光敏器件动态参数的研究.pdf

光敏器件动态参数的研究 硅光电二极管 SiD 及硫化镉光敏电阻 CdS 是常用的两种光敏器件，在大学物理 实验中都可以见到这两种器件的应用，也有对这两种器件特性进行测量的物理实验， 但一般只是进行静态参数测量，不涉及对器件的动态参数即时间响应的测量。但在某 些应用中需要对迅速变化的光强（比如光电门）进行测量，如何正确选择光敏器件以 及正确配置测量电路的参数就变得非常重要了，其中涉及到多种因素，一般要通过实 验来确定。因此我们设计了测量光敏器件时间响应的实验，可以作为学生研究性实验 的课题。 【实验目的】 1．学习对器件动态参数的测量； 2．了解不同光电探测器的时间响应； 3．学习利用 Lebview 进行动态测量以及相关的数据处理。 【实验原理】 1．硅光电二极管和硫化镉光敏电阻[1] 硅光电二极管 SiD 是结型光敏器件，光电效应发生在结区内。在测量光强时可以 工作在两种模式下：一种是光伏模式，其特点是器件两端偏置电压为零，在光照条件 下产生电压。在保持偏置电压为零的条件下，输出的光电流与入射光强成正比。另一 种是光电导模式，在器件两端施加反向偏置电压，在光照为零时其电阻近似无穷大， 在光照条件下其电阻减小，负载 RL 上的电压降与入射光强成正比，即由于 RL 上压降 引起的偏置电压的变化并不影响线性，但会影响到结电容。因为其工作在反向偏压条 件下，PN 结中的耗尽层增宽，结电容变小，因此有更快的响应时间。 为了能取得更好的性能，在结构上还可采用 PIN 的形式，这里 I 是指未掺杂的本 征半导体层，其形成了耗尽层，它有较大的耗尽层宽度，因此结电容较小。反向偏置 时有更快的时间响应。 对于 SiD，在测量快变化的光信号时毫无例外地都是采用光电导的工作模式。在 这种模式下 SiD 信号的上升及下降时间与电路的时间常数 RC 有很大的关系，这里 R 是二极管的串联电阻 RS 与负载电阻 RL 之和，C 是结电容与杂散电容之和。因为响应 时间和具体的器件及电路参数有关，所以响应时间都要通过实验确定。 硫化镉光敏电阻 CdS 是单一材料构成的半导体光敏器件，入射的光子能量用来激 发价带上的电子跃到导带上，因此入射光增加了附加的自由电子，从而降低了器件的 电阻。它常被用在测量精度要求不高的场合。但因为价格便宜，坚固耐用，灵敏度高。 所以很多地方都可见到它的应用。 当入射光瞬时照到 CdS 上时，其响应有一定的延迟，在设计涉及光强变化的测量 时这是一个重要的考虑因素。影响 CdS 的时间响应的因素很多，入射光强度、照射的 历史、温度等都会影响响应时间。而且上升时间和下降时间并不相同,甚至差异很大。 通常 CdS 的响应时间要比 SiD 大很多，一般在 ms 数量级。与 SiD 另一个明显不同的 是响应时间对负载电阻的变化不敏感，利用这一特点，可以接入高阻值的负载电阻从 而获得高的探测灵敏度而并不明显降低响应时间。 【实验仪器】 1．光电器件： SiD 的大小一种是 3×3 mm2，另一种为 10×10 mm2。CdS 大小一种是Φ8 mm，另一 种是Φ12 mm。 2．信号源、USB 数据采集卡、光源 3．其它 串联电阻 R1 = 50 Ω； 负载电阻 R2 = 100 Ω（2 个）、200 Ω（2 个）、1 kΩ（2 个）、2 kΩ（2 个） 大负载电阻 R2 = 10 kΩ（2 个）、20 kΩ（2 个）、50 kΩ（1 个） 快恢复二极管 【实验内容】 图一：实验