和角度照射光电池，记录光电流的变化情况，可以看出，负载电阻越小（小于20欧姆），光电流与光强的线性关系就越好。
我们组选取了三组电阻：10Ω，20Ω，52Ω来进行光电池短路电流测试，实验结果如下：
负载电阻R
负载电阻R
负载电阻R
图(a)光电流与光强曲线
（其中0~8分别代表光强相对大小强度，分别对应光强最弱，很弱，较弱，中等，
较强，很强，最强）
结果：虽然所加负载电阻阻值不同，但是光电二极管的光照特性曲线大致形状都是一样的，本实验由于没拿光度计对光照强度进行定量的变化，只能对光照强度进行一个模糊的变化描述，所以得到的曲线并不是很准确，正确的曲线应该是呈较严格的线性，且随负载电阻越小线性越明显，但是我们的实验中难以得到这个结论，这是我们的不足之处。
2. 光电池光电特性测试：
光电池的光生电动势与光电流和光照度的关系为光电池的光电特性。 用遮光罩盖住光电器件模板，用电压表或4 1/2位万用表测得光电池的电势，取走遮光罩，打开光源灯光，改变灯光投射角度与光电池的距离，即改变光电池接收的光通量，测量光生电动势与光电流的变化情况，并将测试数据填入下表：
图(b)光电池特性曲线图
结果：可以看出，它们之间的关系是非线性的，初始阶段光照不强，光照特性曲线呈类线性变化，但当达到一定程度的光强后，开路电压就趋于饱和了。 由于我们测的点数不够，因此实验存在误差。
3. 硅光电池的伏安特性测试
按照图7-1所示连接好实验线路，其中负载电阻用选配单元中的可调电阻(从0Ω调至5K Ω), 由实验者自行连接到电路中。光源用白炽灯灯，分别选用“弱光”、“中光”和“强光”三种照度。
将可调光源打开，每次在一定的照度下，调节实验选配单元中的可调电阻并用万用表确定阻值，然后测出一组硅光电池的开路电压U OC 和取样电阻R1两端的电压U R1, 则光电流 I=UR1/R1(R1为取样电阻的阻值) ，改变负载电阻，测出尽可能多的数据点，以绘出完整的伏安特性曲线, 然后再另两种光照度下重复上述实验。
根据实验数据画出硅光电池的伏安特性曲线。
结果：随着R1两端电压增加，光电流不断减小，电压越大，减小的趋势越明显，即曲线的曲率增加，不同光照强度，光电流值也不同，光照越强，光电流值越大。
当光电池负载为电阻时，光照射下的光电池的输出电压与电流的关系，见图7-3。曲线的横坐标值为光电池开路电压值，纵坐标为短路电流值。当接入负载电阻R L 时，负载线RL 与伏安特性曲线的交点为工作点，此时光电池的输出电流与电压的乘积为光功率。
照度弱时：R=2.51kΩ得到最大光功率P=0.0267mW
照度中时：R=1.62kΩ得到最大光功率P=0.0639mW 照度强时：R=0.8kΩ得到最大光功率P=0.1338mW
将光电池分别串、并联，测出其工作性能与输出功率，并得出定性的结论。 注意事项:
光电池串、并联时请注意电压极性，以免电压相互抵消或短路。
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y
实验报告
课程名称：实验题目：班 级：姓 名：学 号：同 组 人：实验地点：实验时间：教师评语：
光电信号检测 光栅衍射实验——光栅距
的测定与测距实验
1021102 张居旺 1102100501 李伟 张文红
张春雨 赵爽
电机楼10008室 2013 年 5 月 11 日
实验成绩：
实验五 光栅衍射实验——光栅距的测定与测距实验
（一）光栅距的测定
实验目的：
了解光栅的结构及光栅距的测量方法。
实验所需部件：光栅、激光器、直尺与投射屏（自备）。
实验步骤：
1、 激光器放入光栅正对面的激光器支座中，接通激光 2、 电源后调节上下左右位置使光点对准光栅组中点后 3、 用紧定螺丝固定。
4、 在光栅后方安放好投射屏，观察到一组有序排列的
