硅光電池特性測試實(shí)驗

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1、硅光電池特性測試實(shí)驗一、實(shí)驗?zāi)康?、學(xué)習(xí)掌握硅光電池的工作原理2、學(xué)習(xí)掌握硅光電池的基本特性3、掌握硅光電池基本特性測試方法4、了解硅光電池的基本應(yīng)用二、實(shí)驗內(nèi)容1、硅光電池短路電路測試實(shí)驗2、硅光電池開路電壓測試實(shí)驗3、硅光電池光電特性測試實(shí)驗4、硅光電池伏安特性測試實(shí)驗5、硅光電池負(fù).載特性測試實(shí)驗6、硅光電池時間響應(yīng)測試實(shí)驗7、硅光電池光譜特性測試實(shí)驗三、實(shí)驗儀器1、光電探測綜合實(shí)驗儀1個2、光通路組件1只3、硅光電池封裝組件1套4、光照度計1臺5、2#迭插頭對（紅色，50cm）10根6、2#迭插頭對（黑色，50cm）10根7、三相電源線1根8

2、、實(shí)驗指導(dǎo)書1本9、20M示波器1臺四、實(shí)驗原理1、硅光電池的基本結(jié)構(gòu)目前半導(dǎo)體光電探測器在數(shù)碼攝像﹑光通信﹑太陽電池等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，硅光電池是半導(dǎo)體光電探測器的一個基本單元，深刻理解硅光電池的工作原理和具體使用特性可以進(jìn)一步領(lǐng)會半導(dǎo)體PN結(jié)原理﹑光電效應(yīng)理論和光伏電池產(chǎn)生機(jī)理。零偏反偏正偏圖4-1.半導(dǎo)體PN結(jié)在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗盡區(qū)圖4-1是半導(dǎo)體PN結(jié)在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗盡區(qū)，當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體材料結(jié)合時，由于P型材料空穴多電子少，而N型材料電子多空穴少，結(jié)果P型材料中的空穴向N型材料這邊擴(kuò)散，N型材料中的電子向P型材料這邊擴(kuò)散，擴(kuò)

3、散的結(jié)果使得結(jié)合區(qū)兩側(cè)的P型區(qū)出現(xiàn)負(fù)電荷，N型區(qū)帶正電荷，形成一個勢壘，由此而產(chǎn)生的內(nèi)電場將阻止擴(kuò)散運(yùn)動的繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)兩者達(dá)到平衡時，在PN結(jié)兩側(cè)形成一個耗盡區(qū)，耗盡區(qū)的特點(diǎn)是無自由載流子，呈現(xiàn)高阻抗。當(dāng)PN結(jié)反偏時，外加電場與內(nèi)電場方向一致，耗盡區(qū)在外電場作用下變寬，使勢壘加強(qiáng)；當(dāng)PN結(jié)正偏時，外加電場與內(nèi)電場方向相反，耗盡區(qū)在外電場作用下變窄，勢壘削弱，使載流子擴(kuò)散運(yùn)動繼續(xù)形成電流，此即為PN結(jié)的單向?qū)щ娦?電流方向是從P指向N。2、硅光電池的工作原理硅光電池是一個大面積的光電二極管，它被設(shè)計用于把入射到它表面的光能轉(zhuǎn)化為電能，因此，可用作光電

4、探測器和光電池，被廣泛用于太空和野外便攜式儀器等的能源。光電池的基本結(jié)構(gòu)如圖3，當(dāng)半導(dǎo)體PN結(jié)處于零偏或反偏時，在它們的結(jié)合面耗盡區(qū)存在一內(nèi)電場，當(dāng)有光照時，入射光子將把處于價帶中的束縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶，激發(fā)出的電子空穴對在內(nèi)電場作用下分別飄移到N型區(qū)和P型區(qū)，當(dāng)在PN結(jié)兩端加負(fù)載時就有一光生電流流過負(fù)載。流過PN結(jié)兩端的電流可由式1確定圖4-2.光電池結(jié)構(gòu)示意圖式（1）中Is為飽和電流，V為PN結(jié)兩端電壓，T為絕對溫度，Ip為產(chǎn)生的光電流。從式中可以看到，當(dāng)光電池處于零偏時，V=0，流過PN結(jié)的電流I=Ip；當(dāng)光電池處于反偏時（在本實(shí)驗中取V=-5V

5、），流過PN結(jié)的電流I=Ip-Is，因此，當(dāng)光電池用作光電轉(zhuǎn)換器時，光電池必須處于零偏或反偏狀態(tài)。光電池處于零偏或反偏狀態(tài)時，產(chǎn)生的光電流Ip與輸入光功率Pi有以下關(guān)系：式(2)中R為響應(yīng)率，R值隨入射光波長的不同而變化，對不同材料制作的光電池R值分別在短波長和長波長處存在一截止波長，在長波長處要求入射光子的能量大于材料的能級間隙Eg，以保證處于介帶中的束縛電子得到足夠的能量被激發(fā)到導(dǎo)帶，對于硅光電池其長波截止波長為λc=1.1μm，在短波長處也由于材料有較大吸收系數(shù)使R值很小。3、硅光電池的基本特性(1)短路電流圖4-3硅光電池短路電流測試如圖4

6、-3所示，不同的光照的作用下，毫安表如顯示不同的電流值。在不同的光照作用下，硅光電池短路時的電流值也不同，即為硅光電池的短路電流特性。(2)開路電壓圖4-4硅光電池開路電壓測試如圖4-4所示，不同的光照的作用下，電壓表如顯示不同的電壓值。在不同的光照作用下，硅光電池開路時的電壓也不同，即為硅光電池的開路電壓特性。(3)光照特性光電池在不同光照度下，其光電流和光生電動勢是不同的，它們之間的關(guān)系就是光照特性。如圖4-5所示即為硅光電池光生電流和光生電壓與光照度的特性曲線。在不同的偏壓的作用下，硅光電池的光照特性也有所不同。0.30.20.10光生電流/m

7、A0.60.40.2020004000短路電流開路電壓光生電壓/V光照度/Lx圖4-5硅光電池的光照電流電壓特性(4)伏安特性如圖4-6，在硅光電池輸入光強(qiáng)度不變時，測量當(dāng)負(fù)載一定的范圍內(nèi)變化時，光電池的輸出電壓及電流隨負(fù)載電阻變化關(guān)系曲線稱為硅光電池的伏安特性。其特性曲線如下圖4-6所示圖4-6硅光電池伏安特性檢測電路圖如下圖4-7所示：圖4-7硅光電池的伏安特性測試(5)負(fù)載特性(輸出特性)光電池作為電池使用如圖4-8所示。在內(nèi)電場作用下，入射光子由于內(nèi)光電效應(yīng)把處于介帶中的束縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生光伏電壓，在光電池兩端加一個負(fù)載就會有電流流過

8、，當(dāng)負(fù)載很小時，電流較小而電壓較大；當(dāng)負(fù)載很大時，電流較大而電壓較小。實(shí)驗時可改變負(fù)載電阻RL的值來測定硅光