红外物理特性及其应用

【实验目的】

测量红外发射二极管的伏安特性与输出特性。
测量红外发射二极管的角度特性。
测量红外接收光电二极管的伏安特性。

【实验原理】

1.发光二极管

红外通信常常选用半导体激光器或发光二极管，本实验采用发光二极管。

发光二极管是由P型和N型半导体构成的二极管。P型半导体中有许多空穴，几乎没有自由电子；N型半导体中有相当多的自由电子，几乎没有空穴。当两种半导体结合形成PN结时，N区的电子（带负电）向P区扩散，P区的空穴（带正电）向N区扩散，在PN结附近形成反向扩散电流，导致空间电荷区的出现。扩散运动使得扩散的方向的电荷减少，扩散运动逐渐停止。由于PN结形成后N区有少量空穴，P区有少量电子存在，因此形成了内电场（见图2）阻碍反向扩散电流继续流动。若在PN结加正向电压，即电池正极接P区，负极接N区，N区电子将流向P区。由于N区的电子和P区的空穴的复合使得PN结的空间电荷区减小，内电场减弱，空间电荷区减小到某个临界值时，内电场消失，使得P区和N区的电子与空穴相结合。当N区的电子（自由电子）到达P区与空穴复合时，释放出多余的能量，形成光子即红外光。上述过程即为光电发射。

该光电发射现象是利用带电荷粒子的复合发光，在空间电荷区内，P区的空穴数目和N区的电子数目完全相同，因此发光二极管发出的光强度与通过的电流成正比。当PN结两端电压加反向电压时，电子的移动方向相反，光电发射停止。

在使用发光二极管时，我们通过给PN结施加正向电压，使P区的空穴与N区的电子相结合，从而产生光子发射。当给PN结施加反向电压时，电子与空穴的分离使得光子发射停止。在本实验中，通过调整加在发光二极管上的电压，可以控制其发光强度。一般来说，随着正向电压的增加，发光强度也会增加，但也有一个临界值，当达到这个临界值后，继续增加电压可能会导致发光二极管的损坏。

光电二极管的基本原理和发光二极管类似，主要区别在于它们的功能和应用。光电二极管主要用于检测光信号，而发光二极管主要用于发射光信号。在不同的应用场合中，我们需要根据具体的要求选择合适的器件。

发光二极管的发射强度随发射方向而异，方向的特性图图5，图5的发射强度是以最大值为基准，当方向角度为零时，其发射强度定义为100%。当方向角度增大时，其放射强度相对减少，发射强度如此推求为方向角度一半时，其值即为峰值的一半，此角度称为方向半值角。此角度越小，即代表元件之指向性越显著。

一般使用红外发光二极管均附有透镜，使其指向性更为显著。图图5（a）的曲线就是附有透镜的情況，方向半值角大约在17°。另外每一种不同型号的红外发光二极管其侧射角度亦有所不同，图5（b）所示之曲线为另一种型号之元件，方向半值角大约在50°。

2.光电二极管

红外通信接收端由光电二极管完成光电转换。光电二极管是工作在无偏压或反向偏置状态下的PN结，反向偏压电场方向与分布电场方向一致，使结区变宽，无光照时只有很小的暗电流。当PN结受光照射时，电导子吸收光能后将能带内的束缚态成为自由电子，在结区产生电子—空穴对，在电场作用下，可向N区运动，空穴向P区运动，形成光电电流。

红外通信前由PIN型光电二极管作光电转换。它与普通光电二极管的区别在于在P型和N型半导体之间设有一层没有参入掺质的本征半导体材料。称为I层，这样的结构使结区更宽，结电容更小，可以提高光电二极管的光电转换效率和响应速度。

光电二极管的输出主要是前反向光电流。无源可控硅的光控特性，它由内部的反向偏置场形成的反向光电流与PN结外加电压形成的反向电压方向相同的一定作用，这足以对反向电流提供偏区变宽，由电场增加。光生激活了的载流子将成为大部分载流子。当反向电流进一步增加，光生载流子将成为大部分载流子。光电流迅速上升时，光电流收敛了大部分光子率。在适当的反向偏置下，电极下，得到了与被动光电池电池上短路时的线性关系。

