KGD-Ⅱ型硅光电池特性

实验仪使用说明书

西安超凡光电设备有限公司

KGD-Ⅱ型硅光电池特性实验仪

一、实验目的

1．了解和研究硅光电池的主要参数和基本特性，自己设计、连接光路和电路进行实验操作。

2．研究硅光电池在光照下产生的光电流，光伏电压与输入光信号的关系。

3．研究硅光电池的输出特性。

4．测定硅光电池的频率响应。

二、仪器组成

实验仪由发光二极管的驱动和调制电路，发送光强度指示，硅光电池及I/V转换模块、接收光强度指示、电阻箱等组成。KGD-Ⅱ型在Ⅰ型的基础上增加了函数信号发生器，将实验配套设备减少到只需一台双踪示波器。

三、实验原理

1、引言

硅光电池是一种能量转换器，它能直接把光能转换为电能。它也是一种将变化的光信号直接转换成相应变化的电信号的光电转换器件。硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元。硅光电池具有光电转换效率高、性能稳定、使用寿命长、重量轻、耐高温辐射、光谱范围宽、频率响应好、使用方便等优点。在数码摄像、光通信、太阳能电池等领域得到广泛应用，在现代科学技术中占有十分重要的地位。

2、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。当光照射金属、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产生电子——空穴对。图1是普通N/P型硅光电池结构示意图。当半导体PN结处于零偏或负偏时，它们的结合面耗尽区存在一内电场。当没有光照射时，光电二极管相当于普通的二极管。其伏安特性是

                    (1)

式（1）中I为流过二极管的总电流，I_s为反向饱和电流，e为电子电荷，k为波尔兹曼常量，T为工作绝对温度，V为加在二极管两端的电压。对于外加正向电压，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，反向饱和电流基本上是个常数。

图1 光电池结构示意图

当有光照时，入射光子将把处于介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飘移到N型区和P型区，从而产生光伏电压。当在PN结两端加负载时就有一光生电流流过负载。流过PN结两端的电流可由式（2）确定：

      （2）

此式表示硅光电池的伏安特性。式（2）中，I_p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=I_p；当光电池处于负偏时（例如取V=-5V），流过PN结的电流I=I_p+I_SO。因此，当光电池用作光电转换器件时，光电池必须处于零偏或负偏状态。比较（1）式和（2）式可知，硅光电池的伏安特性曲线相当于把普通二极管的伏安特性曲线向下平移。

硅光电池的伏安特性曲线如图2所示。当电池不受光照时，起一个二极管的作用，外加电压与电流间的关系称为光电池的暗特性。光电池的正向电阻与反向电阻相差很大。光电池的电阻不仅在受光照时与未受光照时不同，而且还受入射光强度不同而变化，入射光强度越大，光电池电阻越小。

如果光照恒定，当光电压增加到P—N结的正向电流全部抵消了光电流时，光电压不再增大，达到一稳定状态，与之相对应的光生电压称为光电池的开路电压，用U_oc表示，如图2所示。图中I_sc为光电池的短路电流。光电池两端短路时，光生电流全部流入外电路，不可能在P-N结两边形成载流子的积累，光电压为零。这时通过外电路的电流称为短路电流。它是光电池在一定光照射下，外电路中所能得到的最大电流，在不考虑其它损耗的情况下，短路电流I_SC与光电流I_L相等。理论分析表明，短路电流I_SC随光强线性增加，而开路电压U_OC随光强呈对数增加。如图3所示。

                  图2 硅光电池的I—U特性曲线

3、硅光电池的输出特性

在一定的光照条件下，硅光电池的输出特性曲线如图4所示。当硅光电池通过负载R_L闭合后，R_L从0变到无穷大时，输出电压则从0变压U_oc，同时输出电流从I_sc变到0，由此可得电池的输出特性曲线。曲线上任何一点都可以作为工作点，工作点所对应的纵横座标，即为工作电流和工作电压。两者的乘积

                     P=IU                      （3）

为电池的输出功率，I_mp、U_mp为该电池的最佳工作点，故最大输出功率为

                     P_max=I_mp×U_mp                （4）

四、实验内容与步骤

1、硅光电池特性实验仪电路

硅光电池特性实验仪框图如图5所示。超高亮度发光二极管（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，偏置选择开关可分别打到零偏、负偏或负载。

图5 硅光电池特性实验仪框图

某些半导体材料形成的PN结加正向电压时，空穴和电子在PN结复合时将产生特定波长的光。用这种材料制成发光二极管。LED输出的光功率P与驱动电流的关系由式（5）确定：

                      P=ηE_pI/e                    （5）

式（5）中，η为发光效率，E_p为光子能量，e为电子电荷常数。

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。实验仪采用的发光二极管驱动和调制电路框图如图6所示。本实验用一个驱动电流可调的红色超高亮度发光二极管作为实验用光源。信号调制采用光强度调制的方法，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。设定的静态驱动电流调节范围为0～20毫安，对应面板上的光发送强度驱动显示值为0～2000单位。正弦调制信号经电容、电阻网络及运放跟随器隔离后耦合到放大环节，与发光二极管静态驱动电流叠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7所示，变化的光信号可用于测定光电池的频率响应特性。

图6 发送光的设定、驱动和调制电路框图          图7 LED发光二极管的正弦信号调制原理

图8是光电池光电信号接收端的工作原理框图。在零偏或负偏状态下，光电池把接收到的光信号转变为与之成正比的电流信号，再经I/V变换器把光电流信号转换成正比的电压信号。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，比较光电池零偏和反偏时的信号，据此可通过示波器测定光电池的频率响应特性。

