.::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
第二篇：物理实验报告
示波器的使用
一、实验目的
1．了解示波器显示波形的原理，了解示波器各主要组成部分及它们之间的联系和配合；
2．熟悉使用示波器的基本方法，学会用示波器测量波形的电压幅度和频率；
3．观察李萨如图形。
二、实验仪器
1、 双踪示波器 GOS-6021型 1台
2、 函数信号发生器 YB1602型 1台
3、 连接线 示波器专用 2根
示波器和信号发生器的使用说明请熟读常用仪器部分。
三、实验原理
示波器由示波管、扫描同步系统、Y轴和X轴放大系统和电源四部分组成，
四、实验内容
1． 示波器的调整
（1）不接外信号，进入非X-Y方式
（2）调整扫描信号的位置和清晰度
（3）设置示波器工作方式
2． 正弦波形的显示
（1）熟读示波器的使用说明，掌握示波器的性能及使用方法。
（2）把信号发生器输出接到示波器的Y轴输入上，接通电源开关，把示波器和信号发生器的各旋钮调到正常使用位置，使在荧光屏上显示便于观测的稳定波形。
3．示波器的定标和波形电压、周期的测量
（1）把Y轴偏转因数和扫描时间偏转因数旋钮都放在“校准”位置（指示灯“VAR”熄灭）。
（2）把校准信号输出端接到Y轴输入插座
（3）把信号发生器的正弦电压接到Y轴输入端，用示波器测量正弦电压的幅值和周期，并和信号发生器上显示的频率值比较。
（4）选择不同幅值和频率的5种正弦波，重复步骤（3），记下测量结果。
4．李莎如图形的观测
（1）把信号发生器后面50Hz输出信号接到X通道，而Y通道接入可调的正弦信号
（2）分别调节两个通道让他们能够正常显示波形
（3）切换到X-Y模式，调整两个通道的偏转因子，使图形正常显示
（4）调节Y信号的频率，观测不同频率比例下的李萨如图
五、数据记录
1、频率测量
示波器频率计数器的测频精度 0.01%
示波器测频仪器误差 3%
函数信号发生器测频仪器误差 1%+1字
2、电压测量
示波器测量电压仪器误差3%
函数信号发生器仪器误差15%+1字
光速的测量
一、实验目的
1．根据波的基本概念，设计光波参数测量的方法。
2．熟悉和利用周期性光信号测定光速的实验方法。
二、实验原理
为产生光拍频波，要求相叠加的两光波具有一定的频差，这可通过超声与光波的相互作用来实现。在声光介质与声源（压电换能器）相对的端面敷以吸声材料，防止声反射，以保证只有声行波通过介质。超声在介质中传播，引起折射率的周期性变化，使介质成为一个位相光栅，激光束通过介质时要发生衍射。衍射光的圆频率与超声波的圆频率有关，第
级衍射光的圆频率
，其中
是入射光的圆频率， 
为超声波的圆频率， 
为衍射级，利用适当的光路使零级与+1级衍射光汇合起来，沿同一条路经传播，即可产生频差为的光拍频波。
三、实验仪器
CG—Ⅲ型光速测定仪
四、实验步骤
1． 熟悉实验装置；按上图连接线路（除示波器和频率计外，其余设备和器件都已安装在光速测定仪的机箱里。激光器、各种镜片、斩光器装在台面上。）
2．打开激光电源，调节激光电流至4.5mA左右。按照图1－8－5调节整个光路：激光束经过声光移频器射向小孔光阑，（此时声光移频器不加信号，也不开斩光器电源）。调整小孔光阑位置使激光束完全通过，并照射在450角放置的全反射镜片上。反射光再经一半反射镜片分成两束光（一束透射光、一束反射光），一束透射光直接经过另一个半反射镜反射后进入光电二极管接收器，这束光是近程光信号。另一束反射光经过台面上左右两排反射镜的几次反射，最后也经过同一个半反射镜进入信号接收器，这束光是远程光信号。调节斩光器的位置和高低，使两光束均能从斩光器的开槽中心通过。
3．依次调节各全反镜和半反镜的调整架螺丝，使远程和近程两光束在同一水平面内反射、传播，最后垂直入射到光电二极管接收器上。光电二极管接收器封装在左侧的小箱内，可以移开小天窗盖并调节光电二极管接收器位置。手动斩光器，使斩光器的喇叭口开槽置于遮断远程光而使近程光进入接收器位置。观察近程光信号是否照在了光电二极管接收器上（光电二极管的玻璃罩被照亮）。再手动斩光器遮断近程光而使远程光进入接收器位置。观察远程光信号是否照在了光电二极管接收器上（光电二极管的玻璃罩被照亮）。整个调节的目的是使近程和远程光信号以最大光强度照射到光电二极管接收器上。
4．接通12伏功率信号源直流稳压电源，调节功率信号源的输出频率，使衍射光最强。调节小孔光栏，使1级或零级衍射光通过。再次检查调节各全反镜和半反镜的调整架，使远程和近程两光束在同一水平面内反射、传播，最后垂直入射接收头。
