能力拓展實訓(xùn)課程報告

1、能力拓展實訓(xùn)課程報告院系 專業(yè) 班級 姓名 班級學(xué)號 指導(dǎo)教師零一六年十二月硅光電池特性測試及其變換電路硅光電池的工作原理：硅光電池是一個大面積的光電二極管， 它被設(shè)計用于把入射到它表面的光能 轉(zhuǎn)化為電能， 因此，可用作光電探測器和光電池， 被廣泛用于太空和野外便攜式 儀器的能源。光電池的基本結(jié)構(gòu)如圖 4-2，當(dāng)半導(dǎo)體 PN 結(jié)處于零偏或反偏時，在它的結(jié) 合面耗盡區(qū)存在一內(nèi)電場， 當(dāng)有光照時， 入射光子將處于價帶中的束縛電子激發(fā) 到導(dǎo)帶，激發(fā)出的電子空穴對在內(nèi)電場作用下分別漂移到N 型區(qū)和 P 型區(qū)，當(dāng)在 PN 結(jié)兩端加負(fù)載時就有一光生電流流過負(fù)載。流過 PN 結(jié)兩端的電流可由式 1 確定圖

2、4-2 光電池結(jié)構(gòu)示意圖式 1 ：（1）2）式 1中 Is為飽和電流， V 為 PN結(jié)兩端電壓， T 為絕對溫度，Ip 為產(chǎn)生的光電流。 從式中可以看到，當(dāng)光電池處于零偏時， V=0 ，流過 PN 結(jié)的電流 I=Ip ；當(dāng)光電 池處于反偏時（本實驗取 V=-5V ），流過 PN 結(jié)的電流 I=Ip-Is，因此，當(dāng)光電池 用于光電轉(zhuǎn)換器時， 光電池必須處于零偏或反偏狀態(tài)， 光電池處于零偏或反偏狀 態(tài)時，產(chǎn)生的光電流 Ip 與輸入光功率 Pi 有以下關(guān)系Ip = RPi式（2）中 R為響應(yīng)率， R 值隨入射波長的不同而變化，對不同材料制作的光電 池 R 值分別在短波長和長波長處存在一截止波長，在長

3、波長處要求入射光子的 能量大于材料的能量間隙 Eg，以保證處于價帶中的束縛電子得到足夠的能量被 激發(fā)到導(dǎo)帶， 對于硅光電池其截止波長 1.1um，在短波長處也由于材料有較大吸 收系數(shù)使 R 值很小。硅光電池基本結(jié)構(gòu)：目前半導(dǎo)體光電探測器在數(shù)碼攝像光通信太陽能電池等領(lǐng)域得到廣泛 應(yīng)用，硅光電池是半導(dǎo)體光電探測器的一個基本單元， 深刻理解硅光電池的工作 原理和具體使用特性可以進一步領(lǐng)會半導(dǎo)體 PN 結(jié)原理光電效應(yīng)和光伏電池產(chǎn) 生機理。圖 4-1 是半導(dǎo)體 PN 結(jié)在零偏反偏正偏下的耗盡區(qū)，當(dāng) P 型和 N 型半 導(dǎo)體材料結(jié)合時， 由于 P 型材料空穴多電子少，而 N 型材料電子多空穴少， 結(jié) 果

4、P 型材料中的空穴向 N 型材料這邊擴散， N 型 材料中的電子向 P 型材料這 邊擴散，擴散的結(jié)果使得結(jié)合區(qū)兩側(cè)的 P型區(qū)出現(xiàn)負(fù)電荷， N 型區(qū)帶正 電荷， 形成一個勢壘， 由此而產(chǎn)生的內(nèi)電場將阻止擴散運動的繼續(xù)進行， 當(dāng)兩者達(dá)到平 衡時，在 PN 結(jié)兩側(cè)形成一個耗盡區(qū)，耗盡區(qū)的特點是無自由載流子，呈現(xiàn)高 阻抗。 當(dāng) PN 結(jié)反偏時，外加電 場與內(nèi)電場方向一致，耗盡區(qū)在外電場作用 下變寬，使勢壘加強；當(dāng) PN 結(jié)正偏時，外加電場與內(nèi)電場方向相反，耗盡區(qū)在 外電場作用下變窄，勢壘削弱，使載流子擴散運動繼續(xù)形成電流，此即為 PN 結(jié) 的單向?qū)щ娦?,電流方向是從 P 指向 N實驗分步：1) 短路

