北航17系光電子實驗報告實驗5

1、光電子技術(shù)實驗報告實驗五 光電池特性實驗一實驗?zāi)康模?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。二實驗原理：光電池是一種不需要加偏置電壓就能把光能直接轉(zhuǎn)換成電能的結(jié)光電器件，按光電池的功用可將其分為兩大類：即太陽能光電池和測量光電池，本儀器用的是測量用的硅光電池，其主要功能是作為光電探測，即在不加偏置的情況下將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。圖（20） 圖（21）如圖（20）所示為2DR型硅光電池的結(jié)構(gòu)，它是以P型硅為襯底（即在本征型硅材料中摻入三價元素硼或鎵等），然后在襯底上擴散磷而形成N型層并將其作為受光面。如圖（21）所示當(dāng)光作用于PN結(jié)時，耗盡區(qū)內(nèi)的

2、光生電子與空穴在內(nèi)建電場力的作用下分別向N區(qū)和P區(qū)運動，在閉合電路中將產(chǎn)生輸出電流IL,且負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生電壓降為U。顯然，PN結(jié)獲得的偏置電壓U與光電池輸出電流IL與負(fù)載電阻RL有關(guān)，即U=ILRL，當(dāng)以輸出電流的IL為電流和電壓的正方向時，可以得到如圖（22）所示的伏安特性曲線。圖（22） 圖（23）光電池在不同的光強照射下可以產(chǎn)生不同的光電流和光生電動勢，硅光電池的光照特性曲線如圖（23）所示，短路電流在很大范圍內(nèi)與光強成線性關(guān)系，開路電壓隨光強變化是非線性的，并且當(dāng)照度在2000lx時就趨于飽和，因此，把光電池作為測量元件時，應(yīng)把它當(dāng)作電流源來使用，不宜用作電壓源。硒光電池和硅光電池

3、的光譜特性曲線如圖（25）所示，不同的光電池其光譜峰值的位置不同，硅光電池的在800nm附近，硒光電池的在540nm附近，硅光電池的光譜范圍很廣，在4501100nm之間，硒光電池的光譜范圍為340750nm。 圖（24） 圖（25）光電池的溫度特性主要描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況，由于它關(guān)系到應(yīng)用光電池設(shè)備的溫度漂移，影響到測量精度或控制精度等主要指標(biāo)，光電池的溫度特性如圖（24）所示。開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快，而短路電流隨溫度升高而緩慢增加，因此，當(dāng)使用光電池作為測量元件時，在系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)考慮到溫度的漂移，并采取相應(yīng)的措施進行補償。三實驗所需部件：兩種光電池、各

4、類光源、實驗選配單元、數(shù)字電壓表(4 1/2位)自備、微安表（毫安表）、激光器、照度計（用戶選配）。四實驗步驟：圖（26） 圖（27）1.光電池短路電流測試，光電池的內(nèi)阻在不同光照時是不同的，所以在測得暗光條件下光電池的內(nèi)阻后按圖（26）接線，應(yīng)選用相對小得多的負(fù)載電阻。(這樣所測得的電流近似短路電流)，試用阻值為 1.5、5.1、10、51或更大的的負(fù)載電阻接入測試電路（電阻可插入試件插座中）。打開光源，在不同的距離和角度照射光電池，記錄光電流的變化情況。由于實驗器材中沒有小電阻，因此我們只取了R=0.1K和R=1K的大負(fù)載進行實驗，結(jié)果如下：(1)R=0.1K照度(圈)00.511.522

5、.533.544.5光電流(A)0148162438537598 (2) R=1K照度(圈)00.511.522.533.544.5光電流(A)0248162438537697R=0.1KR=1K由圖像可見，接入大負(fù)載時光電流與光照度之間的關(guān)系是非線性的。2.光電池的伏安特性測試，按照圖（27）所示連接好實驗線路，其中負(fù)載電阻用選配單元中的可調(diào)電阻(從100調(diào)至680K)。光源用高亮度鹵素?zé)?，分別選用“弱光”、“中光”和“強光”三種照度。(1)光電池伏安特性測試數(shù)據(jù)表（照度：弱，2圈）0.10.50.952.35.56100.3430.3430.3430.3430.3430.3430.3431

6、.39m6.81m13.0m31m0.0750.0820.137光電流(A)13.913.6213.6813.4813.6413.6713.7152455781022947200.3430.3430.3430.3430.3430.3430.3430.2050.2770.3180.3230.3260.3310.331光電流(A)13.67 11.54 5.78 4.14 3.20 1.13 0.46 (2)光電池伏安特性測試數(shù)據(jù)表（照度：中，6圈）0.10.50.952.35.56100.3970.3970.3970.3970.3970.3970.39713.07m63.88m0.1190.32

7、60.3450.3700.375光電流(A)130.70127.76125.2691.7462.7361.6737.50152455781022947200.3970.3970.3970.3970.3970.3970.3970.3840.3920.3940.3960.3960.3970.397光電流(A)25.616.337.165.083.881.350.55(3)光電池伏安特性測試數(shù)據(jù)表（照度：強，10圈）0.10.50.952.36.310.216.40.4220.4220.4220.4220.4220.4220.4220.0340.1520.2450.3530.4020.4080.41

8、2光電流(A)340.00304.00257.90153.4873.0968.0041.202348931333005007200.4220.4220.4220.4220.4220.4220.4220.4140.4170.4180.4180.4190.4190.419光電流(A)18.008.694.493.141.400.840.58照度：2圈照度：6圈照度：10圈可以看到，伏安特性曲線與圖（22）相符，負(fù)載電阻較小時光電壓與光電流呈線性關(guān)系，較大時則成非線性關(guān)系，與橫軸的交點為開路電壓Uoc 。3. 光電池的光照度特性測試，按圖（27）接線，光源選用高亮度鹵素?zé)簦瑥摹叭?強”仔細(xì)調(diào)節(jié)光源電

9、位器取得多種光照度 ，測出光電池在相對光照度為“弱光”到逐步增強的光電流數(shù)據(jù)。負(fù)載電阻R=100。光電池光照特性測試數(shù)據(jù)表照度(圈)01234567890.3110.3230.3460.3680.3840.3960.4000.4020.4050.406光電流(A)4714315586從圖中可以看出，光強較大時，光生電壓趨于飽和，而光生電流與照度呈較好的線性關(guān)系。4. 光電池的光譜特性測試，不同的半導(dǎo)體材料制成的光電池有著不同的光譜特性，參考圖（25），當(dāng)不同波長的入射光照到光電池的光敏面上，光電池就有不同的靈敏度。照圖（27）接線，用高亮度 LED（紅、黃、綠、藍、白）作為光源。發(fā)光管的接線參照圖（7）。限流電阻用選配單元上的 1K100K檔電位器，首先應(yīng)