硅光電池特性測試實驗報告.doc

硅光電池特性測試實驗報告系別：電子信息工程系班級：光電08305班組長：祝李組員：賀義貴、何江武、占志武實驗時間：2010年4月2日指導(dǎo)老師：王凌波2010.4.6目 錄一、實驗?zāi)康亩?、實驗?nèi)容三、實驗儀器四、實驗原理五、注意事項六、實驗步驟七、實驗數(shù)據(jù)及分析八、總結(jié)16一、實驗?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、實驗內(nèi)容1、硅光電池短路電路測試實驗2、硅光電池開路電壓測試實驗3、硅光電池光電特性測試實驗4、硅光電池伏安特性測試實驗5、硅光電池負載特性測試實驗6、硅光電池時間響應(yīng)測試實驗7、硅光電池光譜特性測試實驗設(shè)計實驗1：硅光電池光控開關(guān)電路設(shè)計實驗設(shè)計實驗2：簡易光照度計設(shè)計實驗三、實驗儀器1、硅光電池綜合實驗儀 1個2、光通路組件 1只3、光照度計 1臺4、2#迭插頭對（紅色，50cm） 10根5、2#迭插頭對（黑色，50cm） 10根6、三相電源線 1根7、實驗指導(dǎo)書 1本8、20M 示波器 1臺四、實驗原理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)生機理。零偏反偏正偏圖 2-1. 半導(dǎo)體PN結(jié)在零偏反偏正偏下的耗盡區(qū) 圖2-1是半導(dǎo)體PN結(jié)在零偏反偏正偏下的耗盡區(qū)，當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型材料這邊擴散，N型材料中的電子向P型材料這邊擴散，擴散的結(jié)果使得結(jié)合區(qū)兩側(cè)的P型區(qū)出現(xiàn)負電荷，N型區(qū)帶正電荷，形成一個勢壘，由此而產(chǎn)生的內(nèi)電場將阻止擴散運動的繼續(xù)進行，當兩者達到平衡時，在PN結(jié)兩側(cè)形成一個耗盡區(qū)，耗盡區(qū)的特點是無自由載流子，呈現(xiàn)高阻抗。當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；當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，使載流子擴散運動繼續(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2-2，當半導(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，當有光照時，入射光子將把處于介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)，當在PN結(jié)兩端加負載時就有一光生電流流過負載。流過PN結(jié)兩端的電流可由式1確定圖 2-2.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，當光電池處于零偏時，V=0，流過PN結(jié)的電流I=Ip；當光電池處于反偏時（在本實驗中取V=-5V），流過PN結(jié)的電流I=Ip-Is，因此，當光電池用作光電轉(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：3、硅光電池的基本特性(1) 短路電流 圖2-3 硅光電池短路電流測試如圖2-3所示，不同的光照的作用下， 毫安表如顯示不同的電流值。即為硅光電池的短路電流特性。 (2)開路電壓圖2-4 硅光電池開路電壓測試如圖2-4所示，不同的光照的作用下， 電壓表如顯示不同的電壓值。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2-5。0.30.20.10光生電流 / mA0.60.40.202 0004 000短路電流開路電壓光生電壓/ V光照度 /Lx圖2-5 硅光電池的光照電流電壓特性(4)伏安特性 如圖2-6，在硅光電池輸入光強度不變時，測量當負載一定的范圍內(nèi)變化時，光電池的輸出電壓及電流隨負載電阻變化關(guān)系曲線稱為硅光電池的伏安特性。圖2-6 硅光電池的伏安特性測試(5)負載特性(輸出特性)光電池作為電池使用如圖2-7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載就會有電流流過，當負載很小時，電流較小而電壓較大；當負載很大時，電流較大而電壓較小。實驗時可改變負載電阻RL的值來測定硅光電池的負載特性。圖2-7 硅光電池負載特性的測定在線性測量中，光電池通常以電流形式使用，故短路電流與光照度（光能量）呈線性關(guān)系，是光電池的重要光照特性。實際使用時都接有負載電阻RL，輸出電流IL隨照度（光通量）的增加而非線性緩慢地增加，并且隨負載RL的增大線性范圍也越來越小。因此，在要求輸出的電流與光照度呈線性關(guān)系時，負載電阻在條件許可的情況下越小越好，并限制在光照范圍內(nèi)使用。光電池光照與負載特性曲線如圖2-8所示。圖2-8 硅光電池光照與負載特性曲線(5) 光譜特性 一般光電池的光譜響應(yīng)特性表示在入射光能量保持一定的條件下，光電池所產(chǎn)生短路電流與入射光波長之間的關(guān)系。一般用相對響應(yīng)表示，實驗中硅光電池的響應(yīng)范圍為4001100nm，峰值波長為800900nm，由于實驗儀器所提供的波長范圍為400650nm，因此，實驗所測出的光譜響應(yīng)曲線呈上升趨勢，如圖2-9所示硅光電池頻率特性曲線。圖2-9 硅光電池的光譜曲線（6）時間響應(yīng)與頻率響應(yīng) 實驗證明，光電器件的信號的產(chǎn)生和消失不能隨著光強改變而立刻變化，會有一定的惰性，這種惰性通常用時間常數(shù)表示。即當入射輻射到光電探測器后或入射輻射遮斷后，光電探測器的輸出升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需時間稱為響應(yīng)時間。