光电器件特性测试实验报告.doc

光电器件特性测试实验报告硅光电池特性测试实验报告硅光电池特性测试实验报告系别: 电子信息工程系班级:光电 08305 班组长:祝李组员:贺义贵、何江武、占志武实验时间: 2010 年4月2日指导老师:王凌波 目录一、实验目的二、实验内容三、实验仪器四、实验原理五、注意事项六、实验步骤七、实验数据及分析八、总结一、实验目的 1 、学习掌握硅光电池的工作原理 2 、学习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设计实验 1: 硅光电池光控开关电路设计实验设计实验 2 :简易光照度计设计实验三、实验仪器 1 、硅光电池综合实验仪 1个2、光通路组件 1只3、光照度计 1台4、 2# 迭插头对( 红色, 50cm ) 10根5、 2#迭插头对( 黑色, 50cm ) 10根6、三相电源线1根7、实验指导书1本8、 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。反偏正偏零偏图 2-1. 半导体 PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区图 2-1 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 2-2 , 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, 入射光子将把处于介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 确定图 2-2. 光电池结构示意图 I?Is(e eVkT ?1)?Ip (1) 式( 1 )中 Is 为饱和电流, V为PN 结两端电压,T 为绝对温度, Ip 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=Ip ;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=Ip-Is , 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 Ip 与输入光功率 Pi 有以下关系: Ip?RP(2)i 3 、硅光电池的基本特性(1) 短路电流电极(a) (b) 图 2-3 硅光电池短路电流测试如图 2-3 所示,不同的光照的作用下, 毫安表如显示不同的电流值。即为硅光电池的短路电流特性。(2) 开路电压电极(a) (b) 图 2-4 硅光电池开路电压测试如图 2-4 所示,不同的光照的作用下, 电压表如显示不同的电压值。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 2-5 。 A Vm // 压流电电 生短路电流生光光 02 000 4 000 /Lx 光照度图 2-5 硅光电池的光照电流电压特性(4) 伏安特性如图 2-6 , 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曲线称为硅光电池的伏安特性。图 2-6 硅光电池的伏安特性测试(5) 负载特性( 输出特性) 光电池作为电池使用如图 2-7 所示。在内电场作用下,