能力拓展實(shí)訓(xùn)課程報(bào)告

1、能力拓展實(shí)訓(xùn)課程報(bào)告院系 專業(yè) 班級(jí) 姓名 班級(jí)學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師零一六年十二月硅光電池特性測(cè)試及其變換電路硅光電池的工作原理：硅光電池是一個(gè)大面積的光電二極管， 它被設(shè)計(jì)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(cè)器和光電池， 被廣泛用于太空和野外便攜式 儀器的能源。光電池的基本結(jié)構(gòu)如圖 4-2，當(dāng)半導(dǎo)體 PN 結(jié)處于零偏或反偏時(shí)，在它的結(jié) 合面耗盡區(qū)存在一內(nèi)電場(chǎng)， 當(dāng)有光照時(shí)， 入射光子將處于價(jià)帶中的束縛電子激發(fā) 到導(dǎo)帶，激發(fā)出的電子空穴對(duì)在內(nèi)電場(chǎng)作用下分別漂移到N 型區(qū)和 P 型區(qū)，當(dāng)在 PN 結(jié)兩端加負(fù)載時(shí)就有一光生電流流過(guò)負(fù)載。流過(guò) PN 結(jié)兩端的電流可由式 1 確定圖

2、4-2 光電池結(jié)構(gòu)示意圖式 1 ：（1）2）式 1中 Is為飽和電流， V 為 PN結(jié)兩端電壓， T 為絕對(duì)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(shí)， V=0 ，流過(guò) PN 結(jié)的電流 I=Ip ；當(dāng)光電 池處于反偏時(shí)（本實(shí)驗(yàn)取 V=-5V ），流過(guò) PN 結(jié)的電流 I=Ip-Is，因此，當(dāng)光電池 用于光電轉(zhuǎn)換器時(shí)， 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(shí)，產(chǎn)生的光電流 Ip 與輸入光功率 Pi 有以下關(guān)系Ip = RPi式（2）中 R為響應(yīng)率， R 值隨入射波長(zhǎng)的不同而變化，對(duì)不同材料制作的光電 池 R 值分別在短波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)處存在一截止波長(zhǎng)，在長(zhǎng)

3、波長(zhǎng)處要求入射光子的 能量大于材料的能量間隙 Eg，以保證處于價(jià)帶中的束縛電子得到足夠的能量被 激發(fā)到導(dǎo)帶， 對(duì)于硅光電池其截止波長(zhǎng) 1.1um，在短波長(zhǎng)處也由于材料有較大吸 收系數(shù)使 R 值很小。硅光電池基本結(jié)構(gòu)：目前半導(dǎo)體光電探測(cè)器在數(shù)碼攝像光通信太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域得到廣泛 應(yīng)用，硅光電池是半導(dǎo)體光電探測(cè)器的一個(gè)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(huì)半導(dǎo)體 PN 結(jié)原理光電效應(yīng)和光伏電池產(chǎn) 生機(jī)理。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(shí)， 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

4、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)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(gè)勢(shì)壘， 由此而產(chǎn)生的內(nèi)電場(chǎng)將阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的繼續(xù)進(jìn)行， 當(dāng)兩者達(dá)到平 衡時(shí)，在 PN 結(jié)兩側(cè)形成一個(gè)耗盡區(qū)，耗盡區(qū)的特點(diǎn)是無(wú)自由載流子，呈現(xiàn)高 阻抗。 當(dāng) PN 結(jié)反偏時(shí)，外加電 場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向一致，耗盡區(qū)在外電場(chǎng)作用 下變寬，使勢(shì)壘加強(qiáng)；當(dāng) PN 結(jié)正偏時(shí)，外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，耗盡區(qū)在 外電場(chǎng)作用下變窄，勢(shì)壘削弱，使載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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實(shí)驗(yàn)分步：1) 短路

5、電流測(cè)試；2) 開(kāi)路電壓測(cè)試；3) 伏安特性測(cè)試；4) 負(fù)載特性；5) 光譜特性測(cè)試； 使用儀器：1) 光源驅(qū)動(dòng)模塊，2) 光電傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，3) 負(fù)載模塊，4) 光通路組件實(shí)驗(yàn)步驟：1、短路電流特性測(cè)試1）組裝好光通路組件， 將照度計(jì)與照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對(duì)應(yīng)相連 （紅為正 極，黑為負(fù)極）， 將光源驅(qū)動(dòng)模塊上 J1 與光通路組件光源接口使用彩排 數(shù)據(jù)線相連。將實(shí)驗(yàn)臺(tái)的“ +5V”“”“ -5V” 對(duì)應(yīng)接到光源驅(qū)動(dòng)模塊上 的“+5V”“GND”“-5V”。2）將三擲開(kāi)關(guān) BM2 撥到“靜態(tài)”，將撥位開(kāi)關(guān) S1 撥上， S2，S3，S4，S5， S6，S7 均撥下。3）按圖 4-10 所示的

