光電探測(cè)器直流特性測(cè)試

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br /> 了解光電探測(cè)器直流參數(shù)與光波長(zhǎng)的關(guān)系。
 
二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
    測(cè)試PIN光電探測(cè)的暗電流與光譜響應(yīng)曲線。
 
三、實(shí)驗(yàn)儀器
1、Si光電探測(cè)器                                                          1只
2、鹵素?zé)艄庠?nbsp;                                                           1臺(tái)
3、萬(wàn)用表                                                                2臺(tái)
4、單色儀                                                                1臺(tái)
 
四、實(shí)驗(yàn)原理
量子效率和暗電流是PIN光探測(cè)器性能的重要參數(shù)。
量子效率η的定義為在入射光的作用下，PIN管產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)與入射光子數(shù)的比值。它與材料的吸收系數(shù)α和吸收層的厚度有關(guān)。Α越大，吸收層越厚則η就越高。但是量子效率無(wú)法直接測(cè)量，一般是通過(guò)測(cè)量響應(yīng)度R來(lái)描述的。
光譜響應(yīng)是光探測(cè)器對(duì)單色入射光輻射的響應(yīng)能力。電壓光譜響應(yīng)度RV(λ)定義為在波長(zhǎng)為λ的單位入射輻射功率的照度下，光電探測(cè)器輸出的信號(hào)電壓，用公式表示為：

而光電探測(cè)器在波長(zhǎng)為λ的單位入射輻射功率的照度下，光電探測(cè)器輸出的信號(hào)電流叫做光電探測(cè)器的電流光譜響應(yīng)度，用公式表示為：

式中，P(λ)是波長(zhǎng)為λ時(shí)的入射光功率，V(λ)是光電探測(cè)器在入射光功率P(λ)作用下的輸出信號(hào)電壓。I(λ)為輸出信號(hào)電流。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，電流光譜響應(yīng)特性和電壓光譜響應(yīng)特性都簡(jiǎn)稱(chēng)為光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)特性。顯然，由于兩者具有不同的量綱，在具體計(jì)算時(shí)應(yīng)該區(qū)別對(duì)待。
 
 
圖1 光譜響應(yīng)曲線
 
通常，測(cè)量光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)多用單色儀對(duì)輻射源的輻射功率進(jìn)行分光得到不同波長(zhǎng)的單色輻射，然后測(cè)量在各種波長(zhǎng)輻照下，探測(cè)器輸出的電信號(hào)。然而，由于實(shí)際光源的輻射功率是波長(zhǎng)的函數(shù)，因此在測(cè)量時(shí)應(yīng)該確定單色輻射功率P(λ)。

式中，C為真空中的光速，λ為入射光波長(zhǎng)，e為電子電荷量，h為普朗克常數(shù)，響應(yīng)度R定義為單位入射光功率作用到探測(cè)器后，在外電路產(chǎn)生的電流IP與入射光功率P的比值。

不同材料半導(dǎo)體探測(cè)器，對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光有不同的吸收系數(shù)，從而在規(guī)定的反向偏壓下，不同波長(zhǎng)的恒定功率入射光，可能產(chǎn)生不同的響應(yīng)度。波長(zhǎng)與響應(yīng)度的關(guān)系，即為光譜響應(yīng)特性曲線，定義該曲線相應(yīng)于峰值的10％處對(duì)應(yīng)兩個(gè)波長(zhǎng)之間的間隔為光譜響應(yīng)范圍。
光探測(cè)器的暗電流為無(wú)光照入射時(shí)由光探測(cè)器自身熱噪聲所引起的光電流，記為Id。
五、實(shí)驗(yàn)步驟
本實(shí)驗(yàn)測(cè)試PIN光電探測(cè)器的暗電流與光譜響應(yīng)曲線。實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)框圖如下圖：
 
 
                                                                   +
 
 
 
                                                                   -
 
圖2  光電探測(cè)器光譜特性測(cè)試框圖
 
注意：上圖所示是給探測(cè)器加上反向偏置電壓的測(cè)試框圖，探測(cè)器加上反向偏置電壓后可以提高靈敏度和信噪比，該反向偏置電壓和電流表、限流電阻可以從配套產(chǎn)品光電探測(cè)原理實(shí)驗(yàn)箱上獲得，學(xué)校也可以自己配置。另外，本實(shí)驗(yàn)使用的光伏型探測(cè)器具有高靈敏度，低暗電流的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)可以不加反向偏置電壓。
1、開(kāi)啟直流電源，給PIN光電探測(cè)器加-5V的電壓，記錄電流表的讀數(shù)，即為光電探測(cè)器的暗電流。
2、調(diào)節(jié)儀器的位置，使得單色儀的輸出功率。調(diào)節(jié)單色儀的輸入、輸出狹縫至0.04mm。將PIN管對(duì)準(zhǔn)單色儀的輸出狹縫，記錄此時(shí)PIN的光電流IP。轉(zhuǎn)動(dòng)單色儀的鼓輪，改變單色儀的輸出波長(zhǎng)λ，每隔一定的波長(zhǎng)記錄相對(duì)應(yīng)檢測(cè)到的光電流IP(λ)，直至光電流降為零。
 

入射光波長(zhǎng)λ/μm	光電流IP(λ)/mA

表格 1 光譜響應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)
3、繪制波長(zhǎng)-電流（I-λ）曲線。說(shuō)明：實(shí)際的光譜響應(yīng)曲線是R-λ曲線，而，P為光功率。由于光功率P值很小，要測(cè)量該值對(duì)設(shè)備要求很高，本實(shí)驗(yàn)不能對(duì)光功率進(jìn)行測(cè)量，所以本實(shí)驗(yàn)只要求測(cè)量I-λ曲線。
 
六、思考題
1、加反向偏置電壓為什么可以提高探測(cè)器靈敏度？
2、暗電流對(duì)于測(cè)試結(jié)果有何影響？