光电效应物理演示实验仪器的研究与设计

林晓珑，何春凤，冯 毅，余成龙

（吉林大学物理学院，吉林长春130021）

1 引 言

随着科学技术的发展，光电效应越来越受到重视，光电器件的应用也越来越广泛.大多数高校都安排了光电效应相关的实验及演示实验，但是一般的仪器都是通过单一的光电材料来演示光电效应，这使得学生对光电效应的认识不够全面，对各种光电器件的了解及应用也不深刻.

本文介绍了基于单片机的光电效应演示仪器的设计方法，该仪器通过调节光源光照强度可同时演示光电管的光电流、光敏电阻的光电阻、光电池的光电压随光照强度变化的过程；通过改变滤光片演示出光电子发射与照射光的频率的关系.通过对不同材料所产生光电效应的比对，加深学生对光电效应的理解，更好地认识光电效应及它们所对应的各种光电器件.

2 光电效应演示仪器的设计思想

2.1 仪器的总体设计

仪器的电路框图如图1所示，是以单片机为核心元件的数字化的演示装置.

演示仪器面板上分别有电源开关、电压调节旋钮、光照调节旋钮.按下电源开关后，通过单片机控制模拟量多路转换开关分别控制3路器件经转换、放大后输出的电压信号，然后经过V／F变换器将模拟电压信号转换为数字信号传输给单片机.单片机进行计算后，将所测光电管的电流值、光敏电阻的电阻值和光电池的电压值分别显示在三组数码管上（见图2）.

图1 仪器的电路框图

图2 装置的结构图

将3种光电器件同时安装在演示仪器内，照明用光源采用白炽灯，辐射光谱在0.4～3μm范围内，通过支架安装在光电器件的上方，光源通过灯泡两侧装有的反射镜光路设计成与3种光电器件相对应3个出光口，出光口前还装有透镜、可调光阑、滤光片，将光源发出的光转换为平行光单色光后出射到光电器件上，通过旋转面板上的光照调节旋钮可以改变通过光源的电流，从而改变光源的光照照度.通过调节光阑使得照射到光电器件上的3路光的光照强度相等.

为避免外界光对测量数据带来影响，测量时关闭观察室的门，光源、透镜、可调光阑、滤光片、光电器件处于密封的空间内，3束光分别照到光电器件上.密闭空间的后部有可移动的测试探头，连接到照度计，用于测量光源通过滤光片后的照度值.

控制、运算处理主要由89S51单片机来完成，单片机通过控制模拟量多路转换开关，使得光电器件输出的信号分时通过V／F变换器.由于89S51的运算速度、V／F变换器的转换速度都很快，可以实现对3种光电器件信号的同时测量.

2.2 光电管电路设计

光电管的工作原理：基于外光电效应，当入射光透过光电管的入射窗照射到光电管的阴极时，光电子就会从阴极发射出去，在阴极和阳极间电场作用下，光电子在极间做加速运动，被高电位的阳极所收集.其光电流的大小决定于光电管的灵敏度和入射光的强度，在光电管的灵敏度为常数的情况下，仅取决于光源的光照强度.设计时采用运算放大器作为电流－电压转换，把微弱的光电流放大转换为电压信号，其偏置及放大转换电路见图3.

图3 光电管偏置及放大电路

2.3 光敏电阻电路设计

光敏电阻的工作原理：基于内光电效应中的光电导效应，当入射光照射光敏电阻时，若入射光的光子能量大于光敏电阻半导体材料禁带宽度时，就会产生电子空穴对，使电阻值变小.入射光照越强，阻值变得越低.入射光消失，电子空穴对逐渐复合，电阻值也恢复到原来的大小.设计时采用光敏电阻的恒流偏置电路，其偏置及转换电路见图4.

图4 光敏电阻偏置及转换电路

2.4 光电池电路设计

光电池的工作原理：基于内光电效应中的光生伏特效应，当入射光照射在光电池时，其辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收，价带中的光生空穴、导带中的光生电子受内建电场作用分别向N区和P区运动，形成光生伏特电压.设计时通过电压放大器将光生电压放大后输出，其偏置及放大电路见图5.

图5 光电池偏置及放大电路

2.5 仪器的演示方法

1）光电管加偏置电压，光敏电阻加恒流源，光电池开路，在没有光照射时，对应光电管、光电池的数码管没有读数，对应光敏电阻的数码管数值显示很大.说明没有光照不会产生光电效应.

2）保持光源照度恒定，并保持光电管偏置电压、光敏电阻恒流源恒定，光电池开路，在出光口依次放上红色、黄色、蓝色滤光片，观察到：

a.红光照射光电管时，无论如何改变入射光的亮度和偏置电压都没有光电流，黄光和蓝光照射光电管时有光电流.

b.红光、黄光照射光敏电阻时阻值变化很大，蓝光照射时阻值几乎不变.

c.红光、黄光照射光电池时产生的光生电动势较大，蓝光照射时没有光生电动势产生.说明了光电效应与入射光线的频率有关，存在着光谱范围及最佳工作波长.

3）用蓝光照射光电管时，极间加正向电压并保持不变，增加入射光的照度，观测到光电流的数值线性增大.可说明当入射光的频率大于极限频率时，光电管输出光电流的大小与入射光的强度成正比.用红光照射光敏电阻时，增加入射光的强度，发现光敏电阻的阻值变小，但不完全是线性关系.可说明光电导效应与入射光的强度关系为，在弱光照射时是线性关系，在强光照射时则变为抛物线关系.用红光照射光电池时，增加入射光的强度，则光生电势的大小与入射光的强度成正比，并有很好的线性关系.

2.6 仪器的测试数据

仪器经过定标后，就可以用于定量演示.选择入射光的频率大于光电材料的极限频率，通过光照调节旋钮调节光源光照度，用照度计测量出光源光照度，同时记录不同光照度E下3排数码管上分别显示出的光电管光电流I、光敏电阻阻值R和光电池电压值V.测得数据如表1所示.

表1 光电效应演示仪器测试数据

通过分析以上数据可以看出随着光照度的增大，光电管产生的光电流线性增大，光敏电阻阻值非线性减小，光电池的输出电压线性增大，并演示出3种光电效应的变换参量（光电流、光电阻、光生电压）不同.

3 结束语

实验数据表明，该仪器能很好地演示光电效应的原理，并把3种不同的光电效应在1台仪器上同时演示出来，能让学生更深刻地理解光电效应的本质.同时由于仪器使用的是实际的光电器件，也能更好地明物理效应在科学研究中的应用，提高学生的综合素质.

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