文档介绍：硅光电池特性测试实验一、实验目的 1 、学****掌握硅光电池的工作原理 2 、学****掌握硅光电池的基本特性 3 、掌握硅光电池基本特性测试方法 4 、了解硅光电池的基本应用二、实验内容 1 、硅光电池短路电路测试实验 2 、硅光电池开路电压测试实验 3 、硅光电池光电特性测试实验 4 、硅光电池伏安特性测试实验 5 、硅光电池负. 载特性测试实验 6 、硅光电池时间响应测试实验 7 、硅光电池光谱特性测试实验三、实验仪器 1 、光电探测综合实验仪 1个 2 、光通路组件 1只 3 、硅光电池封装组件 1套 4 、光照度计 1台 5、 2# 迭插头对(红色, 50cm ) 10根 6、 2# 迭插头对(黑色, 50cm ) 10根 7 、三相电源线 1根 8 、实验指导书 1本 9、 20M 示波器 1台四、实验原理 1 、硅光电池的基本结构目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太阳电池等领域得到广泛应用, 硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元, 深刻理解硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体 PN 结原理﹑光电效应理论和光伏电池产生机理。零偏反偏正偏图 4-1. 半导体 PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区图 4-1 是半导体 PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区,当 P 型和 N型半导体材料结合时, 由于 P 型材料空穴多电子少,而N 型材料电子多空穴少, 结果 P 型材料中的空穴向 N 型材料这边扩散,N 型材料中的电子向 P 型材料这边扩散, 扩散的结果使得结合区两侧的 P 型区出现负电荷,N 型区带正电荷, 形成一个势垒, 由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续进行, 当两者达到平衡时,在 PN 结两侧形成一个耗尽区,耗尽区的特点是无自由载流子,呈现高阻抗。当 PN 结反偏时,外加电场与内电场方向一致,耗尽区在外电场作用下变宽,使势垒加强;当 PN 结正偏时,外加电场与内电场方向相反, 耗尽区在外电场作用下变窄, 势垒削弱, 使载流子扩散运动继续形成电流,此即为 PN 结的单向导电性, 电流方向是从 P 指向 N。 2 、硅光电池的工作原理硅光电池是一个大面积的光电二极管, 它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能, 因此, 可用作光电探测器和光电池, 被广泛用于太空和野外便携式仪器等的能源。光电池的基本结构如图 3 ,当半导体 PN 结处于零偏或反偏时,在它们的结合面耗尽区存在一内电场, 当有光照时, 入射光子将把处于价带中的束缚电子激发到导带, 激发出的电子空穴对在内电场作用下分别飘移到 N 型区和 P 型区, 当在 PN 结两端加负载时就有一光生电流流过负载。流过 PN 结两端的电流可由式 1 确定式(1)中I s 为饱和电流,V为 PN 结两端电压,T 为绝对温度,I p 为产生的光电流。从式中可以看到, 当光电池处于零偏时,V =0, 流过 PN 结的电流 I=I p; 当光电池处于反偏时( 在本实验中取 V =-5V ), 流过 PN 结的电流 I=I p-I s, 因此, 当光电池用作光电转换器时, 光电池必须处于零偏或反偏状态。光电池处于零偏或反偏状态时,产生的光电流 I p 与输入光功率 P i 有以下关系: 式(2) 中R 为响应率, R 值随入射光波长的不同而变化,对不同材料制作的光电池 R 值分别在短波长和长波长处存在一截止波长,在长波长处要求入射光子的能量大于材料的能级间隙 E g, 以保证处于介带中的束缚电子得到足够的能量被激发到导带, 对于硅光电池其长波截止波长为λ c = μm, 在短波长处也由于材料有较大吸收系数使 R 值很小。 3 、硅光电池的基本特性(1) 短路电流 A PN 结电极 A I I (a) (b)图 4-3 硅光电池短路电流测试如图 4-3 所示,不同的光照的作用下, 毫安表如显示不同的电流值。在不同的光照作用下, 硅光电池短路时的电流值也不同, 即为硅光电池的短路电流特性。(2) 开路电压) (1)1( p kT eV sIeII???(2) ip RP I?图 4-2. 光电池结构示意图图 4-4 硅光电池开路电压测试如图 4-4 所示,不同的光照的作用下, 电压表如显示不同的电压值。在不同的光照作用下, 硅光电池开路时的电压也不同, 即为硅光电池的开路电压特性。(3) 光照特性光电池在不同光照度下, 其光电流和光生电动势是不同的,它们之间的关系就是光照特性。如图 4-5 所示即为硅光电池光生电流和光生电压与光照度的特性曲线。在不同的偏压的作用下,硅光电池的光照特性也有所不同。图 4-5 硅光电池的光照电流电压特性(4) 伏安特性如图 4-6 ,在硅光电池输入光强度不变时,测量当负载一定的范围内变化时, 光电池的输出电压及电流随负载电阻变化关系