衍射光斑，与激光器正对的光斑为中央光斑，依次
向两侧为一级、二级、三级„衍射光斑。如图20-1所示。请观察光斑的大小及光强的变化规律。 5、 根据光栅衍射规律，光栅距D 与激光波长λ、衍射距离L 、中央光斑与一级光斑的间距S 存在下
列的关系：
22L +S D =λ
S
（式中单位：L 、S 为mm ，λ为nm, D为μm）
根据此关系式，已知固体激光器的激光波长为650nm ，用直尺量得衍射距离L 、光斑距5、即可求得实验所用的光栅的光栅距。
6、 尝试用激光器照射用做莫尔条纹的光栅，测定光栅距，了解光斑间距与光栅距的关系。 7、 将激光器换成激光教鞭，测定其波长。
D 平均=（20.707+20.238+19.707+19.480+19.639+19.601+19.397+19.283）÷8=19.756（um ）
注意事项：
激光衍射所用的光栅是包含有两组光栅刻痕互成900的光栅组组成，做实验时可以选用其中任一组光栅。
（二）测距实验
实验步骤：按照光栅衍射公式，已知光栅距、激光波长、光斑间距，就可以求出衍射距离L 。
将激光对准衍射光栅中部，在投射屏上得到一组衍射光斑，根据公式求出L 。 调整投射屏与光栅的距离，并尽可能试用不同的激光器，将测得的各参数L 、S 、D 、λ 填入表格，以验证公式。
实验数据表
结果：数据分布并不十分稳定。使我对此次实验的结果略感担心。在第二个实验测距实验中计算所得的衍射距离L 值比实际测量值偏小。这可能说明了，我们所得的光栅距D 平均可能比实际值略大一些。
本次实验由于实验条件的限制，使结果的精度受到一定程度的影响。产生误差的原因，主要为测量误差。首先，在衍射距离L 的测量过程中，工具为卷尺，在长距离的测量过程中，卷尺不易伸直，是L 的测量值偏大。而在测定光斑大小时工具依旧为卷尺，光斑的单位为毫米量级，使用卷尺在精确度上就难以给与保证。再者，衍射屏我们选择的为手持泡沫板。由于人手臂不自觉的抖动造成的误差也难以避免。不过在老师的指导以及小组成员的通力合作下我们已将其他能减小的误差尽量消除。
实验总结与心得体会
本次实验课我们组选择了实验一、实验二、实验四、实验五进行验证分析，在老师的
悉心指导、小组成员的通力合作下，我们顺利地完成了所有的实验。通过本次实验我们了解了一些光电检测元件，如光敏电阻、光电池、光电二极管等的工作原理及其使用方法，并尝试了自己动手实际操作这些器件，使我们对光电信号检测的相关应用知识有了更深一步的理解。实验过程中由于我们对实验环境的光信号控制度不够，以及一些操作过程中的失误，导致我们的实验结果存在着一定的误差，因此在后期处理过程中我们针对这些误差进行了分析处理，使结果尽可能地吻合理论值。我们小组成员在试验后，分工合作对实验数据进行了分析和拟合绘图，最终得到了本次试验总的实验报告，望老师批评指正！
实验一 光敏电阻特性实验
实验原理:
利用具有光电导效应的半导体材料制成的光敏传感器叫光敏电阻，又称为光导管。是一种均质的半导体光电器件, 其结构如图1-1所示。光敏电阻采用梳状结构是由于在间距很近的电阻之间有可能采用大的灵敏面积, 提高灵敏度。
光敏电阻应用得极为广泛，可见光波段和大气透过的几个窗口都有适用的光敏电阻。利用光敏电阻制成的光控开关在日常生活中随处可见。当内光电效应发生时，光敏电阻电导率的改变量为：
∆σ=∆p ⋅e ⋅μp +∆n ⋅e ⋅μn 在上式中，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：I ph =
A
⋅∆σ⋅U d
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1-2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，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1-2光敏电阻的伏安特性曲线 图1-3 光敏电阻的光照特性曲线
