硅光电池特性研究实验

       【实验原理】

    在p型硅片上扩散一层极薄的n型层，形成pn结，再在该硅片的上下两面各制一个电极(其中光照面的电极成“梳状”，并在整个光照面镀上增透膜，利于光的入射)，这样就构成了硅光电池，如图5.7.1(a)所示。光电池的符号见图5.7.1(b)。

当光照射在硅光电池的光照面上时，若入射光子能量大于硅的能隙时，光子能量将被半导体吸收，产生电子一空穴对。它们在运动中一部分重新复合，其余部分在到达pn结附近时受pn结内电场的作用，空穴向p区迁移，使p区显示正电性，电子向n区迁移，使n区带负电，因此在pn结上产生电动势。如果在硅光电池两端连接电阻，回路内就形成电流，这是硅光电池发生光电转换的原理。

硅光电池(以下简称光电池)的简化等效电路如图5.7.2所示。

(1)在无光照时，光(生)电流，光电池可以简化为二极管如图5.7.3。根据半导体理论，流经二极管的电流与其两端电压的关系符合以下经验公式

                                              （5.7.1）

式中：β和是常数。

(2)有光照时，>o，光电池端电压与电流的关系为

                           (5.7.2)

    由式(5.7.2)，可以得到以下结论：

①当外电路短路时，短路电流，光电流全部流向外电路。

②当外电路开路时，开路电压即，开路电压与短路电流满足对数关系；如果与光通量(或照度)有线性关系，则与光通量也满足对数关系。

由于二极管的分流作用，负载电阻愈大，光电池的输出电流愈小，实验可以证明这时输出电压却愈大。因此，在入射光能量不变化的情况下，要从光电池获取最大功率，负载电阻要取恰当的值。

【预习要求】

(1)通过预习，了解硅光电池的工作原理，大致了解实验内容。

(2)写预习报告，按要求在数据记录纸上画好待填表格。

【实验报告要求】

(1)     记录实验过程，包括实验步骤、各种实验现象和数据处理等。

    (2)分析各实验结果并要得到结论。可就实验中涉及的、你感兴趣的1～2个问题作较深入讨论。

    (3)实验曲线可用计算机绘制(推荐用Excel软件)，也可手画。

    ①用原始数据表5.7.1的数据，画出InI~v曲线。如果是直线，计算和 (利用条件I>>)，写出在没有光照情况下光电池的端电压(正向偏压)与电流之间的经验公式，由此可以间接验证经验公式(5.7.1)。

    ②利用数据表5.7.2的数据，作出与光通量的关系曲线，设与1/L2的比系数等于1，由曲线得到什么结论?

③根据表5.7.3，画出曲线，它是什么曲线?

 ④根据表5.7.4、5.7.5，在一张图上分别画出光电池输出电压与负载电阻、输出电流与负载电阻的关系曲线，并由此在同一图上得到负载电阻与输出功率的关系；确定光电池的最大输出功率Pm以及最大输出功率时的负载电阻Re(最佳匹配电阻)。

 ⑤利用表5.7.6、5.7.7、5.7.8、5.7.9，在一张图上分别画出上下两片光电池的伏安特性以及它们串、并联后的伏安特性，从四条曲线能得到什么结论?

 ⑥根据表5.7.10，画出关系图，此图说明什么?

 【思考题】

  (1)光电流与短路电流有什么关系?

  (2)对实验中所用滤光片的透射曲线应有什么要求?

  (3)严格地说，本实验得到的光电池光谱特性并不能准确描述光电池对入射光中各频率分量的响应特性，或者说，这样得到的光谱特性，还包含了其他因素的影响，这些影响因素是什么?

  (4)通过实验，对光电池总体有什么认识?

  (5)硅光电池是一种半导体元件，人们在研究半导体元件的外特性时，通常要研究它们的温度特性和对信号的频率响应特性。不限于本实验器材，有什么方案测量以上两种特性?

  (6)把光电池当作光电转换元件，你能设计一个实验或一种测量装置吗?

