空气比热容比的测定-西安电子科技大学理学院eauw.docx

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1、实验一 空气气比热容容比的测测定气体的定定压比热热容与定定容比热热容之比比称为气气体的绝绝热指数数，它是是一个重重要的热热力学常常数，在在热力学学方程中中经常用用到，本本实验用用新型扩扩散硅压压力传感感器测空空气的压压强，用用电流型型集成温温度传感感器测空空气的温温度变化化，从而而得到空空气的绝绝热指数数；要求求观察热热力学现现象，掌掌握测量量空气绝绝热指数数的一种种方法，并并了解压压力传感感器和电电流型集集成温度度传感器器的使用用方法及及特性。【实验目目的】1用绝绝热膨胀胀法测定定空气的的比热容容比。2观测测热力学学过程中中状态变变化及基基本物理理规律。3了解解压力传传感器和和电流型型集成温

2、温度传感感器的使使用方法法及特性性。【实验仪仪器】1、FDD-NCCD型空空气比热热容比测测定仪本实验采采用的FFD-NNCD型型空气比比热容比比测定仪仪由扩散散硅压力力传感器器、ADD5900集成温温度传感感器、电电源、容容积为110000ml左左右玻璃璃瓶、打打气球及及导线等等组成。如如图1、图图2所示示。图1 FD-NCD空气比热容比测定仪1.充气阀B2.扩散硅压力传感器3.放气阀A 4.瓶塞5.AD590集成温度传感器6.电源 7. 贮气玻璃瓶8.打气球图2 测定仪电源面板示意图绝热膨胀1.压力传感器接线端口2.调零电位器旋钮 3.温度传感器接线插孔 4.四位半数字电压表面 板（对应温

3、度） 5.三位半数字电压表面板（对应压强）2ADD5900集成温温度传感感器AD5990是一一种新型型的半导导体温度度传感器器，测温温范围为为-500C1500C。当当施加4V30VV的激励励电压时时，这种种传感器器起恒流流源的作作用，其其输出电电流与传传感器所所处的温温度成线线性关系系。如用用摄氏度度t表示温温度,则则输出电电流为 （11）=1A/C，对于I,其值从从27332778AA略有差差异。本本实验所所用ADD5900也是如如此。AD5590输输出的电电流I可以在在远距离离处通过过一个适适当阻值值的电阻阻R，转化化为电压压U，由公公式IU/R算出输输出的电电流，从从而算出出温度值值。

4、如图图3。若串串接5KK电阻阻后，可可产生55C的的信号电电压，接接022V量程程四位半半数字电电压表, 最小小可检测测到0.02C温度度变化。3扩散散硅压力力传感器器图3 AD590电路简图扩散硅压压力传感感器是把把压强转转化为电电信号，最最终由同同轴电缆缆线输出出信号，与与仪器内内的放大大器及三三位半数数字电压压表相接接。它显显示的是是容器内内的气体体压强大大于容器器外环境境大气压压的压强强差值。当待测气体压强为P0+10.00KPa时，数字电压表显示为200mV，仪器测量气体压强灵敏度为20mV/KPa，测量精度为5Pa。可得测量公式：P1=PP0+U/20000 (2)其中电压压U的单

5、位位为mVV，压强强P1、P0的单位位为1005Pa4、气压压计该气压计计用来观观测环境境气压。5、水银银温度计计【实验原原理】理想气体体的压强强P、体积积V和温度度T在准静静态绝热热过程中中，遵守守绝热过过程方程程：等于于恒量，其其中是气气体的定定压比热热容和定定容比热热容之比比，通常常称=为该气气体的比比热容比比（亦称称绝热指指数）。如图4所所示，我我们以贮贮气瓶内内空气（近近似为理理想气体体）作为为研究的的热学系系统，试试进行如如下实验验过程。（1）首首先打开开放气阀阀A，贮气气瓶与大大气相通通，再关关闭A，瓶内内充满与与周围空空气同温温（设为为）同压压（设为为）的气气体。（2）打打开充

6、气气阀B，用充充气球向向瓶内打打气，充充入一定定量的气气体，然然后关闭闭充气阀阀B。此时时瓶内空空气被压压缩，压压强增大大，温度度升高。等等待内部部气体温温度稳定定，即达达到与周周围温度度平衡，此此时的气气体处于于状态II（,）。（3）迅迅速打开开放气阀阀A，使瓶瓶内气体体与大气气相通，当当瓶内压压强降至至时，立立刻关闭闭放气阀阀A，将有有体积为为V的气体体喷泻出出贮气瓶瓶。由于于放气过过程较快快，瓶内内保留的的气体来来不及与与外界进进行热交交换，可可以认为为是一个个绝热膨膨胀的过过程。在在此过程程后瓶中中的气体体由状态态I（,）转变变为状态态II（,）。为贮气瓶容积，为保留在瓶中这部分气体在

