北航17系光电子实验报告实验5

光电子技术实验报告实验五光电池特性实验一．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。二．实验原理：光电池是一种不需要加偏置电压就能把光能直接转换成电能的ＰＮ结光电器件，按光电池的功用可将其分为两大类：即太阳能光电池和测量光电池，本仪器用的是测量用的硅光电池，其主要功能是作为光电探测，即在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号。图（20）图（21）如图（20）所示为2DR型硅光电池的结构，它是以P型硅为衬底（即在本征型硅材料中掺入三价元素硼或镓等），然后在衬底上扩散磷而形成N型层并将其作为受光面。如图（21）所示当光作用于PN结时，耗尽区内的光生电子与空穴在内建电场力的作用下分别向N区和P区运动，在闭合电路中将产生输出电流IL,且负载电阻RL上产生电压降为U。显然，PN结获得的偏置电压U与光电池输出电流IL与负载电阻RL有关，即U=IL•RL，当以输出电流的IL为电流和电压的正方向时，可以得到如图（22）所示的伏安特性曲线。图（22）图（23）光电池在不同的光强照射下可以产生不同的光电流和光生电动势，硅光电池的光照特性曲线如图（23）所示，短路电流在很大范围内与光强成线性关系，开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx时就趋于饱和，因此，把光电池作为测量元件时，应把它当作电流源来使用，不宜用作电压源。硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线如图（25）所示，不同的光电池其光谱峰值的位置不同，硅光电池的在800nm附近，硒光电池的在540nm附近，硅光电池的光谱范围很广，在450～1100nm之间，硒光电池的光谱范围为340～750nm。图（24）图（25）光电池的温度特性主要描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况，由于它关系到应用光电池设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等主要指标，光电池的温度特性如图（24）所示。开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓慢增加，因此，当使用光电池作为测量元件时，在系统设计中应考虑到温度的漂移，并采取相应的措施进行补偿。三．实验所需部件：两种光电池、各类光源、实验选配单元、数字电压表(41/2位)自备、微安表（毫安表）、激光器、照度计（用户选配）。四．实验步骤：图（26）图（27）1.光电池短路电流测试，光电池的内阻在不同光照时是不同的，所以在测得暗光条件下光电池的内阻后按图（26）接线，应选用相对小得多的负载电阻。(这样所测得的电流近似短路电流)，试用阻值为1.5Ω、5.1Ω、10Ω、51Ω或更大的的负载电阻接入测试电路（电阻可插入试件插座中）。打开光源，在不同的距离和角度照射光电池，记录光电流的变化情况。由于实验器材中没有小电阻，因此我们只取了R=0.1KΩ和R=1KΩ的大负载进行实验，结果如下：(1)R=0.1KΩ照度(圈)00.511.522.533.544.5光电流(μA)0148162438537598(2)R=1KΩ照度(圈)00.511.522.533.544.5光电流(μA)0248162438537697R=0.1KΩR=1KΩ由图像可见，接入大负载时光电流与光照度之间的关系是非线性的。2.光电池的伏安特性测试，按照图（27）所示连接好实验线路，其中负载电阻用选配单元中的可调电阻(从100Ω调至680KΩ)。光源用高亮度卤素灯，分别选用“弱光”、“中光”和“强光”三种照度。(1)光电池伏安特性测试数据表（照度：弱，2圈）L(k)R0.10.50.952.35.5610oc(V)U0.3430.3430.3430.3430.3430.3430.343R1(V)U1.39m6.81m13.0m31m0.0750.0820.137光电流(μA)13.913.6213.6813.4813.6413.6713.7L(k)R15245578102294720oc(V)U0.3430.3430.3430.3430.3430.3430.343R1(V)U0.2050.2770.3180.3230.3260.3310.331光电流(μA)13.6711.545.784.143.201.130.46(2)光电池伏安特性测试数据表（照度：中，6圈）L(k)R0.10.50.952.35.5610oc(V)U0.3970.3970.3970.3970.3970.3970.397R1(V)U13.07m63.88m0.1190.3260.3450.3700.375光电流(μA)130.70127.76125.2691.7462.7361.6737.50L(k)R15245578102294720oc(V)U0.3970.3970.3970.3970.3970.3970.397R1(V)U0.3840.3920.3940.3960.3960.3970.397光电流(μA)25.616.337.165.083.881.350.55(3)光电池伏安特性测试数据表（照度：强，10圈）L(k)R0.10.50.952.36.310.216.4oc(V)U0.4220.4220.4220.4220.4220.4220.422R1(V)U0.0340.1520.2450.3530.4020.4080.412光电流(μA)340.00304.00257.90153.4873.0968.0041.20L(k)R234893133300500720oc(V)U0.4220.4220.4220.4220.4220.4220.422R1(V)U0.4140.4170.4180.4180.4190.4190.419光电流(μA)18.008.694.493.141.400.840.58照度：2圈照度：6圈照度：10圈可以看到，伏安特性曲线与图（22）相符，负载电阻较小时光电压与光电流呈线性关系，较大时则成非线性关系，与横轴的交点为开路电压Uoc。3.光电池的光照度特性测试，按图（27）接线，光源选用高亮度卤素灯，从“弱-强”仔细调节光源电位器取得多种光照度，测出光电池在相对光照度为“弱光”到逐步增强的光电流数据。负载电阻R=100Ω。光电池光照特性测试数据表照度(圈)0123456789R/VU0.3110.3230.3460.3680.3840.3960.4000.4020.4050.406光电流(μA)4714315586————从图中可以看出，光强较大时，光生电压趋于饱和，而光生电流与照度呈较好的线性关系。4.光电池的光谱特性测试，不同的半导体材料制成的光电池有着不同的光谱特性，参考图（25），当不同波长的入射光照到光电池的光敏面上，光电池就有不同的灵敏度。照图（27）接线，用高亮度LED（红、黄、绿、蓝、白）作为光源。发光管的接线参照图（7）。限流电阻用选配单元上的1K～100K档电位器，首先应置电位器阻值为最大，开启电源后缓慢调小阻值，使发光管逐步发光至最亮。分别测出光电池在各种光源照射下的光电流，再用固体激光器作为光源，测得光电流，将测得的数据记入下表：光源红黄绿蓝白光电流(μA)3.43.643.73.9上图中，光电池的光谱特性与图（25）中硒光电池的光谱特性大体相同。