                        图8 光电池光电信号接收框图

2、测量硅光电池零偏和负偏时光电流与输入光信号关系特性

将硅光电池输出端连接到I/V变化器的输入端，将I/V变化器的输出端连接到数字电压表头的输入端。打开电源，调节发送光强度旋钮，将发光二极管静态驱动电流由0逐渐变化到20mA（相应于发光强度指示0～2000），将偏置选择开关分别打到零偏和负偏。分别测定光电池在零偏和负偏时，光电流与发送LED光强度的关系。记录数据并在同一张光格纸上作图，比较硅光电池在零偏和负偏时两条曲线的关系，求出硅光电池的饱和电流I_so（为两条曲线数据之差）。做出的图形为两条幅度不同大小的曲线，根据具体情况取几个点求平均值即可。

3、测定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的关系

将偏置选择开关打到“负载”处，将硅光电池输出端连接恒定负载电阻（如电阻箱取10KΩ）和数显电压表。从0～20mA（指示0～2000）调节流过LED的静态驱动电流，实验测定光伏电压随发送光强度变化的关系曲线。

4、测定硅光电池的输出特性（V-I特性）

实验电路的连接同上。在硅光电池输入光强度不变时（取LED静态驱动电流为15mA），测量当负载从0～99990KΩ的范围内变化时，记录光电池的输出电压随负载变化的数据，由相应的电压和电阻值计算出光电池输出的光电流值，依据电流和电压值在方格纸上绘出硅光电池的输出特性。并根据曲线的趋向确定其开路电压U_oc和短路电流I_sc的大小。

5、测量硅光电池频率响应

将偏置选择开关分别打到“零偏”和“负偏”处，将硅光电池输出连接到I/V转换器的输入端。调节LED偏置电流为10mA（指示为1000）给LED输入端加正弦调制信号，使LED发送调制的光信号，用双踪示波器CH1路监测发送信号，用CH2观测I/V变换器的输出信号。旋转“幅值”旋钮，使CH1测得的正弦信号不失真。由低到高逐渐增加函数发生器频率，同时调节“幅值”旋钮，保持输入正弦信号的幅值不变，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。

说明书最后附有仪器的面板图，光发送单元、光路单元、接收单元、电阻箱、函数发生器（信号源）等各自独立，实验者可自行连接，以完成实验内容。

五、思考题

1、光电池在工作时（用作光电探测器）为什么要处于零偏和负偏？

2、光电探测器的响应与投射到探测器上的光强有无关系？

3、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伏？如何获得高电压大电流输出的光电池？

       

第二篇：光电池特性2

实验四  光电池特性测试

一:实验原理:

  光电池的结构其实是一个较大面积的半导体PN结，工作原理即是光生伏特效应,当负载接入PN两极后即得到功率输出。

二:实验所需器件:

  两种光电池、各类光源、测试电路、电压表(4 1/2位)自备、微安表

三:实验步骤:

图(16)为光电池结构原理及测试电路。

1.       光电池短路电流测试：

光电池的内阻在不同光照时是不同的，所以在测得暗光条件下光电池的内阻后,应选用相对小得多的负载电阻。(这样所测得的电流近似短路电流)试用阻值为5、10、20、30Ω的负载电阻接入测试电路。打开光源，在不同的距离和角度照射光电池，记录光电流的变化情况，可以看出，负载电阻越小，光电流与光强的线性关系就越好。

2.       光电池光电特性测试：

光电池的光生电动势与光电流和光照度的关系为光电池的光电特性。

用遮光罩盖住光电器件模板，用电压表或4 1/2位万用表测得光电池的电势，取走遮光罩，打开光源灯光，改变灯光投射角度与距离，即改变光电池接收的光通量，测量光生电动势与光电流的变化情况，可以看出，它们之间的关系是非线性的，当达到一定程度的光强后，开路电压就趋于饱和了。

光电池光谱特性测试：

光电池的光谱特性可参见图（18）所示，硒光电池的光谱响应范围 30~70µm，硅光电池的光谱响应在50~100µm。

3.       光电池接入图（16）测试电路，在各种光照条件下（自然光、白炽灯、日光灯、光源光、激光）测得光生电势与光电流，或按光电器件光谱特性的测试方法，将各种光源在额定工作电压下光照光电池时产生的光电势、光电流做比较。

             

图（17）光电池的光谱特性曲线

4．光电池伏安特性测试：

     

图（18）光电池的伏安特性曲线

当光电池负载为电阻时，光照射下的光电池的输出电压与电流的关系。见图（19）。曲线与横坐标的交点为光电池开路电压值，与纵坐标的交点为短路电流值。当接入负载电阻RL时，负载线RL与伏安特性曲线的交点为工作点，此时光电池的输出电流与电压的乘积为光电池的输出功率P光。

图（19）硅光电池的光电特性曲线

5．按照本实验步骤1，分别测得在不同负载条件下，光电池的输出功率，求得最佳工作点。

6.将光电池分别串、并联,测出其工作性能与输出功率,并得出定性的结论。

四:注意事项:

  光电池串、并联时请注意电压极性，以免电压相互抵消或短路。

光电池应用------光强计

一:实验所需部件:

光电池(或串或并均可)、光强测试电路单元

                                                       

二:实验步骤:

1.       按图(20)将光电池接入光电池实验单元，注意电池极性。发光二极管接入时也应注意极性。

2.       调节光电池受光强度，分别在光照很暗、正常光照和光照很强时观察两个发光二极管不亮、稍亮、两个都很亮，这样就形成了一个简易的光强计。

三:思考题：

如何将此电路改造成可更细分光照强度的光强计?