光電探測器直流特性測試

一、實驗目的
了解光電探測器直流參數(shù)與光波長的關(guān)系。
 
二、實驗內(nèi)容
    測試PIN光電探測的暗電流與光譜響應曲線。
 
三、實驗儀器
1、Si光電探測器                                                          1只
2、鹵素燈光源                                                            1臺
3、萬用表                                                                2臺
4、單色儀                                                                1臺
 
四、實驗原理
量子效率和暗電流是PIN光探測器性能的重要參數(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。但是量子效率無法直接測量，一般是通過測量響應度R來描述的。
光譜響應是光探測器對單色入射光輻射的響應能力。電壓光譜響應度RV(λ)定義為在波長為λ的單位入射輻射功率的照度下，光電探測器輸出的信號電壓，用公式表示為：

而光電探測器在波長為λ的單位入射輻射功率的照度下，光電探測器輸出的信號電流叫做光電探測器的電流光譜響應度，用公式表示為：

式中，P(λ)是波長為λ時的入射光功率，V(λ)是光電探測器在入射光功率P(λ)作用下的輸出信號電壓。I(λ)為輸出信號電流。為簡單起見，電流光譜響應特性和電壓光譜響應特性都簡稱為光電探測器的光譜響應特性。顯然，由于兩者具有不同的量綱，在具體計算時應該區(qū)別對待。
 
 
圖1 光譜響應曲線
 
通常，測量光電探測器的光譜響應多用單色儀對輻射源的輻射功率進行分光得到不同波長的單色輻射，然后測量在各種波長輻照下，探測器輸出的電信號。然而，由于實際光源的輻射功率是波長的函數(shù)，因此在測量時應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，e為電子電荷量，h為普朗克常數(shù)，響應度R定義為單位入射光功率作用到探測器后，在外電路產(chǎn)生的電流IP與入射光功率P的比值。

不同材料半導體探測器，對不同波長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，不同波長的恒定功率入射光，可能產(chǎn)生不同的響應度。波長與響應度的關(guān)系，即為光譜響應特性曲線，定義該曲線相應于峰值的10％處對應兩個波長之間的間隔為光譜響應范圍。
光探測器的暗電流為無光照入射時由光探測器自身熱噪聲所引起的光電流，記為Id。
五、實驗步驟
本實驗測試PIN光電探測器的暗電流與光譜響應曲線。實驗測試系統(tǒng)框圖如下圖：
 
 
                                                                   +
 
 
 
                                                                   -
 
圖2  光電探測器光譜特性測試框圖
 
注意：上圖所示是給探測器加上反向偏置電壓的測試框圖，探測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)品光電探測原理實驗箱上獲得，學校也可以自己配置。另外，本實驗使用的光伏型探測器具有高靈敏度，低暗電流的特點，實驗可以不加反向偏置電壓。
1、開啟直流電源，給PIN光電探測器加-5V的電壓，記錄電流表的讀數(shù)，即為光電探測器的暗電流。
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管對準單色儀的輸出狹縫，記錄此時PIN的光電流IP。轉(zhuǎn)動單色儀的鼓輪，改變單色儀的輸出波長λ，每隔一定的波長記錄相對應檢測到的光電流IP(λ)，直至光電流降為零。
 

入射光波長λ/μm	光電流IP(λ)/mA

表格 1 光譜響應測試數(shù)據(jù)
3、繪制波長-電流（I-λ）曲線。說明：實際的光譜響應曲線是R-λ曲線，而，P為光功率。由于光功率P值很小，要測量該值對設(shè)備要求很高，本實驗不能對光功率進行測量，所以本實驗只要求測量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器靈敏度？
2、暗電流對于測試結(jié)果有何影響？