7、状态I（,）时的体积。图4 实验装置简图图5 气体状态变化及P-V图（4）由由于瓶内内气体温温度低于于室温，所所以瓶内内气体慢慢慢从外外界吸热热，直至至达到室室温为止止，此时时瓶内气气体压强强也随之之增大为为。则稳稳定后的的气体状状态为IIII（,）。从状态II状态III的过程可以看作是一个等容吸热的过程。由状态IIIIII的过程如图5所示。IIII是绝热热过程，由由绝热过过程方程程得:（3）状态I和和状态IIII的的温度均均为T0，由气气体状态态方程得得（4）合并式（3）、式（4），消去V1、V2得 （55）由式（55）可以以看出，只只要测得得、就可求求得空气气的绝热热指数。【实验内内容】1

8、.打开开放气阀阀A，按图图1连接电电路，集集成温度度传感器器的正负负极请勿勿接错，电电源机箱箱后面的的开关拨拨向内。用用气压计计测定大大气压强强，用水水银温度度计测环环境室温温。开启启电源，让让电子仪仪器部件件预热220分钟钟，然后后旋转调调零电位位器旋钮钮，把用用于测量量空气压压强的三三位半数数字电压压表指示示值调到到“0”，并记记录此时时四位半半数字电电压表指指示值。2.关闭闭放气阀阀A，打开开充气阀阀B，用充充气球向向瓶内打打气，使使三位半半数字电电压表示示值升高高到1000mVV1500mV。然然后关闭闭充气阀阀B，观察察、的变化化，经历历一段时时间后，、指示值不变时，记下（，），此时

9、瓶内气体近似为状态I（,）。注：对应的温度值为T.3.迅速速打开放放气阀AA，使瓶瓶内气体体与大气气相通，由由于瓶内内气压高高于大气气压，瓶瓶内V体积的的气体将将突然喷喷出,发发出“嗤”的声音音。当瓶瓶内空气气压强降降至环境境大气压压强时（放放气声刚刚结束），立立刻关闭闭放气阀阀A，这时时瓶内气气体温度度降低，状状态变为为II。4.当瓶瓶内空气气的温度度上升至至温度TT时，且且压强稳稳定后，记记下（，）此时时瓶内气气体近似似为状态态IIII（,）。5.打开开放气阀阀A,使贮贮气瓶与与大气相相通，以以便于下下一次测测量。6.把测测得的电电压值、（以mVV为单位位）填入入如下数数据表格格，依公公式

10、（22）计算算气压值值、依（5）式计算空气的绝热指数值。7.重复复步骤224，重重复3次次测量，比比较多次次测量中中气体的的状态变变化有何何异同，并并计算。注意事项项：1.实验验中贮气气玻璃瓶瓶及各仪仪器应放放于合适适位置，最最好不要要将贮气气玻璃瓶瓶放于靠靠桌沿处处，以免免打破。2.转动动充气阀阀和放气气阀的活活塞时，一一定要一一手扶住住活塞，另另一只手手转动活活塞，避避免损坏坏活塞。3.实验验前应检检查系统统是否漏漏气，方方法是关关闭放气气阀A，打开开充气阀阀B，用充充气球向向瓶内打打气，使使瓶内压压强升高高10000Paa20000Paa左右(对应电电压值为为20mmV440mVV)，关

11、闭闭充气阀阀B，观察压压强是否否稳定，若若始终下下降则说说明系统统有漏气气之处，须须找出原原因。4.做好好本实验验的关键键是放气气要进行行的十分分迅速。即即打开放放气阀后后又关上上放气阀阀的动作作要快捷捷，使瓶瓶内气体体与大气气相通要要充分且且尽量快快底完成成。注意意记录电电压值。【问题讨讨论】1.本实实验研究究的热力力学系统统，是指指那部分分气体？2. 实实验内容容2中的的T值一定定与初始始时室温温相等吗吗？为什什么？若若不相等等，对有有何影响响？3.实验验时若放放气不充充分，则则所得值值是偏大大还是偏偏小？为为什么？【拓展】在上面的的实验中中，环境境温度 (室温温)假设设为是恒恒值。瓶瓶中

12、气体体处于室室温不变变情况下下而得出出测量公公式（44）。实实际测量量中，室室温是波波动的，高高灵敏度度测温传传感器观观测时（如如本实验验所用的的AD5590，温温度每变变化0.02C，电电压变化化0.11mV），这种变化很明显。那么，P1 ,P2 值短时间内不易读取。为了得出出更细致致的测量量公式，让让我们再再回顾瓶瓶内气体体状态变变化过程程：设充气前前室温为为，充气气后，瓶瓶内气体体平衡时时室温为为，气体体状态为为I（,）放气后后，绝热热膨胀，气气体状态态为III（，），等等容吸热热瓶内气气体平衡衡时室温温为，气气体状态态变为IIII（，），其中为贮气瓶容积，为保留在瓶中这部分气体在状态I