為衡量其長短，常用時間常數(shù)的大小來表示。當用一個輻射脈沖光電探測器，如果這個脈沖的上升和下降時間很短，如方波，則光電探測器的輸出由于器件的惰性而有延遲，把從10%上升到90%峰值處所需的時間稱為探測器的上升時間，而把從90%下降到10%所需的時間稱為下降時間。如圖所示圖2-10 上升時間和下降時間（a）入射光脈沖方波（b）響應(yīng)時間五、注意事項1、當電壓表和電流表顯示為“1”是說明超過量程，應(yīng)更換為合適量程；2、連線之前保證電源關(guān)閉。3、實驗過程中，請勿同時撥開兩種或兩種以上的光源開關(guān)，這樣會造成實驗所測試的數(shù)據(jù)不準確。六、實驗步驟1、硅光電池短路電流特性測試實驗裝置原理框圖如圖2-11所示。 圖2-11 硅光電池短路電流特性測試（1）組裝好光通路組件，將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）“光照度調(diào)節(jié)”調(diào)到最小，連接好光照度計，直流電源調(diào)至最小，打開照度計，此時照度計的讀數(shù)應(yīng)為0。（3）“光源驅(qū)動單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)”，將撥位開關(guān)S1撥上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。（4）按圖2-11所示的電路連接電路圖（5）打開電源順時針調(diào)節(jié)照度調(diào)節(jié)旋鈕，使照度值依次為下表中的光照度值，分別讀出電流表讀數(shù)，填入下表，關(guān)閉電源。光照度（Lx）0100200300400500600光生電流（uA）（6）上表中所測得的電流值即為硅光電池相應(yīng)光照度下的短路電流。（7）實驗完畢，關(guān)閉電源，拆除所有連線。2、硅光電池開路電壓特性測試實驗裝置原理框圖如圖2-12所示。圖2-12 硅光電池開路電壓特性測試（1）組裝好光通路組件，將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）“光照度調(diào)節(jié)”調(diào)到最小，連接好光照度計，直流電源調(diào)至最小，打開照度計，此時照度計的讀數(shù)應(yīng)為0。（3）“光源驅(qū)動單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)”，將撥位開關(guān)S1撥上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。（4）按圖2-12所示的電路連接電路圖（5）打開電源順時針調(diào)節(jié)照度調(diào)節(jié)旋鈕，使照度值依次為下表中的光照度值，分別讀出電壓表讀數(shù)，填入下表，關(guān)閉電源。光照度（Lx）01020304050100200300400500600光生電壓（mA）（4）將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)到最小值位置后關(guān)閉電源。（5）上表中所測得的電壓值即為硅光電池相應(yīng)光照度下的開路電壓。（6）實驗完畢，關(guān)閉電源，拆除所有連線。3、硅光電池光照特性根據(jù)實驗1和2所調(diào)試的實驗數(shù)據(jù)，作出如圖2-5所示的硅光電池的光照電流電壓特性曲線。4、硅光電池伏安特性實驗裝置原理框圖如圖2-13所示。 圖2-13 硅光電池伏安特性測試（1）組裝好光通路組件，將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）“光照度調(diào)節(jié)”調(diào)到最小，連接好光照度計，直流電源調(diào)至最小，打開照度計，此時照度計的讀數(shù)應(yīng)為0。（3）“光源驅(qū)動單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)”，將撥位開關(guān)S1撥上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。（4）電壓表檔位調(diào)節(jié)至2V檔，電流表檔位調(diào)至200uA檔，將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)至最小值位置。（5）按圖2-13所示的電路連接電路圖，R取值為200歐，打開電源順時針調(diào)節(jié)照度調(diào)節(jié)旋鈕，增大光照度值至500lx。記錄下此時的電壓表和電流表的讀數(shù)填入下表；電阻2002K5.1K7.5K10K15K20K25K51K200K電流電壓（6）關(guān)閉電源，將R分別換為下表中的電阻值，重復(fù)上述步驟，分別記錄電流表和電壓表的讀數(shù)，填入下表。（7）改變光照度為100Lx、300Lx，重復(fù)上述步驟，將實驗結(jié)果填入下表。100 lx：電阻2002K5.1K7.5K10K15K20K25K51K200K電流電壓（8）根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)，在同一坐標軸中作出三種不同條件下的伏安特性曲線，并進行分析。 （9）實驗完畢，關(guān)閉電源，拆除所有連線。5.硅光電池負載特性測試實驗（1）組裝好光通路組件，將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）“光照度調(diào)節(jié)”調(diào)到最小，連接好光照度計，直流電源調(diào)至最小，打開照度計，此時照度計的讀數(shù)應(yīng)為0。（3）“光源驅(qū)動單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)”，將撥位開關(guān)S1撥上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。