6、電路連接電路圖。4）打開(kāi)電源，順時(shí)針調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)旋鈕，使照度依次為下表所列值，分別 讀出電流表讀 數(shù)，填入下表，關(guān)閉電源。5）將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時(shí)針調(diào)節(jié)到最小值位置后關(guān)閉電源。光照度 （ lx ）0100200300400500600光生電 流（ uA）018.529.550.165.582.192.16）上表中所測(cè)得的電壓值即為硅光電池在相應(yīng)光照度下的短路電流。7）實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源，拆除所有連線。2、開(kāi)路電壓特性測(cè)試：1）組裝好光通路組件，將照度計(jì)與照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對(duì)應(yīng)相連（紅為正 極，黑為負(fù)極）， 將光源驅(qū)動(dòng)模塊上 J1 與光通路組件光源接口使用彩排 數(shù)據(jù)線相連。將實(shí)驗(yàn)臺(tái)的“

7、+5V”“”“-5V” 對(duì)應(yīng)接到光源驅(qū)動(dòng)模塊上的 “+5V”“GND”“-5V”。2）將三擲開(kāi)關(guān) BM2 撥到“靜態(tài)”，將撥位開(kāi)關(guān) S1 撥上， S2，S3，S4，S5， S6， S7 均撥下。3）按圖 4-11 所示的電路連接電路圖。4）打開(kāi)電源，順時(shí)針調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)旋鈕，使照度依次為下表所列值，分別 讀出電壓表讀數(shù)，填入下表，關(guān)閉電源。5）將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時(shí)針調(diào)節(jié)到最小值位置后關(guān)閉電源。6）上表中所測(cè)得的電壓值即為硅光電池在相應(yīng)光照度下的開(kāi)路電壓7）實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源，拆除所有連線。光照度 （ lx ）0100200300400500600光生電 壓（ mv）151318334350

8、3723773983、硅光電池伏安特性：1）組裝好光通路組件，將照度計(jì)與照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對(duì)應(yīng)相連（紅為正 極，黑為負(fù)極）， 將光源驅(qū)動(dòng)模塊上 J1 與光通路組件光源接口使用彩排 數(shù)據(jù)線相連。將實(shí)驗(yàn)臺(tái)的“ +5V”“”“-5V” 對(duì)應(yīng)接到光源驅(qū)動(dòng)模塊上的 “+5V”“GND”“-5V”。（2）將三擲開(kāi)關(guān) BM2 撥到“靜態(tài)”，將撥位開(kāi)關(guān) S1 撥上， S2，S3，S4，S5， S6， S7 均撥下。3）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(shí)針調(diào) 節(jié)至最小值位置。4）按圖 4-12 所示的電路連接電路圖， R 取值為 200 歐，打開(kāi)電源，順時(shí)針

9、 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(shí)的電壓表和電流 表的讀數(shù)填入下表；5）關(guān)閉電源，將 R 分別換為 510 ，750，1K，2K，5.1K，7.5K，10K,20K 重 復(fù)上述步驟，并 記錄電流表和電壓表的讀數(shù)，填入下表。6）改變光照度為 300Lx 、100Lx 重復(fù)上述步驟，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入下表300lx電阻2005107501k2k5.1k7.5k10k20k電流(ma)26.726.927.526.627.32723.720.012.0電壓 （mv）32.241.147.654.182.2162.4201223268100lx電阻2005107501k2k5.

