天津工业大学 大学物理实验室 实验指导书
硅光电池特性研究
【实验目的】
1．掌握PN结形成原理及其工作原理；
2．了解LED发光二极管的驱动电流和输出功率的关系；
3．掌握硅光电池的工作原理及其工作特性。
【实验原理】
1. 半导体PN结原理
目前半导体光电探测器在数码摄像、光通信、太阳电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深刻理解硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN结原理、光电效应理论和光伏电池产生机理。
(a) 零偏
(b) 反偏 (c) 正偏
图1. 半导体PN结在零偏、反偏、正偏下的耗尽区
图1是半导体PN结在零偏、正偏、反偏下的耗尽区。当P型和N型半导体材料结合时，即没有外加电压的零偏时（图1a），由于P型材料多数载流子为空穴（带正电荷，Positive charge），而N
1
天津工业大学 大学物理实验室 实验指导书
型材料多数载流子为电子（带负电荷，Negative charge），结果各自的多数载流子向对方扩散，扩散的结果使得电子与空穴在结合区复合，则两侧的P型区出现负电荷，N型区带正电荷，形成一个势垒（对于硅，约为0.7 V），由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续进行。当两者达到平衡时，在PN结两侧形成一个耗尽区。耗尽区的特点是无自由载流子，呈现高阻抗。当PN结反偏时（图1b），外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，使势垒加强，更加不利于多数载流子的扩散运动，但有利于由于温度效应被激发的少数载流子的漂移运动，导致极小的反向电流。若干反向电压足够大，则该反向电流将达到一个饱和电流IS(<1 μA)；当PN结正偏时（图1c），外加电场与内电场方向相反，耗尽区在外电场作用下变窄，使势垒削弱。当外加电压大于开启电压（对于硅，约为0.5 V），势垒将被消除，多数载流子的扩散运动将持续进行，形成P→N方向的正向电流I，这就是PN结的单向导电性。
2. 发光二极管LED工作原理
当某些半导体材料形成的PN结加正向电压时，空穴与电子在PN结复合时将产生特定波长的光，发光的波长与半导体材料的能级间隙Eg有关。发光波长λP可由下式确定：
?p?hc/Eg （1）
式中的h为普朗克常数，c为光速。在实际的半导体材料中能级间隙Eg有一个宽度，因此发光二极管发出光的波长不是单一的，其发光波长半宽度一般在25~40nm左右，随半导体材料的不同而有差别。发光二极管输出光功率P与驱动电流IL的关系由下式决定：
p??EpIL/e （2）
式中η为发光效率，Ep是光子能量，e是电荷常数。
输出光功率与驱动电流呈线性关系，当电流较大时由于PN结不能及时散热，输出光功率可能会趋向饱和。本实验用一个驱动电流可调的红色超高亮度发光二极管LED作为实验用光源，采用的发光二极管驱动和调制电路如图2所示，其中的信号调制采用光强度调制的方法，
IL
VE
RE100 ?