第二篇：测试实验7硅光电池

北京工业大学

机械工程及应用电子技术学院

测试技术基础

实验报告

姓名：

学号：

同组成员：

成绩：

2015.12

实验七 硅光电池特性测试实验

一、实验目的

1.       深入了解光敏二极管的工作原理、基本结构、性能及应用

2.       了解NI数据采集卡的基本应用

3.       了解利用虚拟仪器进行信号处理的方法

二、实验仪器

光电传感器实验模块、恒流源、直流稳压电源、数显单元、NI数据采集卡等。

三、实验原理

光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的，它的核心部分是一个PN结。为了便于接受光照，PN结面积较大，电极面积较小，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。

光电二极管主要利用光电效应，当物质在一定频率的照射下，释放出光电子的现象。当光照射半导体材料表面是，会被这些材料内的电子吸收，如果光子的能量足够大，吸收光子后的电子会挣脱原子的束缚而溢出材料表面，这种电子叫光电子，这种现象称为光电子发射或外光电效应。当外加偏置电压与结内电场方向一致，PN结及其附近被光照射时候，就会产生载流电子（及电子-空穴对）。结区内的电子-空穴对在势垒区电场的作用下，电子被拉向N区，空穴被拉向P区形成光电流。当入射光强变化时，光生载子流的浓度及通过外回路的光电流也随之变化，这种变化一般保持线性关系。

当没有光照时，光电二极管相当于普通二极管。伏安特性为

式中I为总电流，Is为反向饱和电流，e为电子电荷，k为玻尔兹曼常量，T为工作绝对温度，V为二极管两端电压。I随V指数增长，称为正向电流，当外加电压反向时，在反向击穿电压之内，反向饱和电流为常数。

当有光照时候，流过PN结两端的电流：

式中I为总电流，Is为反向饱和电流，e为电子电荷，k为玻尔兹曼常量，T为工作绝对温度，V为PN结两端电压，Ip为反向光电流。从式中可以看出，当光电二极管处于零偏时，V=0，I=Ip，当光电二极管负偏时（取-4V），I=Ip-Is。因此，光电二极管用作光电转换器时，须处于零偏或负偏。

 

光电二极管把接受的信号转变为与之正比的电流信号，在经过I/V转换模块把电流变为成正比的电压信号。

四、实验内容与步骤

 1、光敏二极管置于光电传感器模块上的暗盒内，其两个引脚引到面板上。 通过实验导线将光电二极管接到光电流/电压转换电路的VD 两端、光电流/电压转换输出接 数据采集卡AI0 通道。

 2、打开实验台电源，将±15V 电源接入传感器应用实验模块。将光电二极管“+”极接地 或者-4V。

3、0～20mA 恒流源接LED 两端，调节LED 驱动电流改变暗盒内的光照强度。

 4、打开LabVIEW程序“硅光电池特性测试实验”，在步长中输入每次采样输入电流的变 化量（一般设为1mA），选择测量模式（零偏/负偏）。

 5、运行“硅光电池特性测试实验”按照设定的步长调节恒流源的输出，改变LED 的光照 强度，按下“采样”采集对应的电压值，经过十次采样后得到得到电压-电流曲线。

五、实验数据及处理、分析

思考题：1.零偏与负偏区别。

硅光电池原理上其实是一个二极管。在检测光照或光强的时候，这个二极管在电路中是反接的，处于截止状态的，有光照的时候，会产生电流，在没有光照时候，近乎可以认为是没有电流的。因此，在零偏的时候，理论上，该电池是在工作的，但实际你没有办法检测电流（负载是无限大的），实际工作时候，需要在负偏状态下进行的。

2、说明光敏二极管和普通二极管在结构，原理和使用方法上的差别。

结构：结构上类似，但光敏二极管管芯是一个具有光敏特性的PN结。

原理：无光照时，为普通二极管。有光照时，饱和反向漏电流增加，形成交电流，随

着入射光强而增加。光敏二极管具有“光电导”特性，即它获得的电信号随着光的变化而相

应变化，而普通二极管没有这个特性。

使用:光敏二极管可用于光电转换器件，能把光能转换成电能；而普通二极管用于整

流、开关和稳压等。