5．打开斩光器电源，斩光器开始旋转，遮断（可用窄纸片）远程光而使近程光进入接收器，示波器上会有近程光的光拍信号波形出现，微调功率信号频率，使波形幅度最大。再遮断近程光使远程光照亮信号接收器，观察远程光的光拍信号波形是否与近程光的幅度相等，如不相等，可调节最后一个全反镜的俯仰，改变远程光进入接收器的光通量，使两波形的幅度相等（必要时还可在接受器外的光路上加一个会聚透镜，将远程光会聚起来入射接收器）。
6．按常规调节示波器：示波器上出现两个幅度大致相等但位相差不等于零的正弦波形。要测量相位相同时的光程差，必须找出两波形位相差为零的位置。可用两种方法：一种是观察两束拍频光波的波形，调整远程光距离，使两波形完全重合，此时两路光的程差即为拍频波长
。另一种方法是在示波器上调出两束光波的李萨如图形，这需要调整远程光距离找出相位相同点，且调节两光束幅度相同才可实现。李萨如图形如下图所示：因为调节李萨如图形对两束光波的要求较高，一般不易调出来，所以常用调节两波形完全重合的方法。
7．用手柄前后移动在轨道中段装有反射镜的滑动平板，改变两路光的程差，使示波器上两波形完全重合。此时，两路光的光程差即为拍频波长。
8．测量拍频波长，并用数字频率计精确测定功率信号源的输出频率
。反复进行多次，记录测量数据。计算He—Ne激光在空气中的传播速度及其标准误差。
五、注意问题
1、电动旋转式斩光器斩光时，任一时刻只有一束光通过而另一束被斩断，使两光路交替由接收器接受并输入示波器显示波形。利用示波器的显示屏的余晖，我们在单通道示波器上可同时看到两路拍频光波的波形，以达到比较两路光拍频波相位的目的。因此，为正确比较相位，必须用统一的时基，示波器工作且不可用在触发同步，应用功率信号做示波器的外触发同步信号，避免引起较大测量误差。
2、数字频率计使用在KHZ档位上。
3、由于设备上未安装标度尺，使用钢卷尺测量远近光程时应注意尽可能减小误差。
光电效应和普朗克常数的测定
一、实验内容：
1.通过实验加深对光的量子性了解；
2.通过光电效应实验，测定普朗克常数；
3.测量光电管的伏安特性曲线。
二、实验仪器：
汞灯、干涉滤光片（365nm，405nm，436nm，546nm，577nm）、光电管、光电效应测试仪，示波器
三、实验原理：
1.光电效应
图1所示的是研究光电效应的一种简单的实验装置。在光电管的阴极K和阳极A之间加上直流电压U，当用单色光照射阴极K时，阴极上就会有光电子逸出，即为光电效应。
图1 光电效应实验装置
图2 截止电压与入射光频率的关系图
爱因斯坦方程： 
（1）
其中m和vm是光电子的质量和最大速度，W为金属的逸出功，
是光电子逸出表面后所具有的最大动能。
截至电压与最大动能的关系：
（2）
光电子的最大出动能与入射光光强无关。
当入射光频率υ逐渐增大时，截至电压U0将随之线性增加。由（1）式和（2）式可知
（3）
对于每一种金属，只有当入射光频率υ大于一定的红限频率υ0时，才会产生光电效应。
光电效应是瞬时发生的。实验发现，只要入射光频率
，无论光多么弱，从光照射阴极到光电子逸出这段时间不超过10-9s。
2.普朗克常数测定
根据（3）式可知，测量不同频率的光截止电压，寻求频率v与截止电压U0的线性关系h/e，见图2，从而求得普朗克常数h。
四、实验步骤：
1．测量准备
（1）将测试仪及汞灯电源打开，预热20分钟。——汞灯及光电管的暗箱用遮光罩罩住
（2）调整光电管与汞灯的距离，约为40厘米。并保持不变。
（3）用专用电缆将光电管暗箱电压输入端与测试仪电压输出端连接起来。
（4）将“电流量程”选择开关置于所选档位（截止电压测试为10-13，伏安特性测试为10-10）。
（5）调零：将光电管暗箱电流输出端k与测试仪微电流输入端断开，调节电压，使电流表指示为000.0。
（6）确认调零。按“调零确认/系统清零”按钮。
（7）选取“截至电压”测量，“手动”模式。
2．测量截至电压
（1） 撤去光电管入口遮光罩，将2mm的光阑放入光电管入口处；
（2） 撤去汞灯灯罩；
（3） 将波长为365nm的滤波片套在光电管入口处，此时仪表所显示的就是对应波长的光电管电压与电流值；
（4） 轻点“电压调整”周围的“<”和“>”以及“ ”和“ ”来改变电压，观察电流的变化，当电流指示约为“000.0”，此时的电压表指示就是该波长光所对应的截止电压。
（5） 将365nm滤光片依次换成405nm、436nm、546nm、577nm的滤光片，重复3~4步骤。分别记录各自的截止电压。
3．光电管伏安特性测试
（1） 按“系统清零/调零确认”按钮，重复1中步骤（4）~（6）；
