光电探测器是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等; 在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等。

【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与使用方法;

(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伏安特性并掌握其测试方法。

【实验原理】

1. 光照度基本知识

(1)光照度

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，其定义为: 由一个发光强度为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/L2

式中，E是光照度，单位为Lx; I是光源发光强度，单位为cd; L是距离，单位为m。

(2)光照度计的结构

光照度计是用来测量光照度的仪器，它的结构原理如图14.1所示。

图中，D为光探测器，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，光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之外，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不同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14.1 光照度计结构图

(3)照度测量的误差因素

①光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: 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: 由于量程改变产生的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: 偏振依赖性表示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. 光生伏特效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动的“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。其原理如图14.2所示。

如图14.2(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14.2(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入另一区都需要提供能量。

图14.2 光生伏特效应原理图

当有入射光作用时，如果光子的能量大于或等于带隙(hf≥Eg)，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。若外电路为开路，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

(1)光电二极管的结构

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得多，而且通常都以扩散层作为受光面，因此，受光面上的电极做得很小。为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极管浅。图14.3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)。

图14.3 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0.1μA)，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做定向运动，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)光电二极管的特性参数

这里仅就与实验有关的参数做简单说明。

①伏安特性:

光电二极管(PD)就是一个PN结，根据固体物理对PN结的研究，无光照时，PN结上的电压V和通过它的电流I的伏安关系为

式中，ISO为PN结的反向饱和电流; K=1.381×10-23J/K，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IS

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

图14.4表示光照PN结的伏安特性。

图14.4 PN结的伏安特性

有光照时，相对于无光照时曲线向下平移，光照越强，曲线愈往下平移，光电流越大。图中第一象限为PN结加正偏压状态，此时PN结暗电流ID远大于光生电流，作为探测器工作在这个区域是没有意义的。第三象限为PN结加反偏压状态，此时PN结暗电流ID=ISO，数值很小，远小于光生电流IS，光伏探测器输出的总电流I=ISO+IS≈IS，光伏探测器多工作在这个区域。

由图14.4可见，在低反向偏压下电流随电压变化比较明显，这是因为反向偏压增加使耗尽层加宽，结电场增强，使结区光的吸收率和光生载流子的收集效率增大。当反向偏压进一步增加时，光生载流子的收集已达极限，光电流趋于饱和。这时，光电流与外加反向偏压几乎无关，而仅取决于入射光功率。

图中还标注了开路光电压和短路光电流的定义。由(14.3)式可以求得光伏探测器的输出电压

在PN结开路(即外负载电阻RL→∞)时，光伏探测器的输出电压称为开路电压VOC，这时经外回路负载RL上的总电流I=0。在式(14.4)中，将I=0代入，可得开路电压的表达式

若将PN短路(即V=O)，由式(14.2)可得短路电流ISC为

VOC和ISC是光伏探测器的两个重要参数，其数值可以从伏安特性曲线上得到; 由式(14.5)、式(14.6)可看出，两者都随光强增大而增大，但ISC随光强增大线性上升，而VOC则按对数规律增加，如图14.5所示。

图14.5 VOC和ISC随光强变化曲线

②光谱特性:

光伏探测器对不同波长的光的灵敏度是不同的，这是因为光子的能量hν必须大于或等于带隙Eg，光子才能被吸收，产生电子-空穴对。不同半导体材料具有不同的Eg，因此对光的波长具有选择性，除与材料有关外，还与具体结构有关。图14.6给出了硅、锗材料光电二极管的光谱响应特性，硅光电二极管最佳响应波长为0.8～1.0μm; 锗材料能响应到1.7μm。

图14.6 硅、锗材料光电二极管光谱响应曲线

③光照特性:

光电二极管在一定反向偏压下，当入射光的强度发生变化时，通过光电二极管的电流随之变化，在较小负载电阻下，光电流和照度呈线性关系。如图14.7所示。

图14.7 光电二极管的光照特性图

④暗电流:(www.daowen.com)