5、電流測試；2) 開路電壓測試；3) 伏安特性測試；4) 負(fù)載特性；5) 光譜特性測試； 使用儀器：1) 光源驅(qū)動模塊，2) 光電傳感器系統(tǒng)實驗臺，3) 負(fù)載模塊，4) 光通路組件實驗步驟：1、短路電流特性測試1）組裝好光通路組件， 將照度計與照度計探頭輸出正負(fù)極對應(yīng)相連 （紅為正 極，黑為負(fù)極）， 將光源驅(qū)動模塊上 J1 與光通路組件光源接口使用彩排 數(shù)據(jù)線相連。將實驗臺的“ +5V”“”“ -5V” 對應(yīng)接到光源驅(qū)動模塊上 的“+5V”“GND”“-5V”。2）將三擲開關(guān) BM2 撥到“靜態(tài)”，將撥位開關(guān) S1 撥上， S2，S3，S4，S5， S6，S7 均撥下。3）按圖 4-10 所示的

6、電路連接電路圖。4）打開電源，順時針調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)旋鈕，使照度依次為下表所列值，分別 讀出電流表讀 數(shù)，填入下表，關(guān)閉電源。5）將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)到最小值位置后關(guān)閉電源。光照度 （ lx ）0100200300400500600光生電 流（ uA）018.529.550.165.582.192.16）上表中所測得的電壓值即為硅光電池在相應(yīng)光照度下的短路電流。7）實驗完畢，關(guān)閉電源，拆除所有連線。2、開路電壓特性測試：1）組裝好光通路組件，將照度計與照度計探頭輸出正負(fù)極對應(yīng)相連（紅為正 極，黑為負(fù)極）， 將光源驅(qū)動模塊上 J1 與光通路組件光源接口使用彩排 數(shù)據(jù)線相連。將實驗臺的“

7、+5V”“”“-5V” 對應(yīng)接到光源驅(qū)動模塊上的 “+5V”“GND”“-5V”。2）將三擲開關(guān) BM2 撥到“靜態(tài)”，將撥位開關(guān) S1 撥上， S2，S3，S4，S5， S6， S7 均撥下。3）按圖 4-11 所示的電路連接電路圖。4）打開電源，順時針調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)旋鈕，使照度依次為下表所列值，分別 讀出電壓表讀數(shù)，填入下表，關(guān)閉電源。5）將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)到最小值位置后關(guān)閉電源。6）上表中所測得的電壓值即為硅光電池在相應(yīng)光照度下的開路電壓7）實驗完畢，關(guān)閉電源，拆除所有連線。光照度 （ lx ）0100200300400500600光生電 壓（ mv）151318334350

8、3723773983、硅光電池伏安特性：1）組裝好光通路組件，將照度計與照度計探頭輸出正負(fù)極對應(yīng)相連（紅為正 極，黑為負(fù)極）， 將光源驅(qū)動模塊上 J1 與光通路組件光源接口使用彩排 數(shù)據(jù)線相連。將實驗臺的“ +5V”“”“-5V” 對應(yīng)接到光源驅(qū)動模塊上的 “+5V”“GND”“-5V”。（2）將三擲開關(guān) BM2 撥到“靜態(tài)”，將撥位開關(guān) S1 撥上， S2，S3，S4，S5， S6， S7 均撥下。3）電壓表檔位調(diào)節(jié)至 2V 檔，電流表檔位調(diào)至 200uA 檔，將“光照度調(diào)節(jié)” 旋鈕逆時針調(diào) 節(jié)至最小值位置。4）按圖 4-12 所示的電路連接電路圖， R 取值為 200 歐，打開電源，順時針

9、 調(diào)節(jié)照度調(diào)節(jié)旋 鈕，增大光照度值至 500lx 。記錄下此時的電壓表和電流 表的讀數(shù)填入下表；5）關(guān)閉電源，將 R 分別換為 510 ，750，1K，2K，5.1K，7.5K，10K,20K 重 復(fù)上述步驟，并 記錄電流表和電壓表的讀數(shù)，填入下表。6）改變光照度為 300Lx 、100Lx 重復(fù)上述步驟，將實驗結(jié)果填入下表300lx電阻2005107501k2k5.1k7.5k10k20k電流(ma)26.726.927.526.627.32723.720.012.0電壓 （mv）32.241.147.654.182.2162.4201223268100lx電阻2005107501k2k5.