光敏电阻的光照特性则如图 1-3
所示。不同的光敏电阻的光照特性是不同的，但是
1
在大多数的情况下，曲线的形状都与图1-3 类似。由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不适宜作测量型的线性敏感元件，在自动控制中光敏电阻常用作开关量的光电传感器。
图 1-4 几种光敏电阻的光谱特性
实验所需部件:
稳压电源、光敏电阻、负载电阻（选配单元）、电压表、各种光源、遮光罩、激光器
实验步骤:
1. 测试光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电阻
观察光敏电阻的结构，用遮光罩将光敏电阻完全掩盖，用万用表欧姆档测得的电阻值为暗电阻R 暗，移开遮光罩，在环境光照下测得的光敏电阻的阻值为亮电阻R 亮，暗电阻与亮电阻之差为光电阻，光电阻越大，则灵敏度越高。
结果：用万用表欧姆档测得的暗电阻为∞，超出万用表的量程。在环境光照下的亮电阻为6.5k Ω。
在光电器件模板的试件插座上接入另一光敏电阻，试作性能比较分析。 2. 光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流
按照图1-5接线，分别在暗光及有光源照射下测出输出U 暗和U 亮，电流L 暗=U暗/R，亮电流L 亮=U亮/R，亮电流与暗电流之差称为光电流，光电流越大则灵敏度越高。
结果：暗光时电流为0。有光源照射时光电流为71uA 。
3. 光敏电阻的伏安特性测试
按照图1-5接线，电源可从直流稳压电源+2~+12V间选用， 每次在一定的光照条件下，测出当加在光敏电阻上
电压 为+2V；+4V；+6V；+8V；+10V时电阻R 两端的电压U R ，和电流数据，同时算出此时光敏电阻的阻值，并填入以下表格，根据实验数据画出光敏电阻的伏安特性曲线。
图1-5 光敏电阻的测量电路
2
结果：光敏电阻的阻值随光照强度增加而变小，光照强度的变化不改变光敏电阻伏安特性形状，始终呈线性
4. 光敏电阻的光照特性测试
按照图1-5接好实验线路，负载电阻R 选定1K ，光源用白炽灯，（实验者可仔细调节光源控制旋钮，得到不同的光源亮度），每确定一种亮度后改变测试电路工作电压从0V-12V 。
从电源电压U CC =2V开始到U CC =10V，每次在一定的外加电压下测出光敏电阻在相对
U R
光照度从“弱光”到逐步增强（通过白炽灯亮度调节）的电流数据，即：I ph =，
1.00K Ω同时求出此时光敏电阻的阻值，即：R g =
U cc -U R
。这里要求尽量多的测点（不少于4I Ph
个）不同照度下的电流数据，尤其要在弱光位置选择较多的数据点，以使所得到的数据点能够绘出较为完整的光照特性曲线。
光敏电阻光照特性测试数据表（电源电压：2V ）
3
光敏电阻光照特性测试数据表（电源电压：4V ）
光敏电阻光照特性测试数据表（电源电压：6V ）
光敏电阻光照特性测试数据表（电源电压：10V ）
4
图（b ）不同电源电压下光敏电阻光照特性曲线
结果：光照强度很弱时，光敏电阻光电流值很小，且几乎不随光照强度变化而变化；随着光照强度进一步增加，在未达光照饱和前，光电流值与光照强度近似呈线性变化；光强继续增加，光敏电阻光照特性达到饱和，这时光电流值将不再随光照强度增加而继续变大，其值主要取决于光敏电阻两端电压，电压越大，饱和光电流越大。在总的变化过程中，两端电压高的光敏电阻的光电流总是要高于两端电压低的光敏电阻光电流值。
5. 光敏电阻的光谱特性：
用不同的半导体材料制成的光敏电阻有着不同的光谱特性，见图1-4。当不同波长的入射光照到光敏电阻的光敏面上，光敏电阻就有不同的灵敏度。