13、（，）时的体积。瓶内气体状态变化为：绝热膨胀等容吸热 I（,） III（，） IIII（，）IIII是绝热热过程，由由绝热过过程方程程得I、IIII两状状态，由由理想气气体状态态方程得得n为气体体的摩尔尔数，RR为气体体的普适适常数合并上三三式，消消去V1、V2得 （6）由式（66）可知知，只要要测得、就可求求得空气气的。很很显然，用用现有仪仪器只能能得出、的粗略略值，那那么用公公式（66）将毫毫无意义义。为了了得出温温度的较较精确而而直观值值，需要要解决这这样两个个问题：1.定定出测量量公式（1）中的I具体值；2.把温度传感器改装成为真正的数字温度计。实验二 热敏敏电阻温温度特性性及热敏敏电

14、阻温温度计的的设计热敏电阻阻是对温温度变化化表现出出非常敏敏感的一一种半导导体电阻阻元件，它它能测量量出温度度的微小小变化，并并且体积积小，工工作稳定定，结构构简单。因因此，它它在测温温技术、无无线电技技术、自自动化和和遥控等等方面都都有广泛泛的应用用。利用热敏敏电阻作作为感温温元件，并并且配有有温度显显示装置置的温度度仪表称称为热敏敏电阻温温度计。热热敏电阻阻能把温温度信号号变成电电信号，从从而实现现了非电电量的测测量。值值得提出出的是，电电量测量量是现代代测量技技术中最最简便的的测量技技术，不不仅测量量装置简简单、造造价低、灵灵敏度高高、而且且容易实实现自动动化控制制，是测测量技术术的一个

15、个重要的的发展趋趋势。【实验目目的】 11研究究热敏电电阻的温温度特性性 22进一一步掌握握非平衡衡电桥电电路原理理及应用用3、了解解负温度度系数热热敏电阻阻的温度度特性 4、设计计和安装装一台热热敏电阻阻温度计计，并对对这台温温度计的的测量误误差进行行测试和和评价【实验原原理】内容1 热热敏电阻阻的温度度特性 1、测测量原理理热敏电阻阻的基本本特性是是它的温温度特性性，许多多材料的的电阻随随温度的的变化而而发生变变化，纯纯金属和和许多合合金的电电阻随温温度增加加而增加加，它们们具有正正的电阻阻温度系系数。另另外像炭炭、玻璃璃、硅和和锗等材材料的电电阻随温温度的增增加而减减小，具具有负的的电阻

16、温温度系数数。在半半导体中中原子核核对价电电子的约约束力要要比金属属中大，因因而自由由载流子子数少，故故半导体体的电阻阻率较大大而纯金金属的电电阻率较较小。由由于半导导体中载载流子数数目是随随着温度度的升高高而按指指数规律律急剧增增加，载载流子越越多，导导电能力力越强，电电阻率就就越小，因因此半导导体热敏敏电阻的的阻值随随着温度度的升高高电阻率率将按指指数规律律减少。如如温度由由变至时，由由铂丝材材料制成成的电阻阻，其阻阻值变化化10倍倍左右；而热敏敏电阻的的阻值在在上述温温度变化化相同的的情况下下变化可可达到倍倍。实验表明明，在一一定温度度范围内内，半导导体材料料的电阻阻率和绝绝对温度度T的

17、关系系可表示示为：其中、bb为常数数，仅与材材料的物物理性质质有关。 由欧欧姆定律律得热敏敏电阻的的阻值： （11） 上式中中令、S、L分别为为热敏电电阻的横横截面积积和电极极间的距距离。 对式（11）取对对数有：或写作 (线性性变化关关系)式中，改改变被测测样品的的温度,分别测测出不同同的温度度T以及对对应的值值，重复复7110次，可可用图解解法、计计算法或或最小二二乘法求求出A、a、b值。2、测量量电路测量电路路如图aa所示，利利用惠斯斯通电桥桥测定被被测样品品在不同同温度下下的阻值值，由电电路平衡衡可知，被被测样品品的电阻阻为：在用实验验测量热热敏电阻阻时, 不能能单独构构成一桥桥臂，应

