實(shí)驗(yàn)四 硅光電池特性測試及其變換電路模板

1、西南交通大學(xué) 光電專業(yè) 實(shí)驗(yàn)報告學(xué)號： 2015114XXX 姓名： XXX 班級： 光電X班 組號： X同組人(姓名/學(xué)號)： 實(shí)驗(yàn)名稱： 硅光電池特性測試及其變換電路 本次實(shí)驗(yàn)是本學(xué)期你所做的第 X 個實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)日期： 2018 年 6 月 X 日 講 指導(dǎo)教師/報告箱號： 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、學(xué)習(xí)掌握硅光電池的工作原理2、學(xué)習(xí)掌握硅光電池的基本特性3、掌握硅光電池基本特性制試方法4、了解硅光電池的基本應(yīng)用實(shí)驗(yàn)儀器：1、光電器件和光電技術(shù)綜合設(shè)計平臺   1臺2、光源驅(qū)動模塊   1個3、負(fù)載模塊   1個4、光通路組件  &#

2、160;1套5、硅光電池及封裝組件 1套6、2#迭插頭對(紅色，50cm)   10根7、2#迭插頭對(黑色，50cm)   10根8、示波器   1臺實(shí)驗(yàn)原理/實(shí)驗(yàn)電路圖：光電三極管與光電二極管的工作原理基本相同，工作原理都是基于內(nèi)光電效應(yīng)，和光敏電阻的差別僅在于光線照射在半導(dǎo)體PN結(jié)上，PN結(jié)參與了光電轉(zhuǎn)換過程。1、硅光電池的基本結(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(jìn)一步領(lǐng)會半導(dǎo)體PN結(jié)原理、光電效應(yīng)和光伏電

3、池產(chǎn)生機(jī)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型材料電子多空六少，結(jié)果P型材料中的空穴向N型材料這邊擴(kuò)散，N型材料中的電子向P型材料這邊擴(kuò)散，擴(kuò)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(kuò)散運(yùn)動的繼續(xù)進(jìn)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(diǎn)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(qiáng)，當(dāng)界結(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(kuò)散運(yùn)動繼續(xù)

4、形成電流，此即為所結(jié)的單向?qū)щ娦?，電流方向是從P指向N。2、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)計用于把入時到它表面的光能轉(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等的能源。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，在它們的結(jié)合面耗盡區(qū)存在一內(nèi)電場，當(dāng)有光照時，入射光子將把處于介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。流過所結(jié)兩端的電流可由式1確定：I=IseeVkT-1+IP (1)式(1)中IS為飽和電流。V為PN結(jié)兩端電壓，T

5、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(在本實(shí)驗(yàn)中取V=-5V)，流過PN結(jié)的電流上I=IP-IS，因此，當(dāng)光電池用作光電轉(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 (2)式(2)中R為響應(yīng)率，R值隨入射光波長的不同而變化，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，在長波長處要求入射光子的能量大于材料的能級間隙Eg，以保證處于介帶中的束縛電子得到足夠的能量被激發(fā)到導(dǎo)帶，對于硅光電池其長波截止波長為c=1.1um

6、，在短波長處也由于材料有較大吸收系數(shù)使R值很小。3、硅光電池的基本特性(1) 短路電流如圖4-3所示，不同的光照作用下，毫安表若顯示不同的電流值，那硅光電池短路時的電流值也不同，此即為硅光電池的短路電流特性。(2)開路電壓如圖4-4所示，不同的光照的作用下，電壓表若顯示不同的電壓值。那硅光電池開路時的電壓也不同，此即為硅光電池的開路電壓特性。(3)光照特性光電池在不同光照度下，其光電流和光生電動勢是不同的，它們之間的關(guān)系就是光照特性，如圖4-5所示即為硅光電池光生電流和光生電壓與光照度的特性曲線。在不同的偏壓的作用下，硅光電池的光照特性也有所不同。(4)伏安特性如圖4-6，硅光電池輸入光強(qiáng)度不