用高亮度LED （红、黄、绿、蓝）作为光源，发光管与光敏电阻顶端可用附件中的黑色软管连接。分别测出光敏电阻在各种光源照射下的光电流，再用固体激光器、日光（白光）作为光源，测得光电流，将测得的数据记入下表，据此做出两种光电阻大致的光谱特性曲线：
共测试两个光敏电阻：
第一个光敏电阻：
第二个光敏电阻：
5
结果：不同的光敏电阻的光照特性是不同的，但大多数的情况下，其曲线的形状大体相同如上图，在特定的波长处存在吸收峰值，其他波长处光吸收则较之要小，吸收峰波长与光敏电阻特性有关。
6. 光敏电阻的温度特性：
光敏电阻与其他半导体器件一样，性能受温度影响较大。随着温度的升高电阻值增大，灵敏度下降。请按图1-5测试电路，分别测出常温下和加温（可白炽灯光照加热3~5分钟）后的伏安特性曲线。
常温：
6
结果：利用吹风机加热光敏电阻，但其温度特性未有很好的体现，测得的光电流没有变化。其原因可能是白炽灯离光敏电阻较近，在进行之前的实验过程中，白炽灯处于打开状态，其热辐射已经将光敏电阻进行了加热。因此再利用吹风机加热光敏电阻后，其光电流无明显边缘。
注意事项:
实验时请注意不要超过光电阻的最大耗散功率P MAX, P MAX =LU 光源照射时灯胆及灯杯温度均很高，请勿用手触摸，以免烫伤。
实验时各种不同波长光源选用的高亮度LED 在不发光时均为透明材料封装，查看颜色及亮度均可从其顶端透镜前观察。用做光源时也应将透镜发光点对准光敏器件。
7
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y
实验报告
课程名称：实验题目：班 级：姓 名：学 号：同 组 人：实验地点：实验时间：教师评语：
光电信号检测 光敏二极管特性测试 1021102 张居旺 1102100501 李伟 张文红
张春雨 赵爽
电机楼10008室 2013 年 5 月 11 日
实验成绩：8
实验二 光敏二极管特性实验
实验原理:
光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的，其管芯是一个具有光敏特征的PN 结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。光敏二极管的伏安特性相当于向下平移了的普通二极管，无光照时，有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时, 饱和反向漏电流大大增加，形成光电流，它随入射光强度的变化而变化。光敏二极管结构见图2-1。
图2-1光敏二极管原理
实验所需部件:
光敏二极管、稳压电源、负载电阻（实验选配单元中可变电阻）、遮光罩、光源、电压表（万用表）、微安表（万用表上的200mA 档） 实验步骤:
按图2-2接线, 要注意光敏二极管是工作在反向工作电压的。由于硅光敏二极管的反向电流非常小，所以应视实
验情况逐步提高工作电压，如有必要可用稳压电源上的±
10V 或±12V 串接。
图2-2 光敏二极管测试电路
1. 暗电流测试
用遮光罩盖住光电器件模板, 选择合适的电路反向工作电压，选择适当的负载电阻。打开仪器电源，调节负载电阻值，微安表显示的电流值即为暗电流，或用4 1/2位万用表200mV 档测得负载电阻R 上的压降U 暗，则暗电流L 暗=U暗/R。一般锗光敏二极管的暗电流要大于硅光敏二极管暗电流数十倍。可在试件插座上更换其他光敏二极管进行测试做性能比较。
测试结果：暗电流0.4mA （电源电压2V ）。
2. 光电流测试:
缓慢揭开遮光罩，观察微安表上的电流值的变化, （也可将照度计探头置于光敏二极管同一感光处，观察当光照强度变化时光敏二极管光电流的变化）或是用4 1/2位万用表200mV 档测得R 上的压降U 光, 光电流L 光=U光/R。如光电流较大，则可减小工作电压或调节加大负载电阻。