10、1k7.5k10k20k電流(ma)9.59.79.29.19.29.49.39.18.3電壓 （mv）12.713.816.218.128.958.178.91011764、負(fù)載特性測試：（ 1） 組裝好光通路組件， 將照度計與照度計探頭輸出正負(fù)極對應(yīng)相連 （紅為正 極，黑為負(fù)極）， 將光源驅(qū)動模塊上 J1 與光通路組件光源接口使用彩 排數(shù)據(jù)線相連。將實驗臺的“ +5V”“”“-5V” 對應(yīng)接到光源驅(qū)動模塊 上的“ +5V”“GND”“-5V”。（2） 將三擲開關(guān) BM2 撥到“靜態(tài)”，將撥位開關(guān) S1 撥上， S2，S3，S4，S5， S6，S7 均撥下。3） 電壓表檔位調(diào)節(jié)至 2V 檔，

11、電流表檔位調(diào)至 200uA 檔，將“光照度調(diào)節(jié)” 旋鈕逆時針調(diào) 節(jié)至最小值位置。4） （ 4）按圖 4-12 所示的電路連接電路圖， R 取值為 RL2=100 歐。5）打開電源，順時針調(diào)節(jié)“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕，從 0Lx 逐漸增大光照度至 100Lx，200Lx， 300Lx ，400Lx，500Lx， 600lx 分別記錄電流表和電壓 表讀數(shù)，填入下表R=100歐光照度 lx0100200300400500600電流 uA016.334.150.368.584.490.8電壓 mv01736557586102R=510歐光照度 lx0100200300400500600電流 uA016.23

12、3.350.564.579.190.5電壓 mv015.550171101122132R=1K光照度 lx0100200300400500600電流 uA017.134.050.265.176.585.0電壓 mv03265102131158168R=5.1K光照度 lx0100200300400500600電流 uA016.130.538.341.544.347.4電壓 mv0101195231265282291R=10K光照度 lx0100200300400500600電流 uA015.022.426.027.224.826.6電壓 mv0171248287302316325、光譜特性測試

13、：當(dāng)不同波長的入射光照到硅光電池上， 硅光電池就有不同的靈敏度。 本實驗儀采 用高亮度 LED （白、紅、橙、黃、綠、藍(lán)、紫）作為光源， 產(chǎn)生 400 630nm 離 散光譜。 光譜響應(yīng)度是光電探測器對單色光輻射的響應(yīng)能力。 定義為在波長為 的單位入射輻射功率 下，光電探測器輸出的信號電壓或電流信號。 本實驗 所采用的方法是基準(zhǔn)探測器法，（1）組裝好光通路組件，將照度計與照度計探頭輸出正負(fù)極對應(yīng)相連（紅為正 極，黑為負(fù)極）， 將光源驅(qū)動模塊上 J1 與光通路組件光源接口使用彩排 數(shù)據(jù)線相連。將實驗臺的“ +5V”“”“-5V” 對應(yīng)接到光源驅(qū)動模塊上的 “+5V”“GND”“-5V”。（2）將

14、三擲開關(guān) BM2 撥到“靜態(tài)”，將撥位開關(guān) S1 撥上， S2，S3，S4，S5， S6， S7 均撥下。3）按如圖 4-11 連接電路圖 .4）打開電源，緩慢調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)電位器到最大，將 S2 ，S3，S4，S5，S6，S7 依次撥上 后撥下，分別記錄照度計所測數(shù)據(jù)，并將其中最小值“ E”作 為參考。 （注意：請不要同時將兩個撥位開關(guān)撥上）（5）S2 撥上，緩慢調(diào)節(jié)電位器直到照度計顯示為 E ，將電壓表測試所得的數(shù) 據(jù)填入下表，再 將 S2 撥下；6）次將 S3、S4、S5、S6、S7 撥上后撥下 , 分別測試出橙光，黃光，綠光，藍(lán) 光，紫光在 光照度 E 下時電壓表的讀數(shù)，填入下表。波長（nm）紅（ 630）橙（605）黃（ 585）綠（ 520）藍(lán)（460）紫（ 400）基準(zhǔn)響應(yīng) 度0.650.610.560.420.250.06電壓0.3010.2.980.2960.2880.2700.273響應(yīng)度197.52183.57167.40122.3873.1716.52光譜響應(yīng)曲線：實驗結(jié)果分析：1、隨光照度增大，光生電流接近線性增大，光生電壓增大，開始 時增大速率快，后趨于平緩。2、硅光電池測試時，當(dāng)負(fù)載較小時，隨負(fù)載增大，光電池輸出電 流變化微小；當(dāng)負(fù)載較大時，輸出電流逐漸減小。3、電阻值