18、应按照图图b所示的的电路。适适当选取取、和，使得得桥路的的电阻变变化关系系在测量量范围之之内，并并使所在在桥臂总总电阻的的变化很很小，且且使检流流计的偏偏转与温温度的变变化尽量量呈线性性关系。3、实验验内容：热敏电阻阻的温度度特性研研究，通通过电路路进行测测量求出出a、b值。图b（1）按按图a实验装装置接好好电路，安安装仪器器。（2）在在容器内内盛入水水，开启启直流电电源开关关，在电电热丝中中通以22.5AA3.00A的电电流；对水加加热，使使水温逐逐渐上升升，温度度由水银银温度计计读出。热热敏电阻阻的两条条引出线线连接到到惠斯通通电桥的的待测电电阻的两两接线柱柱上。（3）测测试的温温度从22

19、0开始，每每增加55，测量电电阻阻值值，直到到60止。内容2 热热敏电阻阻温度计计的设计计1、测量量原理1.1负负温度系系数热敏敏电阻的的温度特特性图2 非平衡电桥图1 负温度系数热敏电阻的温度特性热敏电阻阻按其温温度特性性可分为为正温度度系数型型、负温温度系数数型及开开关型三三大类。其其中负温温度系数数热敏电电阻其以以锰、钴钴、铜和和铝等金金属氧化化物为主主要原料料，采用用陶瓷工工艺制成成。这些些金属氧氧化物都都具有半半导体性性质，温温度低时时，载流流子数目目小，因因此阻值值高；温温度高时时，载流流子数目目急剧增增加，因因此阻值值急剧下下降，如如图1所所示，其其方程可可表示为为： （1）1.

20、2非非平衡电电桥非平衡电电桥电路路如图22所示，当当R1=R2（对称称电桥）及及Rt=R3时，电电桥平衡衡，G指指零如果果Rt的阻值值发生变变化，则则电桥的的平衡条条件被破破坏，GG中就有有电流通通过，指指针发生生偏转，偏偏转越大大，说明明Rt变化也也越大。 根据据桥路的的基尔霍霍夫方程程：解出： （2）由式（22）看出出，在RR1（R2），R3，Rg及Ucd恒定定条件下下，Ig的大小小唯一地地由Rt值来决定，因因而有可可能根据据G 偏转转的大小小来直接接指示温温度的高高低。图3 热敏电阻温度计的实验电路图1.3热热敏电阻阻温度计计的实验验电路热敏电阻阻温度计计的实验验电路如如图3 所示，1.

21、4. 电路路参数的的设计与与计算图3 电电路中需需要设计计计算的的参数有有四个，下下面分别别介绍：(1) Ucdd是桥路路的工作作电压，一一般取11.3VV。(2) R3值的确确定R3放在在下限温温度t1的温度度场中，它它的阻值值为Rt1，放放在上限限温度tt2的温度度场中，它它的阻值值为Rt2，Rt1和Rt2都可可以在热热敏电阻阻的温度度特性曲曲线上查查到。确定R33大小的的原则是是，当热热敏电阻阻处于tt1温度时时，微安安表应指指零。这这样，在在R1=R2的条件件下，RR3必须等等于Rt1。(3) R1的确定定若温度计计的测温温上限RRt2，微微安表应应满偏即： (3)将（3）式式代入（2

22、）式中得： （4）由（4）式式得：（5）上式中的的Rg和Igm由实实验室给给出。（4）RR4的确定定测量前，必必须将KK2扳至“校”，目的的是校准准工作电电压Ucd，使使其刚好好等于设设计值。“校”的目的也也是为了了校准刻刻度值，使使Rt=Rt2时，Ig=Igm与（3）式相相符。一一般作法法是将RR4的值固固定为RRt2，这这样当KK2扳至至“校”时，就就相当于于把感温温元件置置于温度度为t2的温度度场中，此此时微安安表应满满偏。如如果未能能指向满满偏，则则说明UUcd未能能达到设设计值，需需仔细旋旋转电位位器R的旋钮钮，直至至微安表表满偏。再再将K2扳至“测”，进入入测量状状态。图4 定标曲

23、线1.5制制作定标标曲线描绘出一一条定标标曲线，如如图4所示。既既能显示示电流值值，又能能显示温温度值。2、实验验内容2.1 设计电电路参数数Ucd，R1（R2），R3 和R4 。2.2 把R1（R2 ），R3 和R4 调到到设计值值，并且且安装成成一台热热敏电阻阻温度计计。2.3 用一只只酒精温温度计（作作为标准准）对这这台热敏敏电阻温温度计进进行校验验（与后后边互应应），对对其测量量误差做做出判断断。注意事项项：1、在测测量热敏敏电阻是是时，采采用图bb所示作作为一桥桥臂，调调整相应应的电阻阻，使得得所在桥桥臂的电电阻变化化很小，且且使检流流计的偏偏转尽量量与温度度的变化化成线性性关系。2