测试结果：随着照度增加，光电流由0.4mA 上升到10.1mA ，进一步上升到51.9mA （电源电压2V ）。
3. 伏安特性测试实验
按图3-2连接实验线路, 光源选用高亮度卤素灯, 分别调节至“弱光”、“中光”和“强光”三种照度。负载电阻用万用表确定阻值1K 欧姆。
将可调光源调至一种照度，每次在该照度下，测出加在光敏二极管上的各反向偏压
9
与产生的光电流 的关系数据，其中光电流I ph =验。
U R
（1K Ω为取样电阻），在三种光照度下重复上述实
1.00K Ω
图2-3 光敏二极管的伏安特性曲线
10
结果：在照度一定的情况下，随着反向电压的正价，光电流逐渐增加，当电压值较低时，光电
流随电压变化近似呈线性变化，但随着电压进一步变大，受限于一定的光照强度，光电流趋于饱和（本实验中由于测量实验数据不够，无法确切看出饱和阶段状态） 由于实验操作时对于中等光度及弱光强度的控制度不够理想，致使我们实验数据中弱光与中等光照的曲线几乎没有变化。
4. 光照度特性测试
实验电路见图2-2。光源选用高亮度卤素灯，由实验者按照从“弱-强”仔细调节光源电位器取得多种光照度 ，每选一种照度就选择3种反向偏压测试记录，测出光敏二极管在
U R
相对光照度为“弱光”到逐步增强的光电流数据，其中I Ph ＝（1K Ω为取样电阻）。
1.00K Ω
图2-4光敏二极管的光照特性曲线
注：由于实验室没有光度计，所以我们组没有进行光敏二极管的光照特性曲线性质验证
光敏二极管的光照特性亦呈良好线性，这是由于它的电流灵敏度一般为常数。而光敏三极管在弱光时灵敏度低些，在强光时则有饱和现象，这是由于电流放大倍数的非线性所至，对弱信号的检测不利。故一般在作线性检测元件时，可选择光敏二极管而不能用光敏三极管。
注意事项:
本实验中暗电流测试最高反向工作电压受仪器电压条件限制为±12V （24V ），硅光敏二极管暗电流很小，虽然提高了反向电压，但还是有可能不易测得。测试光电流时要缓慢地改变光照度，以免测试电路中的微安表指针打表，如微安表量程不够大，可选用万用表的200mA 电流档。
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y
实验报告
课程名称：实验题目：班 级：姓 名：学 号：同 组 人：实验地点：实验时间：教师评语：
光电信号检测 光电池特性测试 1021102 张居旺 1102100501 李伟 张文红
张春雨 赵爽
电机楼10008室 2013 年 5 月 11 日
实验成绩：
实验四 光电池特性测试
实验原理:
光电池的结构其实是一个较大面积的半导体PN 结，工作原理是光生伏特效应, 当负载接入PN 两极（电路中的E ）后即得到功率输出。在一定光照度下，硅光电池的伏安特性呈非线性。
图7-2 硅光电池伏安特性曲线 图7-3硅光电池光照特性曲线 当光照射硅光电池的时候，将产生一个由N 区流向P 区的光生电流I ph ；同时由于PN 结二极管的特性，存在正向二极管管电流I D ，此电流方向与光生电流方向相反。所以实际获得的电流为：
⎡⎛eV
I =I ph -I D =I ph -I 0⎢exp
⎝nk B T ⎣
⎫⎤
⎪-1⎥ ⎭⎦
式中V 为结电压，I 0为二极管反向饱和电流，n 为理想系数，表示PN 结的特性，通常在1和2之间，k B 为波尔兹曼常熟，T 为绝对温度。短路电流是指负载电阻相对于光电池的内阻来讲是很小的时候的电流。在一定的光照度下，当光电池被短路时，结电压
V
为0，从而有：
I SC =I ph
负载电阻在20欧姆以下时，短路电流与光照有比较好的线性关系，负载电阻过大，则线性会变坏。