图2. 发送光的设定、驱动和调制电路框图 图3. LED的正弦信号调制原理
发送光强度调节器用来调节流过LED的静态驱动电流，从而改变发光二极管的发射光功率。设
2
天津工业大学 大学物理实验室 实验指导书
定的静态驱动电流IL调节范围为0~20 mA，对应面板上的光发送强度驱动显示值VE为0~2000 mV（VE＝100IL，对应IL时，小数点在倒数第二位之前，单位为mA，即XX.XX mA）。正弦调制信号(频率f=1～1000 KHz)经电容、电阻网络及运放跟随隔离后耦合到放大环节，与发光二极管静态驱动电流迭加后使发光二极管发送随正弦波调制信号变化的光信号，如图3所示，变化的光信号可用于测定光电池的频率响应特性。
3. 硅光电池SPC(Silicon Photocell)的工作原理
硅光电池是一个大面积的光电二极管（Photodiode），它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能，因此可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等的能源。
当半导体PN结处于零偏或反偏时，在它的结合面耗尽区存在一内电场。当有光照时，入射光子将把处于价带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子-空穴对在内电场作用下分别漂移到N型区和P型区，形成一个正向光伏电压VP，可用作光电池SPC，对外输出电流。当在PN结两端加负载时就有一光生电流IP流过负载，方向是从P型区流入负载，然后流入光电二极管的N型区，与PN结的正向导通电流方向相反。于是，流过PN结两端的电流I可由式（3）确定：
eV
I?IS(ekT?1)?Ip （3）
其中IS为没有光照射时的反向饱和电流，V为PN结两端电压，T为绝对温度，k为玻尔兹曼常数，IP为产生的光电流。室温300 K下，e/kT=26 mV。从式中可以看到，当光电二极管处于零偏时，V=0 V，流过PN结的电流I= –IP；当光电二极管处于反偏时（本实验取–5 V），流过PN结的电流I≡–IPS= –( IP+IS), 从而IS = IPS– IP。因此，当光电二极管光电池用作光电池时，光电二极管必须处于零偏，而用作一般的光电转换器时，必须处于零偏或反偏状态。
光电池SPC处于零偏或反偏状态时，产生的光电流IP与输入光功率Pi有以下关系：
Ip?RPi?IL （4）
式中R为响应率，R值随入射光波长的不同而变化，对不同材料制作的光电池R值分别在短波长和长波长处存在一截止波长，在长波长处要求入射光子的能量大于材料的能级间隙Eg，以保证处于价带中的束缚电子得到足够的能量被激发到导带，对于硅光电池其长波截止波长为λT =1.1 μm，在短波长处也由于材料有较大紫外吸收系数使R值很小。
图4左部是光电信号接收端的工作原理框图，光电池把接收到的光信号转变为与之成正比的电流信号(μA级)，再经电流电压转换器(I/V转换器)把光电信号转换成与之成正比的电压信号(mV级)。比较光电池零偏和反偏时的信号，就可以测定光电池的IS。当发送的光信号被正弦信号调制时，则光电池输出电压信号中将包含正弦信号，据此可通过示波器测定光电池的频率响应特性。
4. 光电池的负载特性
光电池作为电池使用如图4右部所示。在内电场的作用下，入射光子由于内光电效应把处于价带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压VP，在光电池两端加一个负载RL就会有电流流过，当负载电阻RL很大时，电压较大；当负载电阻RL很小时，电压较小。实验时可改变负载电阻RL的值来测定光电池的负载特性，进而可以得到光电池的伏安特性。
3
天津工业大学 大学物理实验室 实验指导书
零偏反偏
0 V
图4. 光电池光电信号接收、特性测试框图(数字1~4分别表示需连线的4个实验序号)。
除示波器外，其它全部器件在TKGD-1型硅光电池特性仪上
【仪器设备】
TKGD-1型硅光电池特性仪、信号发生器、双踪示波器
【实验内容与步骤】
1. 硅光电池光伏电压与输入光信号关系特性测定
