大学物理实验：实验光电池特性的测试和光电阻特性的测试.doc

7 实验光电池特性的测试与光电阻特性的测试 1 光电池特性光电池是一种直接将光能转换成电能的光电器件,主要结构是一个大面积的 P-N 级,当光线照射到 P-N 级上时,就会在 P-N 级两端出现电动势( P 区为正; N 区为负)。产生上述物理现象的原理是: 因为当 N 型半导体材料与 P 型半导体材料结合在一起时,因为热运动, N 区中的电子就向 P 区扩散,而 P 区中的空穴则向 N 区扩散,因而在 PN 结的 P 区边积聚大量的电子;而N 区边汇集起大量的空穴, 于是在 PN 结的过渡区建立一个电场,它要阻止 N 区中的电子和 P 区中的空穴向对方边区扩散,但同时确能推动 N区中的空穴( 少数载流子)和P 区中的电子( 少数载流子) 向对方运动。一旦具有一定光强的光照射到 PN 结上时, 那么在 PN 结中能激起大量的电子—空穴对,在 PN 结的电场作用下, N 区的空穴流向 P 区,使 P 区边的空穴数堆积而带上正电荷。同理在电子大量地涌入 N 区的情况下,使 N 区带上负电荷。如此在 P 区于 N 区之间就出现了电位差,这时如果在 PN 结两端装有电极,用高内阻的电压表测量电极的两端,就能测到电压;如果接上电流表,就能测到电流,如图 1 所示。这就是光电池的工作原理。然光电池在不同光强与波长的光照射下又会是如何的情况呢?这就需要了解光电池的光谱特性, 光照特性及频率特性。 1 光谱特性: 光电池对不同的波长的光反映的灵敏度是不同的,图 2 表示硅光电池与硒光电池的光谱特性曲线,由图可知:硅光电池的光谱响应范围是波长 4000 ? —— 12000 ? ,在波长为 8000 ? 时达到峰值,而硒光电池的峰值出现在 5000 ? 左右, 波长的范围是 3800 —— 7500 ?2 光照特性: 光电池所产生的电动势与光照的强度有密切的关系,图 3 表示硅光电池的开路电压与短路电流和光照强度的关系,由图可见硅光电池的开路电压与光照是一种非线性关系,当光照强度在 200 勒克斯时就趋向饱和。而短路电流在很大的范围内与光照成线型关系,因此使用光电池作为测量元件使用时, 应该把它当成电流源的形式来研究, 因为短路电流与光强是线性的,处理起来比较方便,而不要当成电压源使用。需要说明的是这里说的短路电流与开路电压与平时意义上不同, 它是指外负载电阻相对与内阻非常小时候的电流值, 以及外负载很大时的端电压。实验时外负载电阻< 15Ω时,就认为是短路电流,而> 时,就认为是开路电压。经实验证明外负载越小线性度越好。 3 频率特性: 因为不同颜色的光有不同的波长,因此它们的光照频率也不同, 光电池的频率特性是指输出电流随调制光的频率变化的关系, 图4 分别表示硅光电池与硒光电池的频率响应曲线,可见硅光电池有较好的频率特性, 而硒光电池则较差。目前光电池的种类很多,有硒光电池, 氧化亚铜光电池, 光电池, 硅光电池以及磷化镓电池等, 但从使用的情况来看, 由于硅光电池有一系列的优点, 所以它最受使用者的重视, 所以下面的实验当然是使用硅光电池 2 光电阻特性: 光敏电阻又名光导管,是非常常用的光敏器件之一,它是由半导体材料制成,例如硫化镉,硫化铅,硫化铋以及硒化镉等,但使用较常见的是硫化镉( cds )。光电阻的工作原理是:当电阻没有光照时,光敏电阻的阻