开路电压则是指负载电阻远大于光电池的内阻时硅光电池两端的电压，而当硅光电池的输出端开路时有I =0，由（3）（4）式可得开路电压为：
V OC =
nk B T ⎛I SC ⎫
ln +1⎪ q I ⎝0⎭
图7-3为硅光电池的光照特性曲线。开路电压与光照度之间为对数关系，因而具有
饱和性。因此，把硅光电池作为敏感元件时，应该把它当作电流源的形式使用，即利用短路电流与光照度成线性的特点，这是硅光电池的主要优点。
实验所需器件:
两种光电池、各类光源、实验选配电路、电压表（万用表）自备、微安表（毫安表）、激光器、照度计（用户选配）
实验步骤:
图7-1为光电池结构原理及测试电路，图中E 为光电池。 1. 光电池短路电流测试：
光电池的内阻在不同光照时是不同的，所以在测得暗光条件下光电池的内阻后（图7-1左）, 应选用相对小得多的负载电阻。(这样所测得的电流近似短路电流) ，试用阻值为1、5、10、20、30Ω或更大的负载电阻接入测试电路。打开光源，在不同的距离和角度照射光电池，记录光电流的变化情况，可以看出，负载电阻越小（小于20欧姆），光电流与光强的线性关系就越好。
我们组选取了三组电阻：10Ω，20Ω，52Ω来进行光电池短路电流测试，实验结果如下：
负载电阻R
负载电阻R
负载电阻R
图(a)光电流与光强曲线
（其中0~8分别代表光强相对大小强度，分别对应光强最弱，很弱，较弱，中等，
较强，很强，最强）
结果：虽然所加负载电阻阻值不同，但是光电二极管的光照特性曲线大致形状都是一样的，本实验由于没拿光度计对光照强度进行定量的变化，只能对光照强度进行一个模糊的变化描述，所以得到的曲线并不是很准确，正确的曲线应该是呈较严格的线性，且随负载电阻越小线性越明显，但是我们的实验中难以得到这个结论，这是我们的不足之处。
2. 光电池光电特性测试：
光电池的光生电动势与光电流和光照度的关系为光电池的光电特性。 用遮光罩盖住光电器件模板，用电压表或4 1/2位万用表测得光电池的电势，取走遮光罩，打开光源灯光，改变灯光投射角度与光电池的距离，即改变光电池接收的光通量，测量光生电动势与光电流的变化情况，并将测试数据填入下表：
图(b)光电池特性曲线图
结果：可以看出，它们之间的关系是非线性的，初始阶段光照不强，光照特性曲线呈类线性变化，但当达到一定程度的光强后，开路电压就趋于饱和了。 由于我们测的点数不够，因此实验存在误差。
3. 硅光电池的伏安特性测试
按照图7-1所示连接好实验线路，其中负载电阻用选配单元中的可调电阻(从0Ω调至5K Ω), 由实验者自行连接到电路中。光源用白炽灯灯，分别选用“弱光”、“中光”和“强光”三种照度。
将可调光源打开，每次在一定的照度下，调节实验选配单元中的可调电阻并用万用表确定阻值，然后测出一组硅光电池的开路电压U OC 和取样电阻R1两端的电压U R1, 则光电流 I=UR1/R1(R1为取样电阻的阻值) ，改变负载电阻，测出尽可能多的数据点，以绘出完整的伏安特性曲线, 然后再另两种光照度下重复上述实验。
根据实验数据画出硅光电池的伏安特性曲线。
结果：随着R1两端电压增加，光电流不断减小，电压越大，减小的趋势越明显，即曲线的曲率增加，不同光照强度，光电流值也不同，光照越强，光电流值越大。
当光电池负载为电阻时，光照射下的光电池的输出电压与电流的关系，见图7-3。曲线的横坐标值为光电池开路电压值，纵坐标为短路电流值。当接入负载电阻R L 时，负载线RL 与伏安特性曲线的交点为工作点，此时光电池的输出电流与电压的乘积为光功率。
照度弱时：R=2.51kΩ得到最大光功率P=0.0267mW
照度中时：R=1.62kΩ得到最大光功率P=0.0639mW 照度强时：R=0.8kΩ得到最大光功率P=0.1338mW
将光电池分别串、并联，测出其工作性能与输出功率，并得出定性的结论。 注意事项:
