光电探测器响应时间的测试

光电探测器主要功能是把光信号转换为电信号，并能将电信号输入示波器进行动态显示和记录。然而，光电探测器输出的电信号都要在时间上落后于作用在其上的光信号，即光电探测器的输出相对于输入的光信号要发生沿时间轴的扩展。扩展的程序可由响应时间来描述。光电探测器的这种响应落后于作用信号的特性称为惰性。由于惰性的存在，会使先后作用的信号在输出端相互交叠，从而降低了信号的调制度。如果探测器观测的是随时间快速变化的物理量，则由于惰性的影响会造成输出严重畸变。因此，深入了解探测器的时间响应特性是十分必要的。

一、实验目的

(1) 了解光电探测器的响应度不仅与信号光的波长有关，而且与信号光的调制频率有关。

(2) 熟悉测量光电探测器响应时间的方法。

二、主要实验仪器

光电探测器时间常数测试实验箱、双踪示波器、毫伏表、光电探测器等。

在光电探测器时间常数测试实验箱中，提供了需要测试的两个光电器件:峰值波长为900nm的光电二极管和可见光波段的光敏电阻。所需要的光源分别由峰值波长为900nm的红外发光管和可见光(红) 发光管来提供。光电二极管的偏压与负载都是可调的，偏压分5V、10V、15V三档，负载分100Ω、1kΩ、10kΩ、50kΩ、100kΩ五档。根据需要，光源的驱动电源有脉冲和正弦波两种，并且频率可调。

三、实验原理

响应落后于作用信号的现象称为弛豫。对于信号开始作用时的弛豫称为上升弛豫或起始弛豫，信号停止作用时的弛豫称为衰减弛豫。弛豫时间的具体定义如下。

1． 用阶跃信号作用于器件

起始弛豫定义为探测器的响应从零上升为稳定值的(1－1/e)(即63%) 时所需的时间;衰减弛豫定义为信号撤去后，探测器的响应下降到稳定值的1/e(即37%) 所需要的时间。这类探测器有光电池、光敏电阻及热电探测器等。另一种定义弛豫时间的方法是:起始弛豫为响应值从稳态值的10%上升到90%所用的时间;衰减弛豫为响应从稳态值的90%下降到10%所用的时间。这种定义多用于响应速度很快的器件，如光电二极管、雪崩光电二极管和光电倍增管等。

若光电探测器在单位阶跃信号作用下的起始阶跃响应函数为1－exp(1－t/τ1[ )]，衰减响应函数为exp(－t/τ2)，则根据第一种定义，起始弛豫时间为τ1，衰减弛豫时间为τ2。

2． 用冲激信号作用于器件

用响应函数的半值宽度来表示时间特性。为了得到具有单位冲激函数形式的信号光源，即δ函数光源，可以采用脉冲式发光二极管、锁模激光器以及火花源等光源来近似。

在通常测试中，更方便的是采用亮度时间特性具有单位阶跃函数形式的光源。从而得到单位阶跃响应函数，进而确定响应时间。本实验利用的是探测器的单位阶跃响应来测量响应时间。

四、实验内容

(1) 按图24-1接线，将本实验箱面板上“偏压”档和“负载”档分别选通一组。

图24-1 光电探测器响应时间测试装置图

(2) 将“波形选择”形状拨至脉冲档，“探测器选择”开关拨至光电二极管档，其频率可通过频率调节旋钮来调节。

(3) 示波器的触发源选择外触发，调节示波器的扫描时间和触发同步，此时“输入波形”处(信号发生器直接输出) 应观测到方波，“输出波形”处可观测光电二极管的单位阶跃响应波形。

(4) 选定负载为10kΩ，改变其偏压。观察并记录在零偏(不选偏压即可) 及不同反偏下光电二极管的响应时间，并填入表24－1中。上升响应时间的测试步骤如下。

a． 将信号加到CH1输入插座，置垂直方式于CH1。用V/div和微调旋钮将波形峰值调到6div。

b． 用上下位移旋钮和其他旋钮调节波形，使其显示在屏幕垂直中心。将t/div开关调到尽可能快的档位，能同时观测10%和90%的两个点。将微调置于校准档。

c． 用左右位移旋钮调节10%点，使之与垂直刻度线重合，测量波形上10%和90%点之间的距离(div)。将该值乘以t/div，如果用“×10扩展”方式，再乘以1/10。

使用公式:上升响应时间tr=水平距离(div) ×t/div档位ד×10扩展”的倒数(1/10)

(5) 在反向偏压为15V时，改变探测器的偏置电阻，测量探测器在不同偏置电阻时的响应时间，记录并填入表24－2中。

五、数据处理

(1) 光电二极管的响应时间与偏置电压的关系。

表24-1 光电二极管的响应时间与偏置电压的关系

(2) 光电二极管的响应时间与负载电阻的关系。

表24-2 光电二极管的响应时间与负载电阻的关系

(3) 依据表24－1和表24－2实验数据计算一定条件下光电二极管响应时间，并解释光电二极管的响应时间与负载电阻和偏置电压的关系。