24、、注意意不能超超过检流流计和温温度计的的量程。3、应保保证在热热敏电阻阻允许温温度范围围内多次次测量，可可采用图图解法、计计算法或或最小二二乘法求求出a、b值。【问题讨讨论】1、在测测半导体体热敏电电阻时，当当桥路达达到平衡衡后，撤撤去电源源，对电电路会产产生什么么影响？(电流计计指针是是否偏转转)为什么么？实验三 硅光光电池特特性及应应用研究究光电池是是一种光光电转换换元件，它它不需外外加电源源而能直直接把光光能转换换为电能能。光电电池的种种类很多多，常见见的有硒硒、锗、硅硅、砷化化镓、氧氧化铜等等。其中中应用最最广的是是硅光电电池。硅硅光电池池是根据据光生伏伏特效应应而制成成的光电电转换元

25、元件，它它的用途途主要有有两个方方面：一一是作为为光辐射射探测器器件，在在气象、农农业、林林业等部部门探测测太阳光光的辐射射，或在在工程技技术、科科学研究究等领域域，用于于各种光光电自动动控制和和测量装装置。二二是作为为太阳能能电源装装置，可可为某些些仪器仪仪表或设设备提供供轻便的的电源。对对人照地地球卫星星而言更更是无可可替代的的电源。它它有一系系列的优优点：性性能稳定定，光谱谱响应范范围宽，转转换效率率高，线线性相应应好，使使用寿命命长，耐耐高温辐辐射，光光谱灵敏敏度和人人眼灵敏敏度相近近等。深深入学习习硅光电电池的工工作原理理和具体体使用特特性可以以进一步步领会半半导体PPN结原原理光电

26、效效应理论论和光伏伏电池的的机理。【实验目目的】1掌握握PN结形形成原理理及其单单向导电电性等工工作机理理。2掌握握硅光电电池的工工作原理理、光照照特性与与输出特特性等基基本特性性。3测绘绘硅光电电池的特特性曲线线，用补补偿法测测定光电电池的短短路电流流及负载载电流。4利用用硅光电电池的光光电转换换特性，完完成其以以下简单单应用验证马马吕斯定定律测定溶溶液的透透射率【实验仪仪器】1THHKGDD-1型硅光光电池特特性实验验仪。图1 硅光电池特性实验仪框图硅光电池池特性实实验仪框框图如图图1所示示。超高高亮度LLED在在可调电电流和调调制信号号驱动下下发出的的光照射射到光电电池表面面,功能能转换

27、开开关可分分别打到到零偏、负偏或负负载。2函数数信号发发生器、双双踪示波器器。3硅光光电池（22DR665型，面面积155mm22，温度度20时，开开路电压压大于5500mmV，短短路电流流为311555mA，光光谱峰值值在0.451.11mm范范围内），直直流电位位差计（或或数字电电压表），电电流计，毫毫安表，电电阻箱，滑滑线电阻阻，光具具座及光光源，直直流电源源，导线线等。【实验原原理】1PNN结的形形成及单单向导电电性如果采用用某种工工艺，使使一块硅硅片的一一边成为为P型半导导体，另另一边为为N型半导导体，由由于P区有大大量空穴穴（浓度度大），而而N区的空空穴极少少（浓度度小），因因此空

28、穴穴要从浓浓度大的的P区向浓浓度小的的N区扩散散，并与与N区的电电子复合合，在交交界面附附近的空空穴扩散散到N区，在在交界面面附近一一侧的PP区留下下一些带带负电的的三价杂杂质离子子，形成成负空间间电荷区区。同样样，N区的自自由电子子也要向向P区扩散散，并与与P区的空空穴复合合，在交交界面附附近一侧侧的N区留下下一些带带正电的的五价杂杂质离子子，形成成正空间间电荷区区。这些些离子是是不能移移动的，因因而在PP型半导导体和NN型半导导体交界界面两侧侧形成一一层很薄薄的空间间电荷区区，也称称为耗尽尽层，这这个空间间电荷区区就是PPN结。正负空间间电荷在在交界面面两侧形形成一个个电场，称称为内电电场

29、，其其方向从从带正电电的N区指向向带负电电的P区，如如图1所示。空空间电荷荷区的内内电场一一个方面面对多数数载流子子的扩散散运动起起阻挡作作用，另另一方面面对少数数载流子子（P区的自自由电子子和N区的空空穴）起起推动作作用，使使它们越越过空间间电荷区区进入对对方区域域。少数数载流子子在内电电场作用用下的定定向运动动称为漂漂移运动动。在一一定条件件下，载载流子的的扩散运运动和漂漂移运动动达到动动态平衡衡。达到到平衡后后，空间间电荷区区的宽度度基本上上稳定下下来，PPN结就就处于相相对稳定定的状态态。若在PNN结上加加正向电电压，即即外电源源的正极极接P区，负负极接NN区，也也称为正正向偏置置。此