光电池串、并联时请注意电压极性，以免电压相互抵消或短路。
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y
实验报告
课程名称：实验题目：班 级：姓 名：学 号：同 组 人：实验地点：实验时间：教师评语：
光电信号检测 光栅衍射实验——光栅距
的测定与测距实验
1021102 张居旺 1102100501 李伟 张文红
张春雨 赵爽
电机楼10008室 2013 年 5 月 11 日
实验成绩：
实验五 光栅衍射实验——光栅距的测定与测距实验
（一）光栅距的测定
实验目的：
了解光栅的结构及光栅距的测量方法。
实验所需部件：光栅、激光器、直尺与投射屏（自备）。
实验步骤：
1、 激光器放入光栅正对面的激光器支座中，接通激光 2、 电源后调节上下左右位置使光点对准光栅组中点后 3、 用紧定螺丝固定。
4、 在光栅后方安放好投射屏，观察到一组有序排列的
衍射光斑，与激光器正对的光斑为中央光斑，依次
向两侧为一级、二级、三级„衍射光斑。如图20-1所示。请观察光斑的大小及光强的变化规律。 5、 根据光栅衍射规律，光栅距D 与激光波长λ、衍射距离L 、中央光斑与一级光斑的间距S 存在下
列的关系：
22L +S D =λ
S
（式中单位：L 、S 为mm ，λ为nm, D为μm）
根据此关系式，已知固体激光器的激光波长为650nm ，用直尺量得衍射距离L 、光斑距5、即可求得实验所用的光栅的光栅距。
6、 尝试用激光器照射用做莫尔条纹的光栅，测定光栅距，了解光斑间距与光栅距的关系。 7、 将激光器换成激光教鞭，测定其波长。
D 平均=（20.707+20.238+19.707+19.480+19.639+19.601+19.397+19.283）÷8=19.756（um ）
注意事项：
激光衍射所用的光栅是包含有两组光栅刻痕互成900的光栅组组成，做实验时可以选用其中任一组光栅。
（二）测距实验
实验步骤：按照光栅衍射公式，已知光栅距、激光波长、光斑间距，就可以求出衍射距离L 。
将激光对准衍射光栅中部，在投射屏上得到一组衍射光斑，根据公式求出L 。 调整投射屏与光栅的距离，并尽可能试用不同的激光器，将测得的各参数L 、S 、D 、λ 填入表格，以验证公式。
实验数据表
结果：数据分布并不十分稳定。使我对此次实验的结果略感担心。在第二个实验测距实验中计算所得的衍射距离L 值比实际测量值偏小。这可能说明了，我们所得的光栅距D 平均可能比实际值略大一些。
本次实验由于实验条件的限制，使结果的精度受到一定程度的影响。产生误差的原因，主要为测量误差。首先，在衍射距离L 的测量过程中，工具为卷尺，在长距离的测量过程中，卷尺不易伸直，是L 的测量值偏大。而在测定光斑大小时工具依旧为卷尺，光斑的单位为毫米量级，使用卷尺在精确度上就难以给与保证。再者，衍射屏我们选择的为手持泡沫板。由于人手臂不自觉的抖动造成的误差也难以避免。不过在老师的指导以及小组成员的通力合作下我们已将其他能减小的误差尽量消除。
实验总结与心得体会
本次实验课我们组选择了实验一、实验二、实验四、实验五进行验证分析，在老师的
悉心指导、小组成员的通力合作下，我们顺利地完成了所有的实验。通过本次实验我们了解了一些光电检测元件，如光敏电阻、光电池、光电二极管等的工作原理及其使用方法，并尝试了自己动手实际操作这些器件，使我们对光电信号检测的相关应用知识有了更深一步的理解。实验过程中由于我们对实验环境的光信号控制度不够，以及一些操作过程中的失误，导致我们的实验结果存在着一定的误差，因此在后期处理过程中我们针对这些误差进行了分析处理，使结果尽可能地吻合理论值。我们小组成员在试验后，分工合作对实验数据进行了分析和拟合绘图，最终得到了本次试验总的实验报告，望老师批评指正！