7、變，負(fù)載在一定的范圍內(nèi)變化時，光電池的輸出電壓及電流隨負(fù)載電阻變化關(guān)系曲線稱為硅光電池的伏安特性。其特性曲線如下圖4-6所示:檢測電路圖如下圖4-7所示:(5)負(fù)載特性(輸出特性)圖4-7硅光電池的伏安特性測試光電池作為電池使用，如圖4-8所示。在內(nèi)電場作用下，入射光于由于光電效應(yīng)把處于介帶中的束縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生光伏電壓，在光電池兩端加一個負(fù)載就會有電流流過，當(dāng)負(fù)載很大時，電流較小而電壓較大；當(dāng)負(fù)載很小時， 電流較大而電壓較小。實(shí)驗(yàn)時可改變 負(fù)載電阻R的值來確定硅光電池的負(fù)載特性。在線性測量中，光電池通常以電流形式使用，故短路電流與光照度(光能量)呈線性關(guān)系，是光電池的重要光照特性。實(shí)

8、際使用時都接有負(fù)載電阻RL,輸出電流IL隨照度(光通量)的增加而非線性緩慢地增加，并且隨負(fù)載RL的增大線性范圍也越來越小。因此，在要求輸出的電流與光照度呈線性關(guān)系時，負(fù)載電阻在條件許可的情況下越小越好，并限制在光照范圍內(nèi)使用。光電池光照與負(fù)載特性曲線如圖4-9所示。(6)光譜特性一般在光電池的光譜響應(yīng)特性表示在入射光能量保持一定的條件下，硅光電池所產(chǎn)生光電流/電壓與入射光波長之間的關(guān)系。(7)時間響應(yīng)特性表示時間應(yīng)特性的方法主要有兩種，一種是脈沖特性法，另一種是幅頻特性法。脈沖響應(yīng)光敏晶體管受調(diào)制光照射時，相對靈敏度與調(diào)制頻率的關(guān)系稱為頻率特性。減少負(fù)載電阻能提高響應(yīng)頻率，但輸出降低。一般來說

9、，光敏三極管的頻響比光敏二極管差得多，鍺光敏三極管的頻響比硅管小一個數(shù)量級。實(shí)驗(yàn)步驟：1、硅光電池短路電流特性測試實(shí)驗(yàn)裝置原理框圖如圖4-10所示。(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)動及信號處理模塊上J2與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。(2)將開關(guān)S2撥到“靜態(tài)”。(3)按圖4-10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，使照度依次為表1所列值，分別讀出電流表讀數(shù)，填入表1，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)表1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

10、流。(7)實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源，拆除所有連線。2、硅光電池開路電壓特性測試實(shí)驗(yàn)裝置原理框圖如圖4-11所示。(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)動及信號處理模塊上J2與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。(2)將開關(guān)S2撥到“靜態(tài)”。(4)打開電源，順時針調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)旋鈕，使照度依次為表2所列值，分別讀出電流表讀數(shù)，填入表2，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)表2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(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源，拆除所有連線。3、硅光電池光照特性根據(jù)實(shí)驗(yàn)1和2所測

11、試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，作出如圖4-5所示的硅光電池的光照電流電壓特性曲線。4、硅光電池伏安特性實(shí)驗(yàn)裝置原理框圖如圖4-12所示。(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)動及信號模塊上J2與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。(2)將開關(guān)S2撥到“靜態(tài)”。(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，順時針調(diào)節(jié)照度調(diào)節(jié)旋鈕，增大光照度值至5001x.記錄下此時的電壓表和電流表的讀數(shù)填入表3。(5)關(guān)閉電源，將R分別換為510，

12、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)，填入表3。(6)改變光照度為300Lx、100Lx重復(fù)上述步驟，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表4,5。(7)根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在同一坐標(biāo)軸中作出三種不同條件下的伏安特性曲線，并進(jìn)行分析。(8)實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源，拆除所有連線。5.硅光電池負(fù)載特性測試實(shí)驗(yàn)(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)動及信號處理模塊上J2與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。(2)將開關(guān)S2撥到“靜態(tài)”。(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)

