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測量光電二極管的暗電流

2021-09-22 18:00:5238

       光電二極管又稱光敏二極管。制造一般光電二極管的材料幾乎全部選用硅或鍺的單晶材料。由于硅器件較鍺器件暗電流、溫度系數(shù)都小得多,加之制作硅器件采用的平面工藝使其管芯結(jié)構(gòu)很容易精確控制,因此,硅光電二極管得到了廣泛應(yīng)用。

測量光電二極管的暗電流

測量光電二極管的暗電流,必須在一個不透光的密閉容器中進(jìn)行,所以作者選擇了熱電致冷器件作為控溫器件,它具有體積小、效率高等優(yōu)點。要獲得光電二極管暗電流的溫度特性參數(shù),必須在一個溫度范圍內(nèi)每隔$t℃進(jìn)行恒溫控制來測量暗電流。又因為光電二極管暗電流非常小,在10-13~10-12A量級,所以設(shè)計關(guān)鍵有兩點:

1、恒溫控制;

2、微電流測量。

  本設(shè)計用熱電致冷器件、溫度探測器和一個反饋放大電路構(gòu)成恒溫控制系統(tǒng),并設(shè)計了一個微電流計來精確測量暗電流。

溫度控制系統(tǒng)

  該系統(tǒng)的一個重要器件是帕爾貼(PelTIer)器件,又稱半導(dǎo)體熱電致冷器件,它的原理是帕爾貼效應(yīng):當(dāng)電流通過兩種不同半導(dǎo)體的結(jié)時,該結(jié)致冷還是發(fā)熱取決于電流的方向,放熱或吸熱率正比于電流的大小,并取決于結(jié)溫。實際的熱電致冷器件是由多對熱電對在電氣上串聯(lián),在熱傳導(dǎo)上并聯(lián)組成的。熱電對由鉍碲化合物

  摻雜形成的P型和N型半導(dǎo)體構(gòu)成,它們和銅片相連,銅片則與電氣絕緣而導(dǎo)熱良好的瓷板相連接。給器件通以極性的直流電,即可給物體致冷,改變所加直流電極性即可變致冷為加熱。單層熱電器件兩端的溫差最大可達(dá)70℃,串聯(lián)(多層器件)使用可提高溫差,并聯(lián)使用則可增加其泵熱能力。

  將帕爾貼器件置于恒溫金屬塊和散熱器之間,待測光電二極管緊貼恒溫塊表面,各導(dǎo)熱面之間均涂以導(dǎo)熱油。

作為溫度探測器的LM35具有線性好、工作范圍大(-55~+150℃)、工作電流小(《60LA)等優(yōu)點,并且可在4~20V下工作,自身產(chǎn)生的熱量非常小,輸出阻抗也很小。測試中將LM35裝在金屬塊的一個孔中,以監(jiān)視溫度.LM35輸出一個與攝氏溫度成正比的電壓(10mV/℃),送入一大功率運算放大器OPA541的輸入端,此運算放大器被接成比例式放大器。運放輸出直接接帕爾貼器件,輸出電流的大小和電壓的極性由電位器調(diào)節(jié)控制,即調(diào)節(jié)電位器就可以得到不同的恒溫溫度,當(dāng)環(huán)境溫度改變時,運放的負(fù)反饋會自動調(diào)節(jié)輸出電流以維持金屬塊和光電二極管的溫度恒定。

 

 

微電流計的設(shè)計

  測量光電二極管暗電流的微電流計主要由運放TL061、5G7650和A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107構(gòu)成.TL061為高輸入阻抗、低功耗的運算放大器,2與6腳之間的系列電阻均為阻值誤差小于+0.1%、溫度系數(shù)小于+50&TImes;10-6/℃的精密電阻,K為量程選擇開關(guān),組成I/V變換器。光電二極管的暗電流由Im端輸入,由TL061的6腳輸出電壓信號。設(shè)輸入電流為I,則輸出電壓為

  U=I&TImes;R,

  運放5G7650使前級輸出的電壓信號進(jìn)一步放大,其放大倍數(shù)為

  KU=1+R2/R1.

  其中R1、R2、R3要選擇阻值較大的精密電阻。經(jīng)兩級放大后的電壓信號送到顯示電路,顯示電路的核心是一片31/2位的A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107,ICL7107采用雙列直插封裝,有40個引出端.2~20腳、22~25腳為字段驅(qū)動端。其中2~8腳是個位字段驅(qū)動端,9~14腳和25腳為十位字段驅(qū)動端,15~18腳和22~24腳為百位字段驅(qū)動端,19~20腳為千位字段驅(qū)動端。此數(shù)字面板表最大計數(shù)值為1999,當(dāng)超過此數(shù)值時,面板僅千位顯示“1”,其余各位消隱,表示過載。該面板表量程為0~22mV,故分辨率為100LV.由此可算出該微電流計的電流最小分辨率為(取中間級放大倍數(shù)KU=10):

  I=(100LV/10)/100m8=10-13A=0.1pA,

  此分辨率足以對光電二極管暗電流進(jìn)行測量。

  溫度顯示電路與上面一樣也采用一片ICL7107,將LM35電壓輸出端的引線接入ICL7107的3腳,30腳與電源地相連即可。量程選擇0~2V,而LM35溫度每升高1℃輸出電壓增加10mV,且0℃時輸出電壓為0,故該表可顯示的溫度范圍為0~200℃,滿足測試要求

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