30、时时外加电电压在PPN结中中产生的的外电场场和内电电场方向向相反，内内电场被被削弱，多多数载流流子的扩扩散运动动增强，形形成较大大的扩散散电流（正正向电流流），PPN结处处于导通通状态。在在一定范范围内，外外电场愈愈强，正正向电流流（由PP区流向向N区的电电流）愈愈大。正正向偏置置时，PPN结呈呈现的电电阻很低低，一般般为几欧欧到几百百欧。若在PNN结上加加反向电电压，即即外电源源的正极极接N区，负负极接PP区，也也称为反反向偏置置。此时时外加电电压在PPN结中中产生的的外电场场和内电电场方向向一致，也也破坏了了扩散和和漂移运运动的平平衡。外外电场驱驱使空间间电荷区区两侧的的空穴和和自由电电子

31、移动动，使得得空间电电荷增强强，空间间电荷区区变宽，内内电场增增强，使使多数载载流子的的扩散运运动很难难进行。但但另一方方面，内内电场的的增强也也加强了了少数载载流子的的漂移运运动。由由于少数数载流子子数量很很少，因因此反向向电流不不大，即即PN结呈呈现的反反向电阻阻很高，可可以认为为PN结基基本上不不导电，处处于截至至状态。反反向电阻阻一般为为几千欧欧到十几几兆欧。由由于少数数载流子子是由于于价电子子获得热热能（热热激发）挣挣脱共价价键的束束缚而产产生的。环环境温度度愈高，少少数载流流子的数数量愈多多，所以以温度对对反向电电流的影影响较大大。由以上分分析可知知，PNN结具有有单向导导电性。在

32、在PN结上上加正向向电压时时，PNN结电阻阻很低，正正向电流流较大，PN结处于正向导通状态；加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小，PN结处于截至状态。图1 半导体PN结在零偏、负偏、正偏下的耗尽区图1是半半导体PPN结在在零偏、负偏、正偏下下的耗尽尽区。扩扩散的结结果使得得结合区区两侧的的P型区区出现负负电荷，NN型区带带正电荷荷，形成成一个势势垒，由由此而产产生的内内电场将将阻止扩扩散运动动的继续续进行，当当两者达达到平衡衡时，在在PN结结两侧形形成一个个耗尽区区，耗尽尽区的特特点是无无自由载载流子，呈呈现高阻阻抗。当当PN结结反偏时时，外加加电场与与内电场场方向一一致，耗耗尽区在在外

33、电场场作用下下变宽，使使势垒加加强；当当PN结结正偏时时，外加加电场与与内电场场方向相相反，耗耗尽区在在外电场场作用下下变窄，势势垒削弱弱，使载载流子扩扩散运动动继续形形成电流流，此即即为PNN结的单单向导电电性,电电流方向向是从PP指向NN。2. LLED的的工作原原理当某些半半导体材材料形成成的PNN结加正正向电压压时,空空穴与电电子在PPN结复复合时将将产生特特定波长长的光，发发光的波波长与半半导体材材料的能能级间隙隙Eg有关。发发光波长长可由下下式确定定：（1）式(1)中h为普朗朗克常数数，c为光速速。在实实际的半半导体材材料中能能级间隙隙Eg有一个个宽度，因因此发光光二极管管发出光光

34、的波长长不是单单一的，其其发光波波长宽度度一般在在2540nnm左右右，随半半导体材材料的不不同而有有差别。发发光二极极管输出出光功率率P与驱动动电流II的关系系由下式式确定：（2）式(2)中，为为发光效效率，EEp为光子子能量，e为电子电量。图2 发光二极管驱动和调制电路框图 图3 LED发光二极管的正弦信号调制原理输出光功功率与驱驱动电流流呈线性性关系，当当电流较较大时由由于PNN结不能能及时散散热，输输出光功功率可能会会趋向饱饱和。系系统采用用的发光光二极管管驱动和和调制电电路框图图如图22所示。本本实验用用一个驱驱动电流流可调的的红色超超高亮度度发光二二极管作作为实验验用光源源。信号号

35、调制采采用光强强度调制制的方法法，发送送光强度度调节器器用来调调节流过过LEDD的静态态驱动电电流，从从而改变变发光二二极管的的发射光光功率，静态驱驱动电流流调节范范围为00200毫安，对对应面板板上的发发送光强强度显示示值为0020000单单位。正弦调制制信号经经电容、电电阻网络络及运放放跟随隔隔离后耦耦合到放放大环节节，与发发光二极极管静态态驱动电电流叠加加后使发发光二极极管发送送随正弦弦波调制制信号变变化的光光信号，如如图3所所示。变变化的光光信号可可用于测测定光电电池的频频率响应应特性。3硅光光电池的的工作原原理光电转换换器件主主要是利利用物质质的光电电效应，即即当物质质在一定定频率的