10、1k7.5k10k20k電流(ma)9.59.79.29.19.29.49.39.18.3電壓 （mv）12.713.816.218.128.958.178.91011764、負(fù)載特性測(cè)試：（ 1） 組裝好光通路組件， 將照度計(jì)與照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對(duì)應(yīng)相連 （紅為正 極，黑為負(fù)極）， 將光源驅(qū)動(dòng)模塊上 J1 與光通路組件光源接口使用彩 排數(shù)據(jù)線相連。將實(shí)驗(yàn)臺(tái)的“ +5V”“”“-5V” 對(duì)應(yīng)接到光源驅(qū)動(dòng)模塊 上的“ +5V”“GND”“-5V”。（2） 將三擲開(kāi)關(guān) BM2 撥到“靜態(tài)”，將撥位開(kāi)關(guān) S1 撥上， S2，S3，S4，S5， S6，S7 均撥下。3） 電壓表檔位調(diào)節(jié)至 2V 檔，

11、電流表檔位調(diào)至 200uA 檔，將“光照度調(diào)節(jié)” 旋鈕逆時(shí)針調(diào) 節(jié)至最小值位置。4） （ 4）按圖 4-12 所示的電路連接電路圖， R 取值為 RL2=100 歐。5）打開(kāi)電源，順時(shí)針調(diào)節(jié)“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕，從 0Lx 逐漸增大光照度至 100Lx，200Lx， 300Lx ，400Lx，500Lx， 600lx 分別記錄電流表和電壓 表讀數(shù)，填入下表R=100歐光照度 lx0100200300400500600電流 uA016.334.150.368.584.490.8電壓 mv01736557586102R=510歐光照度 lx0100200300400500600電流 uA016.23

12、3.350.564.579.190.5電壓 mv015.550171101122132R=1K光照度 lx0100200300400500600電流 uA017.134.050.265.176.585.0電壓 mv03265102131158168R=5.1K光照度 lx0100200300400500600電流 uA016.130.538.341.544.347.4電壓 mv0101195231265282291R=10K光照度 lx0100200300400500600電流 uA015.022.426.027.224.826.6電壓 mv0171248287302316325、光譜特性測(cè)試

13、：當(dāng)不同波長(zhǎng)的入射光照到硅光電池上， 硅光電池就有不同的靈敏度。 本實(shí)驗(yàn)儀采 用高亮度 LED （白、紅、橙、黃、綠、藍(lán)、紫）作為光源， 產(chǎn)生 400 630nm 離 散光譜。 光譜響應(yīng)度是光電探測(cè)器對(duì)單色光輻射的響應(yīng)能力。 定義為在波長(zhǎng)為 的單位入射輻射功率 下，光電探測(cè)器輸出的信號(hào)電壓或電流信號(hào)。 本實(shí)驗(yàn) 所采用的方法是基準(zhǔn)探測(cè)器法，（1）組裝好光通路組件，將照度計(jì)與照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對(duì)應(yīng)相連（紅為正 極，黑為負(fù)極）， 將光源驅(qū)動(dòng)模塊上 J1 與光通路組件光源接口使用彩排 數(shù)據(jù)線相連。將實(shí)驗(yàn)臺(tái)的“ +5V”“”“-5V” 對(duì)應(yīng)接到光源驅(qū)動(dòng)模塊上的 “+5V”“GND”“-5V”。（2）將

14、三擲開(kāi)關(guān) BM2 撥到“靜態(tài)”，將撥位開(kāi)關(guān) S1 撥上， S2，S3，S4，S5， S6， S7 均撥下。3）按如圖 4-11 連接電路圖 .4）打開(kāi)電源，緩慢調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)電位器到最大，將 S2 ，S3，S4，S5，S6，S7 依次撥上 后撥下，分別記錄照度計(jì)所測(cè)數(shù)據(jù)，并將其中最小值“ E”作 為參考。 （注意：請(qǐng)不要同時(shí)將兩個(gè)撥位開(kāi)關(guān)撥上）（5）S2 撥上，緩慢調(diào)節(jié)電位器直到照度計(jì)顯示為 E ，將電壓表測(cè)試所得的數(shù) 據(jù)填入下表，再 將 S2 撥下；6）次將 S3、S4、S5、S6、S7 撥上后撥下 , 分別測(cè)試出橙光，黃光，綠光，藍(lán) 光，紫光在 光照度 E 下時(shí)電壓表的讀數(shù)，填入下表。波長(zhǎng)（nm）紅（ 630）橙（605）黃（ 585）綠（ 520）藍(lán)（460）紫（ 400）基準(zhǔn)響應(yīng) 度0.650.610.560.420.250.06電壓0.3010.2.980.2960.2880.2700.273響應(yīng)度197.52183.57167.40122.3873.1716.52光譜響應(yīng)曲線：實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：1、隨光照度增大，光生電流接近線性增大，光生電壓增大，開(kāi)始 時(shí)增大速率快，后趨于平緩。2、硅光電池測(cè)試時(shí)，當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，隨負(fù)載增大，光電池輸出電 流變化微小；當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，輸出電流逐漸減小。3、電阻值