将功能转换开关打到“负载”处，将硅光电池输出端连接恒定负载电阻RL（如取5K）和特性仪上的数字电压表，从19~1 mA调节发光二极管静态驱动电流（2 mA/步），实验测定光电池输出电压随输入光强度的关系（若IL＝19 mA时VP超量程，则适当减小RL），记录数据，并绘制VP–IL曲线。
2. 硅光电池负载特性测定
在硅光电池输入光强度不变时（取IL=10 mA），测量当负载从1~10 K?的范围内变化（1 KΩ/步）时，光电池的输出电压VP随负载电阻RL的变化关系，记录数据，求出对应的IP，并绘制VP–RL和IP-VP曲线。
3. 硅光电池光电流与输入光信号关系特性测定
打开特性仪电源，调节发光二极管静态驱动电流IL，其调节范围0~20 mA（相应于发光强度指示0~2000，具体数值对应IL＝XX.XX mA），将偏置电压切换分别打到零偏和反偏，将硅光电池输出端连接到I/V转换器的输入端，将I/V转化器的输出端连接到特性仪上的毫伏表(XXX.X mV, 本组转换器一般1 μA 光电流IP 转换为约2.5~5.0 mV的输出电压，因仪器具体情况有所区别)的输入端，分别测定光电池在零偏和反偏时光电流I(IP和IPS)与输入光信号IL关系。记录数据(IL取整)，并在同一张坐标纸上作图IP/IPS–IL，比较光电池在零偏和反偏时两条曲线关系，求出光电池的饱和电流IS的平均值。
4
天津工业大学 大学物理实验室 实验指导书
4. 硅光电池的频率响应特性测定
打开信号发生器、双踪示波器电源，将功能转换开关打到“零偏”处，将硅光电池的输出连接到I/V转换模块的输入端。令LED偏置电流为10 mA，在信号输入端加正弦调制信号，使LED发送调制光信号，保持输入正弦信号的幅度(VPP=5 V)不变，调节信号发生器频率（1, 10, 20 KHz，然后20 KHz/步），用示波器观测并测定记录发送光信号的频率变化时，光电池输出信号幅度(交流成份的峰－峰值) uPP (mV)的变化，测定光电池在零偏条件下的幅频特性，记录数据，绘制幅频特性uP–f曲线，并估出其截止频率fT (10 KHz处幅度的70.7%，估计精确到10 KHz)。
【数据记录与处理】
表1 SPC光伏电压与输入光信号关系特性 负载电阻： KΩ
表2 SPC负载特性
表3 SPC光电流与输入光信号关系特性 IS平均值： μA
表4 SPC频率响应特性 截止频率fT： KHz
【思考题】
1． 光电池在工作时为什么要处于零偏或反偏？
2． 光电池用于线性光电探测器时，对耗尽区的内部电场有何要求？ 3． 光电池对入射光的波长有何要求？
4． 当单个光电池外加负载时，其两端产生的光伏电压为何不会超过0.7 V？ 5． 该光电池接近于一个恒压源还是一个恒流源？近似恒定值平均为多少？
5
第二篇：E验九硅光电池特性的研究_大学物理实验
.::实验九硅光电池特性的研究::.
图一 硅光电池实验装置全图
来源 上海交通大学物理实验中心
光电池是一种很重要的光电探测元件，它不需要外加电源而能直接把光能转换成电能．光电池的种类很多，常见的有硒，锗，硅，砷化镓等．其中最受重视的是硅光电池，因为它有一系列优点：性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，转换效率高，能耐高温辐射等．同时，硅光电池的光谱灵敏度与人眼的灵敏度较为接近，所以很多分析仪器和测量仪器常用到它．本实验仅对硅光电池的基本特性和简单应用作初步的了解和研究．
.::实验预习::.
硅光电池的照度特性
硅光电池是属于一种有PN结的单结光电池．它由半导体硅中渗入一定的微量杂质而制成．当光照射在PN结上时，由光子所产生的电子与空穴将分别向P区和N区集结，使PN结两端产生光生电动势．这一现象称为光伏效应．
（1）硅光电池的短路电流与照度关系
当光照射硅光电池时，将产生一个由N区流向P区的光生电流IPh，同时由于PN结二极管的特性，存在正向二极管管电流ID．此电流方向从P区到N区，与光生电流相反，因此实际获得电流I为
（1）