36、的照射下下，释放放出光电电子的现现象。当当光照射射金属、金属属氧化物物或半导导体材料料的表面面时，会会被这些些材料内内的电子子所吸收收，如果果光子的的能量足足够大，吸吸收光子子后的电电子可挣挣脱原子子的束缚缚而溢出出材料表表面，这这种电子子称为光光电子，这这种现象象称为光光电子发发射，又又称为外外光电效效应。有有些物质质受到光光照射时时，其内内部原子子释放电电子，但但电子仍仍留在物物体内部部，使物物体的导导电性增增强，这这种现象象称为内内光电效效应。图4 光电池结构示意图光电二极极管是典典型的光光电效应应探测器器。当PPN结及及其附近近被光照照射时，就就会产生生载流子子（即电电子-空穴对对）。

37、结结区内的的电子-空穴对对在势垒垒区电场场的作用用下，电电子被拉拉向N区，空空穴被拉拉向P区而形形成光电电流。同同时势垒垒区一侧侧一个扩扩展长度度内的光光生载流流子先向向势垒区区扩散，然然后在势势垒区电电场的作作用下也也参与导导电。当当入射光光强度变变化时，光光生载流流子的浓浓度及通通过外回回路的光光电流也也随之发发生相应应的变化化。在入入射光强强度的很很大动态态范围内内这种变变化能保保持较好好的线性性关系。4硅光光电池的的伏安特特性硅光电池池是一个个大面积积的光电电二极管管，其基基本结构构如图44所示，当当半导体体PN结结处于零零偏或负负偏时，在在它们的的结合面面耗尽区区存在内内电场。当没有

38、光光照射时时，光电电二极管管相当于于普通的的二极管管。其伏伏安特性性是（3）式(3)中I为为流过二二极管的的总电流流，Is为反向向饱和电电流，ee为电子子电荷，kk为玻耳耳兹曼常常量，TT为工作作绝对温温度，VV为加在在二极管管两端的的电压。对对于外加加正向电电压，II随V指指数增长长，称为为正向电电流；当当外加电电压反向向时，在在反向击击穿电压压之内，反反向饱和和电流基基本上是是个常数数。当有光照照时，入入射光子子将把处处于介带中的的束缚电电子激发发到导带带，激发发出的电电子空穴穴对在内内电场作作用下分分别飘移移到N型型区和PP型区，当当在PNN结两端端加负载载时会有光生生电流流流过负载载。

39、流过过PN结结两端的的电流可可由式（44）确定定：（4）此式表示示硅光电电池的伏伏安特性性。式（4）中中I为流流过硅光光电池的的总电流流，Is为反向向饱和电电流，VV为PNN结两端端电压，T为工作绝对温度，Ip为产生的反向光电流。从式中可以看到，当光电池处于零偏时，V=0，流过PN结的电流I=Ip；当光电池处于负偏时，流过PN结的电流。因此，当光电池用作光电转换器时，光电池必须处于零偏或负偏状态。光电池处处于零偏偏或负偏偏状态时时，产生生的光电电流Ip与输入入光功率率Pi有以下下关系：（5）式（5）中中R为响应应率，RR值随入入射光波波长的不不同而变变化，对对不同材材料制作作的光电电池R值分别

40、别在短波波长和长长波长处处存在一一截止波波长，在在长波长长处要求求入射光光子的能能量大于于材料的的能级间间隙Eg，以保保证处于于介带中的的束缚电电子得到到足够的的能量被被激发到到导带，对对于硅光光电池其其长波截截止波长长为，在在短波长长处也由由于材料料有较大大吸收系系数使RR值很小小。图5光电池光电信号接收框图图5是光光电池光光电信号号接收端端的工作作原理框框图，光光电池把把接收到到的光信信号转变变为与之之成正比比的电流流信号，再再经I/V转换换模块把把光电流流信号转转换成与与之成正正比的电电压信号号。当发发送的光光信号被被正弦信信号调制制时，则则光电池池输出电电压信号号中将包包含正弦弦信号，

41、据据此可通通过示波波器测定定光电池池的频率率响应特特性。5硅光光电池的的负载特特性图6 硅光电池负载特性的测定光电池作作为电池池使用如如图6所所示。在在内电场场作用下下，入射射光子由由于内光光电效应应把处于于介带中的的束缚电电子激发发到导带带，而产产生光伏伏电压，在在光电池池两端加加一个负负载就会会有电流流流过，当当负载很很小时，电电流较小小而电压压较大；当负载载很大时时，电流流较大而而电压较较小。实实验时可可改变负负载电阻阻RL的值来来测定硅硅光电池池的负载载特性。6利用用硅光电电池的光光电转换换特性，完完成其以以下简单单应用验证马马吕斯定定律在研究负负载特性性的光路路中插入入两个偏偏振器，