图7是光电转换电路，光电二极管接在品体管基极，集电极电流与基极电流之间有固定的放大关系，基极电流与入射光功率成正比，则流过R的电流与R两端的电压也与光功率成正比。

【实验仪器】

实验系统由红外发射装置、红外接收装置、测试平台(轨道)以及测试镜片组成。红外发射装置产生的各种信号，通过发射管发射出去。发出的信号通过空气传输或者经过测试镜片后，由接收管将信号传送到红外接收装置。测试镜架的“A”处，可以安装不同的材料，以研究这些材料的红外物理特性。

【实验内容与步骤】

1.发光二极管的伏安特性与输出特性测量

将红外发射器连接到发射装置的“发射管”接口，接收器连接到接收装置的“接收管”接口(在所有的实验进行中，都不取下发射管和接收管)，通电。

将红外发射器与接收器相对放置，连接“电压源输出”到发射模块“信号输入2”，将发射端设置为“电压源”模式，并将电压设置为5V，微调接收端受光方向，使显示值最大。将发射系统显示窗口设置为“发射电流”，接收系统显示窗口设置为“光功率计”。调节电压源,改变发射管电流,记录发射电流与接收器接收到的光功率(与发射光功率成正比)。将发射系统显示窗口切换倒“正向偏压”，记录与发射电流对应的发射管两端电压。

改变发射电流，将数据记录于表2中。

注:仪器实际显示值可能无法精确的调节到表2中设定值，应按实际调节的发射电流数值为准

表1 发光二极管伏安特性与输出特性测量

正向偏压（V）	0	1.15	1.19	1.21	1.23	1.25	1.27	1.29	1.31	1.32
发射管电流（mA）	0	5	10	15	20	25	30	35	40	45
光功率（mW）	0	2.85	6.88	10.55	13.12	13.34	13.46	13.51	13.52	13.52

2.光电二极管伏安特性的测量

连线方式同实验1。

调节发射装置的电压源，使光电二极管接收到的光功率分别如表3第1列所示。

设置接收显示为“反向偏压”，调节接收模块的“反向偏压调节”旋钮使反向偏压至设定值(无法准确设置至表中所取的整数值，可取一相近值即可)，切换显示状态至“光电流”，测量与反向偏置电压对应的光电流，记录于表3中。改变反向偏压，重复上述测量。

在不同输入光功率时，重复上述测量。 表2 光电二极管伏安特性的测量

反向偏置电压（V）		0	1.00	2.00	3.00	4.00	5.00
P=0	光电流（μA）	0.08	0.10	0.12	0.14	0.16	0.18
P=1.00mW	光电流（μA）	2.53	2.68	2.70	2.80	2.85	2.88
P=2.00mW	光电流（μA）	5.78	6.01	6.13	6.20	6.28	6.31

以表2数据，作光电二极管的伏安特性曲线。讨论所作曲线与图6所描述的规律是否符合。

3.发光管的角度特性测量

将红外发射器与接收器相对放置，固定接收器。将发射系统显示窗口设置为“电压源”，将接收系统显示窗口设置为“光功率计”。连接“电压源输出”到发射模块“信号输入 2”，微调接收端受光方问，使显示值最大。增大电压源输出，使接收的光功率大于4mW。

以最大接收光功率点为0°，记录此时的光功率，以顺时针方向(作为正角度方向)每隔3°(也可以根据需要调整角度间隔)记录一次光功率，填入表4中。再以逆时针方向(作为负角度方向)每隔2°记录一次光功率，填入表4中。 表3 红外发光二极管角度特性的测量

转动角度	-10°	-8°	-6°	-4°	-2°	0°	2°	4°	6°	8°	10°
光功率（mW）	1.89	2.80	3.11	5.11	5.32	4.08	2.48	0.93	0.61	0.44	0.22

根据表4中的数据，以角度为横坐标，光强为纵坐标，作红外发光二极管发射光强和角度之间的关系曲线，并得出方向半值角(光强超过最大光强60%以上的角度)。