光电探测器直流特性测试

一、实验目的
了解光电探测器直流参数与光波长的关系。
 
二、实验内容
    测试PIN光电探测的暗电流与光谱响应曲线。
 
三、实验仪器
1、Si光电探测器                                                          1只
2、卤素灯光源                                                            1台
3、万用表                                                                2台
4、单色仪                                                                1台
 
四、实验原理
量子效率和暗电流是PIN光探测器性能的重要参数。
量子效率η的定义为在入射光的作用下，PIN管产生的电子－空穴对与入射光子数的比值。它与材料的吸收系数α和吸收层的厚度有关。Α越大，吸收层越厚则η就越高。但是量子效率无法直接测量，一般是通过测量响应度R来描述的。
光谱响应是光探测器对单色入射光辐射的响应能力。电压光谱响应度RV(λ)定义为在波长为λ的单位入射辐射功率的照度下，光电探测器输出的信号电压，用公式表示为：

而光电探测器在波长为λ的单位入射辐射功率的照度下，光电探测器输出的信号电流叫做光电探测器的电流光谱响应度，用公式表示为：

式中，P(λ)是波长为λ时的入射光功率，V(λ)是光电探测器在入射光功率P(λ)作用下的输出信号电压。I(λ)为输出信号电流。为简单起见，电流光谱响应特性和电压光谱响应特性都简称为光电探测器的光谱响应特性。显然，由于两者具有不同的量纲，在具体计算时应该区别对待。
 
 
图1 光谱响应曲线
 
通常，测量光电探测器的光谱响应多用单色仪对辐射源的辐射功率进行分光得到不同波长的单色辐射，然后测量在各种波长辐照下，探测器输出的电信号。然而，由于实际光源的辐射功率是波长的函数，因此在测量时应该确定单色辐射功率P(λ)。

式中，C为真空中的光速，λ为入射光波长，e为电子电荷量，h为普朗克常数，响应度R定义为单位入射光功率作用到探测器后，在外电路产生的电流IP与入射光功率P的比值。

不同材料半导体探测器，对不同波长的入射光有不同的吸收系数，从而在规定的反向偏压下，不同波长的恒定功率入射光，可能产生不同的响应度。波长与响应度的关系，即为光谱响应特性曲线，定义该曲线相应于峰值的10％处对应两个波长之间的间隔为光谱响应范围。
光探测器的暗电流为无光照入射时由光探测器自身热噪声所引起的光电流，记为Id。
五、实验步骤
本实验测试PIN光电探测器的暗电流与光谱响应曲线。实验测试系统框图如下图：
 
 
                                                                   +
 
 
 
                                                                   -
 
图2  光电探测器光谱特性测试框图
 
注意：上图所示是给探测器加上反向偏置电压的测试框图，探测器加上反向偏置电压后可以提高灵敏度和信噪比，该反向偏置电压和电流表、限流电阻可以从配套产品光电探测原理实验箱上获得，学校也可以自己配置。另外，本实验使用的光伏型探测器具有高灵敏度，低暗电流的特点，实验可以不加反向偏置电压。
1、开启直流电源，给PIN光电探测器加-5V的电压，记录电流表的读数，即为光电探测器的暗电流。
2、调节仪器的位置，使得单色仪的输出功率。调节单色仪的输入、输出狭缝至0.04mm。将PIN管对准单色仪的输出狭缝，记录此时PIN的光电流IP。转动单色仪的鼓轮，改变单色仪的输出波长λ，每隔一定的波长记录相对应检测到的光电流IP(λ)，直至光电流降为零。
 

入射光波长λ/μm	光电流IP(λ)/mA

表格 1 光谱响应测试数据
3、绘制波长-电流（I-λ）曲线。说明：实际的光谱响应曲线是R-λ曲线，而，P为光功率。由于光功率P值很小，要测量该值对设备要求很高，本实验不能对光功率进行测量，所以本实验只要求测量I-λ曲线。
 
六、思考题
1、加反向偏置电压为什么可以提高探测器灵敏度？
2、暗电流对于测试结果有何影响？