42、旋旋转两者者之间的的夹角，测测量其短短路电流流I的变化化规律，验验证马吕吕斯定律律。测定溶溶液的透透射率利用不同同浓度的的盐溶液液，测出出溶液浓浓度与透透射率之之间的实实验曲线线，求出出该曲线线的经验验公式。光电池在在一定光光照下，负负载无限限大（开开路）时时，其极极间电压压称开路路电压，开开路电压压的大小小与入射射光的强强度的对对数成正正比。若若负载电电阻为零零（即短短路），光光电池的的输出电电流称短短路电流流。短路路电流的的大小与与光强成成线性关关系，若若光电池池内阻越越小，线线性关系系就越好好。【实验内内容】1硅光光电池零零偏和负负偏时光光电流II与输入入光功率率Po间关系系测定打开仪器

43、器电源，调调节发光光二极管管静态驱驱动电流流，其调调节范围围为020mmA（相相应于发发光强度度指示0020000），将将功能转转换开关关分别打打到零偏偏和负偏偏，将硅硅光电池池输出端端连接到到I/VV转换模模块的输输入端，将将I/VV转换模模块的输输出端连连接到数数显电压压表头的的输入端端，分别别测定光光电池在在零偏和和负偏时时光电流流与入射射光功率率的关系系。记录录数据并并在同一一张坐标标纸上作作图，确确定硅光光电池在在零偏和和负偏时时光电流流I与输入入光功率率Po间的函函数关系系。2硅光光电池输输出接恒恒定负载载时产生生的光伏伏电压与与输入光光信号关关系测定定将功能转转换开关关打到“负载

44、”处，将将硅光电电池输出出端连接接恒定负负载电阻阻（如取取10KK）和数数显电压压表，从从0220mAA（指示示为020000）调调节发光光二极管管静态驱驱动电流流，实验验测定光光电池输输出电压压随输入入光强度度变化的的关系曲曲线。3硅光光电池伏伏安特性性测定在硅光电电池输入入光强度度不变时时（取发发光二极极管静态态驱动电电流为115mAA），测测量当负负载从001000k的范围围内变化化时，光光电池的的输出电电压随负负载电阻阻变化关关系曲线线。4硅光光电池频频率响应应的测定定将功能转转换开关关分别打打到“零偏”和“负偏”处，将将硅光电电池的输输出连接接到I/V转换换模块的的输入端端。令LLE

45、D偏偏置电流流为100mA（指指示为110000），在在信号输输入端加加正弦调调制信号号，使LLED发发送调制制的光信信号，保保持输入入正弦信信号的幅幅度不变变，调节节函数信信号发生生器频率率，用示示波器观观测并记记录发送送光信号号的频率率变化时时，光电电池输出出信号幅幅度的变变化，测测定光电电池在零零偏和负负偏条件件下的幅幅频特性性，并测测定其截截止频率率。将测测量结果果记录在在自制的的数据表表格中。比比较光电电池在零零偏和负负偏条件件下的实实验结果果，分析析原因。【问题讨讨论】1光电电池在工工作时为为什么要要处于零零偏或负负偏？2光电电池对入入射光的的波长有有何要求求？3当单单个光电电池外

46、加加负载时时，其两两端产生生的光伏伏电压为为何不会会超过00.7伏伏？4如何何获得高高电压、大大电流输输出的光光电池？ 5光光电池和和光电倍倍增管作作为光电电检测器器在光学学仪器中中有着广广泛的应应用。两两者作为为检测器器各有什什么优劣劣？实验四 音频频信号光光纤传输输实验 在信号传传输技术术中，光光纤传输输具有衰衰减小、频频带宽、抗抗干扰性性强、安安全性能能高、体体积小、重重量轻等等优点，所所以在长长距离传传输和特特殊环境境等方面面由于光纤纤传输具具有同轴轴电缆无无法比拟拟的优点点而成为为首选设设备。光纤传输输技术的的广泛应用用是直到19966年年，英国国标准实实验室的的英籍华华人高锟锟博士提出出，低损损耗的玻玻璃纤维维可以作作为光信息的的传输介介质才得得以开始始的。玻璃纤纤维问世世后，在世界界各国出出现了一一个研究究光纤通通讯的高高潮。119755年，美美国亚特特兰大实实验系统统的光纤纤通讯实实验成功功。1998