（2） 选取“伏安特性”测量，“手动”模式（或“自动”模式）。
（3） 将某一波长的滤光片套在光电管入口处，改变电压，从-1v开始增加，最高电压为50v，分别记录各电压下所对应的光电流。
（4） 将电压为横坐标，光电流为纵坐标，在图中描绘出曲线，即为该波长伏安特性曲线。
注意：在“自动”模式下，系统默认电压范围为“-1.0V~35V”。
硅光电池特性研究
一、实验目的
1、掌握PN结形成原理及其单向导电性等工作机理。
2、了解LED发光二极管的驱动电流和输出光功率的关系。
3、掌握硅光电池的工作原理及负载特性。
二、实验仪器
THKGD-1型硅光电池特性实验仪，函数信号发生器，双踪示波器。
三、实验原理
1、PN结的形成及单向导电性
PN结具有单向导电性。在PN结上加正向电压时，PN结电阻很低，正向电流较大，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。
2、LED的工作原理
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
有关。发光波长
可由下式确定：
其中
为普朗克常数，
为光速。在实际的半导体材料中能级间隙有一个宽度，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
与驱动电流
的关系由下式确定：
其中中，
为发光效率，
为光子能量，
为电子电荷常数。
3、硅光电池的工作原理
光电转换器件主要是利用物质的光电效应，即当物质在一定频率的照射下，释放出光电子的现象。当光照射金、金属氧化物或半导体材料的表面时，会被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够大，吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而溢出材料表面，这种电子称为光电子，这种现象称为光电子发射，又称为外光电效应。有些物质受到光照射时，其内部原子释放电子，但电子仍留在物体内部，使物体的导电性增强，这种现象称为内光电效应。
4、硅光电池的负载特性
光电池作为电池使用如图4-30-6所示。在内电场作用下，入射光子由于内光电效应把处于介带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压，在光电池两端加一个负载就会有电流流过，当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。实验时可改变负载电阻RL的值来测定硅光电池的伏安特性。
硅光电池伏安特性的测定
四、实验步骤
硅光电池特性实验仪框图如上图所示。超高亮度LED在可调电流和调制信号驱动下发出的光照射到光电池表面,功能转换开关可分别打到零偏﹑负偏或负载。
1、硅光电池零偏和负偏时光电流与输入光信号关系特性测定
打开仪器电源，调节发光二极管静态驱动电流，其调节范围为0～20mA（相应于发光强度指示0～2000），将功能转换开关分别打到零偏和负偏，将硅光电池输出端连接到I/V转换模块的输入端，将I/V转换模块的输出端连接到数显电压表头的输入端，分别测定光电池在零偏和负偏时光电流与输入光信号关系。记录数据并在同一张方格纸上作图，比较硅光电池在零偏和负偏时两条曲线关系，求出硅光电池的饱和电流Is。
2、硅光电池输出接恒定负载时产生的光伏电压与输入光信号关系测定
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（如取10K）和数显电压表，从0～20mA（指示为0～2000）调节发光二极管静态驱动电流，实验测定光电池输出电压随输入光强度变化的关系曲线。
3、硅光电池伏安特性测定
在硅光电池输入光强度不变时（取发光二极管静态驱动电流为15mA），测量当负载从0～100kΩ的范围内变化时，光电池的输出电压随负载电阻变化关系曲线。
4、硅光电池频率响应的测定
将功能转换开关分别打到“零偏”和“负偏”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10mA（指示为1000），在信号输入端加正弦调制信号，使LED发送调制的光信号，保持输入正弦信号的幅度不变，调节函数信号发生器频率，用示波器观测并记录发送光信号的频率变化时，光电池输出信号幅度的变化，测定光电池在零偏和负偏条件下的幅频特性，并测定其截止频率。将测量结果记录在自制的数据表格中。比较光电池在零偏和负偏条件下的实验结果，分析原因。