（4）電壓表檔位調(diào)節(jié)至2V檔，電流表檔位調(diào)至200uA檔，將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)至最小值位置。（5）按圖2-13所示的電路連接電路圖，R取值為2K歐。（6）打開電源，順時針調(diào)節(jié)“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕，逐漸增大光照度至0Lx，100Lx，200Lx，300Lx，400Lx，500Lx，600lx分別記錄電流表和電壓表讀數(shù)，填入下表光照度（lx）0100200300400500600電流（A）電壓（mV）（7）關(guān)閉電源，將R分別換為510， 1K， 5.1K， 10K重復(fù)上述步驟，分別記錄電流表和電壓表的讀數(shù)，填入下表。R=510歐光照度（lx）0100200300400500600電流（A）電壓（mV）R=1K光照度（lx）0100200300400500600電流（A）電壓（mV）R=5.1K光照度（lx）0100200300400500600電流（A）電壓（mV）R=10K光照度（lx）0100200300400500600電流（A）電壓（mV） （7）根據(jù)上述實驗所測試的數(shù)據(jù)，在同一坐標軸上描繪出硅光電池的負載特性曲線,并進行分析。6、硅光電池光譜特性測試當不同波長的入射光照到光電二極管上，光電二極管就有不同的靈敏度。本實驗儀采用高亮度LED（白、紅、橙、黃、綠、藍、紫）作為光源，產(chǎn)生400630nm離散光譜。光譜響應(yīng)度是光電探測器對單色入射輻射的響應(yīng)能力。定義為在波長的單位入射功率的照射下，光電探測器輸出的信號電壓或電流信號。即為或式中，為波長為時的入射光功率；為光電探測器在入射光功率作用下的輸出信號電壓；則為輸出用電流表示的輸出信號電流。本實驗所采用的方法是基準探測器法，在相同光功率的輻射下，則有 式中，為基準探測器顯示的電壓值，K為基準電壓的放大倍數(shù)，為基準探測器的響應(yīng)度。取在測試過程中,取相同值,則實驗所測測試的響應(yīng)度大小由的大小確定.下圖為基準探測器的光譜響應(yīng)曲線。 圖2-14 基準探測器的光譜響應(yīng)曲線（1）組裝好光通路組件，將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）“光源驅(qū)動單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)特性”，將撥位開關(guān)S1，S2，S4，S3，S5，S6，S7均撥下。（3）將直流電源2正負極直接與電壓表相連，打開電源，調(diào)節(jié)電源電位器至電壓表為10V，關(guān)閉電源。（4）按如圖2-12連接電路圖.（5）打開電源，緩慢調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)電位器到最大，依次將S2，S3，S4，S5，S6，S7撥上后撥下，記下照度計讀數(shù)最小時照度計的讀數(shù)E作為參考。（注意：請不要同時將兩個撥位開關(guān)撥上）（6）S2撥上，緩慢調(diào)節(jié)電位器直到照度計顯示為E，將電壓表測試所得的數(shù)據(jù)填入下表，再將S2撥下；（7）重復(fù)操作步驟（6），分別測試出橙，黃，綠，藍，紫在光照度E下電壓表的讀數(shù)，填入下表。波長（nm）紅（630） 橙（605）黃(585)綠（520）藍（460）紫（400）基準響應(yīng)度0.650.610.560.420.250.06電壓（mV）響應(yīng)度（8）根據(jù)所測試得到的數(shù)據(jù)，做出硅光電池的光譜特性曲線。7、硅光電池時間響應(yīng)特性測試（1）組裝好光通路組件，將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）“光源驅(qū)動單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“脈沖”，將撥位開關(guān)S1撥上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。（3）按圖2-13所示的電路連接電路圖，負載RL選擇RL=2K歐。（4）示波器的測試點應(yīng)為光電三極管的電阻兩端，為了測試方便，可把示波器的測試點使用迭插頭對引至信號測試區(qū)的TP1和TP2；圖2-13（5）打開電源，白光對應(yīng)的發(fā)光二極管亮，其余的發(fā)光二極管不亮。用示波器的第一通道與接TP和GND（即為輸入的脈沖光信號），用示波器的第二通道接TP2。（6）觀察示波器兩個通道信號，緩慢調(diào)節(jié)直流電源電位器直到示波器上觀察到信號清晰為止，并作出實驗記錄（描繪出兩個通道波形）。（7）緩慢調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)節(jié)，增大輸入脈沖的脈沖信號的寬度，觀察示波器兩個通道信號的變化，并作出實驗記錄（描繪出兩個通道的波形）并進行分析。（8）實驗完畢，關(guān)閉電源，拆除導(dǎo)線。七、實驗數(shù)據(jù)及分析1、硅光電池短路電流特性測試數(shù)據(jù)光照度（Lx）0100200300400500600光生電流（uA）0.116.933.550.166.883.4100.12、硅光電池開路電壓特性測試數(shù)據(jù)光照度（Lx）01020304050100200300400500600光生電壓（mA）1502632893023123193443683823913984043、硅光電池光照電流電壓特性曲線開路電壓短路電流4、硅光電池伏安特性測試數(shù)據(jù)100 lx：電阻2002K5K7.5K10K20K50K200K電流（uA）17.117.017.017.017.014.16.51.7電壓(mV)20.651.610