式中V为结电压，I0为二极管反向饱和电流，I Ph是与入射光的强度成正比的光生电流，其比例系数与负载电阻大小以及硅光电池的结构和材料特性有关．n为理想系数是表示PN结特性的参数，通常在1-2之间，q为电子电荷，kB为波尔茨曼常数，T为绝对温度．在一定照度下，光电池被短路（负载电阻为零）则V = 0 由（1）式可得到短路电流
（2）
硅光电池短路电流与照度特性见图1．
（2）硅光电池的开路电压与照度关系
当硅光电池的输出端开路时，I = 0， 由（1）与（2）式可得开路电压
（3）
硅光电池开路电压与照度特性见图1．
2．硅光电池的负载特性
当硅光电池接上负载R时，硅光电池工作可以在反向偏置电压状态或无偏压状态．它的伏安特性见图2．由图中可见，硅光电池的伏安特性曲线由二个部分组成：
（1）反偏工作状态，光电流与偏压、负载电阻几乎无关（在很大的动态范围内）；
（2）无偏工作状态，光电二极管的光电流随负载电阻变化很大．
由图2可看到，在一定光照下，负载曲线在电流轴上的截距是短路电流IPh，在电压轴上的截距即为开路电压VOC．
图2 硅光电池的光谱响应．
图3为硅光电池的光谱特性曲线．
即相对灵敏度Kr 和入射光波长l 的关系曲线．从图3中可看出，硅光电池的有效范围约在450—1100 nm之间．实验室给出六种不同的滤色片，透过各滤色片光的波长见表1．
表1 滤色片波长值
（1）实验中所用光源为发光二极管，二极管发出的光再打在荧光粉上发出白光，其各谱线所对应的光强与波长有关，本实验中所用光源的相对光强与波长l关系写在桌子上的表格上面．
表2 光源的波长所对应的相对光强
（2）实验室给出的各种波长滤色片的波长并不严格，它有一定的宽度，给出的仅仅是峰值．表征宽度通常是用半带宽?λ表示，滤色片的峰值透射率用T表示，各个波长滤色片的?λ和T并不一致，即使同一波长滤色片的峰值透射率在技术上也很难做到一致．因此，对每组实验仪器，各波长滤色片对应的峰值透射率T及半带宽?λ已附在各组实验仪器上．
（3）硅光电池的灵敏度K为
（4）
P(l)为硅光电池测得的光强，可用硅光电池的输出电压或电流表示。
硅光电池的相对灵敏度Kr为
（5）
Km为不同波长对应K（l）的最大值
4．实验中，光源的能量主要集中在红外区域，本实验所用的偏振片对红外不起偏，因此要选择合适的滤色片滤掉红外光，才能进行验证马吕斯定律的实验内容．
.::实验仪器::.
【实验仪器】
硅光电池、光学导轨及支座附件，光源，聚光透镜，比色槽，数字万用表，多圈电位器，滤色片，偏振片，照度计．
滤色片
.::思考题::.
1．实验中所用光源的电压发生变化，表二所提供的参数是否发生变化？
提示：实验中所用的光实际上是二极管直接发出的光打到荧光粉上，然后发出的荧光，相对光强的分布，应该取决于荧光粉的性质，和所加的电压没有关系。所以，所用光源的电压变化，表二提供的参数应该不发生变化。
2．硅光电池的输出与入射光照射瞬间有没有滞后现象？可否用实验证明．
提示：有。入射光照射讯号需要先改变载流子的分布，再改变硅光电池的输出，这个光电过程是需要反应时间的。
这个时间延迟可以用实验来证明。事实上，在光通信网络中，由于光电信号的转换造成的瓶颈已经是这个现象的验证了。只不过，那里用的都是光电接收器，而这里是作为电池的硅。原理是一样的。
3．动态电阻与通常的电源内阻是否是同一概念？
提示：不是。二者是完全不同的概念。
“动态电阻”定义为二极管在任意一个工作点处，电压相对于电流的导数。一般而言，工作点改变时，动态电阻也跟着改变，这就是之所以叫做动态电阻的原因。在V－I特性曲线中，动态电阻是曲线的斜率。
而普通的电源内阻，是说电源内部存在电阻，所以电流流过电源时，电压除了升高一个电动势外，还会有一个电压降。
4．设计一个测量高锰酸钾溶液浓度与透射率关系的实验装置。
如上图所示，支架上的柱状玻璃容器内，存有溶液。让激光器打出的光，通过溶液，再用照度记测量出射的光。更换浓度不同的溶液，探测器探测到的光强就会不同，以浓度为零时的光强作标准，就可以简单定出溶液浓度和透射率之间的关系
参考资料::.
1.滤色片技术参数
2.发光二极管相对发光光强[Origin 数据]
3.硅光电池特性的研究_思考题提示
4.硅光电池伏安特性曲线模版