13、節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)至最小值位置。(4)按圖4-13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)，填入表6。(6)關(guān)閉電源，將R分別換為510歐，1K，5.1K，10K重復(fù)上述步驟，分別記錄電流表和電壓表的讀數(shù)，填入表7,8,9,10。(7)根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)所測試的數(shù)據(jù)，在同一坐標(biāo)軸上描繪出硅光電池的負(fù)載特性曲線，并進(jìn)行分析。6、硅光電池光譜特性測試當(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(shí)驗(yàn)儀采用高亮度LE

14、D(白、紅、橙、黃、綠、藍(lán)、紫)作為光源，產(chǎn)生400630nm離散光譜。光譜響應(yīng)度是光電探測器對單色入射輻射的響應(yīng)能力。定義為在波長為的單位入射功率的照射下，光電探測器輸出的信號電壓或電流信號。即為v=V()P()或i=I()P()式中，P()為波長為時的入射光功率:P()為光電探測器在入射光功率P()作用下的輸出信號電壓: I()則為輸出用電流表示的輸出信號電流。本實(shí)驗(yàn)所采用的方法是基準(zhǔn)探測器法，在相同光功率的輻射下，則有=UKUff式中，Uf為基準(zhǔn)探測器顯示的電壓值，K為基準(zhǔn)電壓的放大倍數(shù)，f()為基準(zhǔn)探測器的響應(yīng)度。取在測試過程中，Uf取相同值，則實(shí)驗(yàn)所測試的響應(yīng)度大小由=U

15、f()的大小確定。下圖為基準(zhǔn)探測器的光譜響應(yīng)曲線。(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)動及信號處理模塊上J2與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。(2)按如圖4-14連接電路圖。(3)打開電源，緩慢調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)電位器到最大，通過左切換和右切換開關(guān)，將光源輸出切換成不同顏色，記錄照度計所測數(shù)據(jù)，并將最小值“E”為參考。(4)分別測試出紅光、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)，填入表11。(5)根據(jù)所測試得到的數(shù)據(jù)，繪出硅光電池的光譜特性曲線。7、硅光電池時間響應(yīng)特性測試(1)組裝好光通路組件，將照度計與照度計探頭輸

16、出正負(fù)極對應(yīng)相連(紅為正極，黑為負(fù)極)，將光源驅(qū)動及信號處理模塊上J2與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。信號源方波輸出接口通過BNC線接到方波輸入。正弦波輸入和方波輸入內(nèi)部是并聯(lián)的，可以用示波器通過正弦波輸入口測量方波信號。(2)將開關(guān)S2撥到“脈沖”。(3)按圖4-15所示的電路連接電路圖，負(fù)載RL選擇RL=10K歐。(4)示波器的測試點(diǎn)應(yīng)為硅光電池的輸出兩端；(5)打開電源，白光對應(yīng)的發(fā)光二極管亮，其余的發(fā)光二極管不亮。(6)緩慢調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)節(jié)，增大輸入脈沖的脈沖信號的寬度，觀察示波器兩個通道信號的變化，并作出實(shí)驗(yàn)記錄(描繪出兩個通道的波形)并進(jìn)行分析。(7)實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源，拆

17、除導(dǎo)線。原始數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理：表1.硅光電池短路電流特性測試數(shù)據(jù)記錄表光照度（Lx）0100200300400500600光生電流（uA）表2.硅光電池開路電壓特性測試數(shù)據(jù)記錄表光照度（Lx）0100200300400500600光生電壓（V）表3.硅光電池伏安特性數(shù)據(jù)記錄表500lx：電阻2005107501K2K5.1K7.5K10K20K電流(uA)電壓(mV)300lx：電阻2005107501K2K5.1K7.5K10K20K電流(uA)電壓(mV)100lx：電阻2005107501K2K5.1K7.5K10K20K電流(uA)電壓(mV)表4.硅光電池負(fù)載特性數(shù)據(jù)記錄表R=100歐光照度（Lx）0100200300400500600電流(uA)電壓(mV)R=510歐光照度（Lx）010