硅光電池實驗

1、硅光電池的線性響應【實驗目的】1. 了解光電池線性響應的實用意義；2. 學習和掌握測定硅光電池線性工作范圍的一種方法?！緦嶒瀮x器】溴鎢燈，尼科爾棱鏡（或偏振片）一對，硅光電池，靈敏電流計，電阻箱二只，直流穩(wěn)壓電源，聚光透鏡，電鍵【實驗原理】硅光電池是利用光生伏打效應設計的一種半導體光電探測器，其特點是不需要外加電源。硅光電池的結構如圖1(a) 所示。半導體硅受光照時，硅中形成電子空穴對，電子被結電壓吸入半透明金屬膜，因而結電壓降低，金屬膜變成負電勢，金屬基極對透明金屬膜層為正電勢， 這個電勢差值與入射光通量有關。如果用導線接入電流計，就會產生光電流。如果光電流的大小與入射光通量有線性關系，則用

2、光電池探測光信號強度，可進行客觀、 準確而不失真的測量。圖 1線性響應是光電探測器的重要性能指標之一，也是實際使用光電池時必須保持的正常工作條件。 但是在測量各種光信號的強度時，信號強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的強度范圍。硅光電池的等效電路如圖1(b) 所示。它與電池一樣有一個內阻R ，同時還相當于一個平板電容C， C 與 R 并聯(lián)， R 表示硅光電池的負載電阻，當入射光通量照射到硅表面時，產生光電流為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）因此可計算得由于半導體的特性， 硅光電池的內阻R 隨入射光通量而變，增大時， R 變?。ㄒ话?R 數(shù)值在幾千到幾十萬歐姆范圍內）。嚴格地講， i 2 與無線性關系， 而當 R 較小時， R的變化對i 2 影響較小， i 2 與接近線性關系。因此，在實際使用中，要選用低內阻的電流計作測量儀表，或用補償平衡電路。如圖 2 所示，平行光通過起偏棱鏡N1 后，形成強度為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 的光強隨的不同而變化。 現(xiàn)將該透射光照射在光電池上，假設硅光電池的工作范圍處于線性響應區(qū)域，則由硅光電池產生的光電流i 應與入射光的強度I 成正比，即 i=c 1I ，將此關系代入式（18-4 ），得ic2 cos2(c2c1I 0 )（ 5）將上式兩側取對數(shù)，則lg ilg c22lg cos（ 6）即變量（ lg cos ）和（ lg i ）間在 ic1 I 成立條件下，存在線性關系，且斜率為 2。測量不同角時的電 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，該段直線對應的電流變化范圍，就是該硅光電池的線形工作區(qū)域。圖 2

5、【實驗內容】1. 按圖 3 安置實經透鏡 L 后射出平行到待測硅光電池 Pc 上，值。驗裝置，光源S 為溴鎢燈，光，經過尼科爾棱鏡，照射靈敏電流計G 顯示出光電流圖 322. 由于半導體硅的固有特性，硅光電池的內阻隨入射光強增大而減少，硅光電池產生的光電流除與入射光強有關外，還與外電路負載電阻有關。根據(jù)光電池的等效電路分析可知，外負載電阻愈小，光電池的線性響應愈高。若用靈敏電流計顯示，則外負載電阻即電流計內阻 Rg ，所以應選用低內阻的靈敏電流計。在具體測量時，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，當滿足關系式R1( n1) Rg（ 7）R2n1 Rgn（ 8）時，光電池外負載電阻總值不變。式中 n 為電流計量程的擴大倍數(shù)，一般選 n=3,10,30,100,等。1 測定硅光電池的線性工作范圍（ 1）調節(jié)光路，使之共軸。（ 2）轉動尼科爾棱鏡， 使兩棱鏡 N1 和 N2 的主截面正交， 這時靈敏電流計的指示應為零，但由于漏電流和背景雜散光的干擾， 電流計的示值一般不為零， 可通過改變電流計的零點扣除此項影響。（ 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，測出相應光電流 i, 作 lg i lg cos曲線，確定斜率為2 的直線段對應的電流變化范圍。（ 4）提高光源的工作電壓，盡量擴大光強變化范圍，再作lg ilg cos曲線。（ 5）換用高內阻的電流計，再測lg ilg cos曲線，與步驟（3）、（ 4）結果比較，以觀察外負載電阻對光電池線性響應的影響。（擴大量程的R1、R2 值是否不變？） 。（ 6）用照度計測定光電池受光面處的光照強度， 標定與光電池線性工