当没有光照射时，光电二极管的反向饱和电流ID称为暗电流。

4. 光电池的结构和特性参数

(1)光电池的结构原理

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“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14.8为硅光电池原理图。其中(a)是结构示意图; (b)是等效电路。

图14.8 硅光电池原理图

(2)光电池的特性参数

这里讨论光电池的光照特性，用入射光强-电流电压特性和入射光强-负载特性来描述。

入射光强-电流电压特性描述的是开路电压VOC和短开路电流ISC随入射光强变化的规律，如图14.9所示。

图14.9 光电池的光照特性曲线

VOC随入射光强按对数规律变化，ISC与入射光强呈线性关系。

光电池用作探测器时，通常是以电流源形式使用，总要接负载电阻RL，这时电流记作ILC，它与入射光强不再呈线性关系，RL相对光电池内阻Rd越大，线性范围越小，如图14.10所示。

图14.10 光电池输出电流

入射光强-负载特性描述的是在相同照度下，输出电压、输出电流、输出功率随负载变化的规律。如图14.11所示。

图14.11 入射光强-负载特性图

当RL≪Rd时，可近似看做短路，输出电流为Isc，与入射光强成正比。RL越小，线性度越好，线性范围越大。

当RL为∞时，可近似看做开路，输出电压为Voc。随着RL的变化，输出功率也变化。当RL=RM时，输出功率最大，RM称最佳负载。

【实验仪器】

实验装置如图14.12所示，光电探测原理实验箱、光照度计、光电二极管和光电池、光源。

图14.12 光电探测原理实验箱仪器面板图

【实验内容及步骤】

(1)光电二极管反向伏安特性的测量

实验原理框图如图14.13所示:

图14.13 反向伏安特性实验原理框图

①负载RL选择RL1=2.4kΩ。将“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，“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。打开电源开关，顺时针调节照度调节旋钮，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之间的连线。

③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连接，将“直流电源”另一端(接地端)与电流表“-”端连接。再将电压表“+”端与“直流电源0～12V”端相连，“直流电源”接地端与电压表“-”端相连。

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时电流表的读数。

⑤重复步骤④，分别记下反向偏压为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。比较四条伏安特性曲线有什么不同。

⑦实验完毕，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照图14.13连接线路，负载RL选择RL1=2.4kΩ，电流表档位调节至20μA档。

②调节“幅度调节”旋钮，使电压表指示为6伏。

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，即为暗电流值。

⑤分别测出光照度为25Lx、50Lx、100Lx、150Lx、200Lx、250Lx、300Lx时的电流值。

⑥绘出光电二极管的光照特性曲线。

(3)光电池照度-电流特性测试

实验原理框图如图14.14所示。

图14.14 光电池照度-电流特性测试实验原理框图

分别测出下表所示光照度和负载下的光生电流。作出光照度-电流特性曲线，并对曲线进行分析。

(4)光电池照度-电压特性测试

实验原理框图如图14.15所示。

图14.15 光电池照度-电压特性测试实验原理框图

分别测出下表所示光照度下的光生电压，作出光照度-开路电压特性曲线。

(5)入射光强-负载特性测试

实验原理框图如图14.16所示。

图14.16 入射光强-负载特性测试实验原理框图

①按图连接线路，光照度取50Lx，将电压表选择2V档，电流表选择200μA档。

②分别测出负载电阻R为下表所示值时的电流和电压。

③作出50Lx光照度下光电池的光生电流、光生电压随负载变化的曲线。

④光照度取100Lx、200Lx、300Lx，重复上述步骤。

作出100Lx、200Lx、300Lx、50Lx光照度下光生电流、光生电压负载变化的曲线，比较四条曲线的不同，并加以分析。

【思考题】

(1)引起照度测量的误差因素有哪几种?

(2)简述光伏探测器的工作原理。

(3)简述光电二极管的结构与工作原理。

【注意事项】

(1)实验过程中要合理地选用各个测量表头的量程，防止超出量程而损坏仪器。

(2)实验过程中，连线完毕须经过教师检查后才能接通电源，以防止仪器短路而烧毁。