硅光電池實(shí)驗(yàn)

1、硅光電池的線性響應(yīng)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 了解光電池線性響應(yīng)的實(shí)用意義；2. 學(xué)習(xí)和掌握測(cè)定硅光電池線性工作范圍的一種方法。【實(shí)驗(yàn)儀器】溴鎢燈，尼科爾棱鏡（或偏振片）一對(duì)，硅光電池，靈敏電流計(jì)，電阻箱二只，直流穩(wěn)壓電源，聚光透鏡，電鍵【實(shí)驗(yàn)原理】硅光電池是利用光生伏打效應(yīng)設(shè)計(jì)的一種半導(dǎo)體光電探測(cè)器，其特點(diǎn)是不需要外加電源。硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖1(a) 所示。半導(dǎo)體硅受光照時(shí)，硅中形成電子空穴對(duì)，電子被結(jié)電壓吸入半透明金屬膜，因而結(jié)電壓降低，金屬膜變成負(fù)電勢(shì)，金屬基極對(duì)透明金屬膜層為正電勢(shì)， 這個(gè)電勢(shì)差值與入射光通量有關(guān)。如果用導(dǎo)線接入電流計(jì)，就會(huì)產(chǎn)生光電流。如果光電流的大小與入射光通量有線性關(guān)系，則用

2、光電池探測(cè)光信號(hào)強(qiáng)度，可進(jìn)行客觀、 準(zhǔn)確而不失真的測(cè)量。圖 1線性響應(yīng)是光電探測(cè)器的重要性能指標(biāo)之一，也是實(shí)際使用光電池時(shí)必須保持的正常工作條件。 但是在測(cè)量各種光信號(hào)的強(qiáng)度時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度變化幅度可能較為懸殊，因此使用光電池前，必須了解它的線性響應(yīng)的強(qiáng)度范圍。硅光電池的等效電路如圖1(b) 所示。它與電池一樣有一個(gè)內(nèi)阻R ，同時(shí)還相當(dāng)于一個(gè)平板電容C， C 與 R 并聯(lián)， R 表示硅光電池的負(fù)載電阻，當(dāng)入射光通量照射到硅表面時(shí)，產(chǎn)生光電流為i ，其中一部分i 1 流過 R ，另一部分 i 2 流過 R，則ii1i2（ 1）而在外電路中測(cè)量到的光電流為i 2，因光電池的積分靈敏度為Si（2）1i2

3、S R(RR)（ 3）因此可計(jì)算得由于半導(dǎo)體的特性， 硅光電池的內(nèi)阻R 隨入射光通量而變，增大時(shí)， R 變?。ㄒ话?R 數(shù)值在幾千到幾十萬歐姆范圍內(nèi)）。嚴(yán)格地講， i 2 與無線性關(guān)系， 而當(dāng) R 較小時(shí)， R的變化對(duì)i 2 影響較小， i 2 與接近線性關(guān)系。因此，在實(shí)際使用中，要選用低內(nèi)阻的電流計(jì)作測(cè)量?jī)x表，或用補(bǔ)償平衡電路。如圖 2 所示，平行光通過起偏棱鏡N1 后，形成強(qiáng)度為I 0 的平面偏振光， 其偏振方向平行于棱鏡的主截面，如果使該平面偏振光再通過檢偏器棱鏡N2，由馬呂斯定律可知，通過N2 的透射光強(qiáng)I 為II 0 cos2（ 4）式中為兩偏振棱鏡主截面之間的夾角。由（18-4 ）

4、式可見，透過 N2 的光強(qiáng)隨的不同而變化。 現(xiàn)將該透射光照射在光電池上，假設(shè)硅光電池的工作范圍處于線性響應(yīng)區(qū)域，則由硅光電池產(chǎn)生的光電流i 應(yīng)與入射光的強(qiáng)度I 成正比，即 i=c 1I ，將此關(guān)系代入式（18-4 ），得ic2 cos2(c2c1I 0 )（ 5）將上式兩側(cè)取對(duì)數(shù)，則lg ilg c22lg cos（ 6）即變量（ lg cos ）和（ lg i ）間在 ic1 I 成立條件下，存在線性關(guān)系，且斜率為 2。測(cè)量不同角時(shí)的電 流 值 i, 作lg i lg cos圖線，一般它為曲線，但其中有一段是斜率為 2 的直線，該段直線對(duì)應(yīng)的電流變化范圍，就是該硅光電池的線形工作區(qū)域。圖 2

5、【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1. 按圖 3 安置實(shí)經(jīng)透鏡 L 后射出平行到待測(cè)硅光電池 Pc 上，值。驗(yàn)裝置，光源S 為溴鎢燈，光，經(jīng)過尼科爾棱鏡，照射靈敏電流計(jì)G 顯示出光電流圖 322. 由于半導(dǎo)體硅的固有特性，硅光電池的內(nèi)阻隨入射光強(qiáng)增大而減少，硅光電池產(chǎn)生的光電流除與入射光強(qiáng)有關(guān)外，還與外電路負(fù)載電阻有關(guān)。根據(jù)光電池的等效電路分析可知，外負(fù)載電阻愈小，光電池的線性響應(yīng)愈高。若用靈敏電流計(jì)顯示，則外負(fù)載電阻即電流計(jì)內(nèi)阻 Rg ，所以應(yīng)選用低內(nèi)阻的靈敏電流計(jì)。在具體測(cè)量時(shí)，光電流變化范圍較大，須改變電流表的量程， 為使量程改變時(shí)外接電阻總阻值不變，可采用圖3 所示的電路， 即先將 R 與Rg1串聯(lián)，再和

6、R2 并聯(lián)后接入光電池電路，當(dāng)滿足關(guān)系式R1( n1) Rg（ 7）R2n1 Rgn（ 8）時(shí)，光電池外負(fù)載電阻總值不變。式中 n 為電流計(jì)量程的擴(kuò)大倍數(shù)，一般選 n=3,10,30,100,等。1 測(cè)定硅光電池的線性工作范圍（ 1）調(diào)節(jié)光路，使之共軸。（ 2）轉(zhuǎn)動(dòng)尼科爾棱鏡， 使兩棱鏡 N1 和 N2 的主截面正交， 這時(shí)靈敏電流計(jì)的指示應(yīng)為零，但由于漏電流和背景雜散光的干擾， 電流計(jì)的示值一般不為零， 可通過改變電流計(jì)的零點(diǎn)扣除此項(xiàng)影響。（ 3）固定光源的工作電壓，保持一定的光照度。從消光位置開始，逐次改變值，測(cè)出相應(yīng)光電流 i, 作 lg i lg cos曲線，確定斜率為2 的直線段對(duì)應(yīng)的電流變化范圍。（ 4）提高光源的工作電壓，盡量擴(kuò)大光強(qiáng)變化范圍，再作lg ilg cos曲線。（ 5）換用高內(nèi)阻的電流計(jì)，再測(cè)lg ilg cos曲線，與步驟（3）、（ 4）結(jié)果比較，以觀察外負(fù)載電阻對(duì)光電池線性響應(yīng)的影響。（擴(kuò)大量程的R1、R2 值是否不變？） 。（ 6）用照度計(jì)測(cè)定光電池受光面處的光照強(qiáng)度， 標(biāo)定與光電池線性工