硅光電池特性的研究

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1、硅光電池特性的研究系別：技術(shù)物理系班級(jí)：電子科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)人：金木兄弟實(shí)驗(yàn)名稱：硅光電池特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)組名：第2組實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2011年9月指導(dǎo)教師：金木兄弟2011年9月一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、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測(cè)試方法4、了解硅光電池的基本應(yīng)用二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、硅光電池短路電路測(cè)試實(shí)驗(yàn)2、硅光電池開路電壓測(cè)試實(shí)驗(yàn)3、硅光電池光電特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)4、硅光電池伏安特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)5、硅光電池負(fù)載特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)6、硅光電池時(shí)間響應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)7、硅光電池光譜特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)1：硅光電池光控開關(guān)電

2、路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)2：簡(jiǎn)易光照度計(jì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)三、實(shí)驗(yàn)儀器1、硅光電池綜合實(shí)驗(yàn)儀1個(gè)2、光通路組件1只3、光照度計(jì)1臺(tái)4、2#迭插頭對(duì)（紅色，50cm）10根5、2#迭插頭對(duì)（黑色，50cm）10根6、三相電源線1根7、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書1本8、20M示波器1臺(tái)四、實(shí)驗(yàn)原理1、硅光電池的基本結(jié)構(gòu)目前半導(dǎo)體光電探測(cè)器在數(shù)碼攝像﹑光通信﹑太陽(yáng)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(cè)器的一個(gè)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(huì)半導(dǎo)體PN結(jié)原理﹑光電效應(yīng)理論和光伏電池產(chǎn)生機(jī)理。零偏反偏正偏圖2-1.半導(dǎo)體PN結(jié)在零偏﹑

3、反偏﹑正偏下的耗盡區(qū)圖2-1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(shí)，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(gè)勢(shì)壘，由此而產(chǎn)生的內(nèi)電場(chǎng)將阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)兩者達(dá)到平衡時(shí)，在PN結(jié)兩側(cè)形成一個(gè)耗盡區(qū)，耗盡區(qū)的特點(diǎn)是無(wú)自由載流子，呈現(xiàn)高阻抗。當(dāng)PN結(jié)反偏時(shí)，外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向一致，耗盡區(qū)在外電場(chǎng)作用下變寬，使勢(shì)壘加強(qiáng)；當(dāng)PN結(jié)正偏時(shí)，外加電場(chǎng)與內(nèi)

4、電場(chǎng)方向相反，耗盡區(qū)在外電場(chǎng)作用下變窄，勢(shì)壘削弱，使載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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。2、硅光電池的工作原理硅光電池是一個(gè)大面積的光電二極管，它被設(shè)計(jì)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(cè)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2-2，當(dāng)半導(dǎo)體PN結(jié)處于零偏或反偏時(shí)，在它們的結(jié)合面耗盡區(qū)存在一內(nèi)電場(chǎng)，當(dāng)有光照時(shí)，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(duì)在內(nèi)電場(chǎng)作用下分別飄移到N型區(qū)和P型區(qū)，當(dāng)在PN結(jié)兩端加負(fù)載時(shí)就有一光

5、生電流流過(guò)負(fù)載。流過(guò)PN結(jié)兩端的電流可由式1確定圖2-2.光電池結(jié)構(gòu)示意圖式（1）中Is為飽和電流，V為PN結(jié)兩端電壓，T為絕對(duì)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(shí)，V=0，流過(guò)PN結(jié)的電流I=Ip；當(dāng)光電池處于反偏時(shí)（在本實(shí)驗(yàn)中取V=-5V），流過(guò)PN結(jié)的電流I=Ip-Is，因此，當(dāng)光電池用作光電轉(zhuǎn)換器時(shí)，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(shí)，產(chǎn)生的光電流Ip與輸入光功率Pi有以下關(guān)系：3、硅光電池的基本特性(1)短路電流圖2-3硅光電池短路電流測(cè)試如圖2-3所示，不同的光照的作用下，毫

6、安表如顯示不同的電流值。即為硅光電池的短路電流特性。(2)開路電壓圖2-4硅光電池開路電壓測(cè)試如圖2-4所示，不同的光照的作用下，電壓表如顯示不同的電壓值。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(dòng)勢(shì)是不同的，它們之間的關(guān)系就是光照特性，如圖2-5。0.30.20.10光生電流/mA0.60.40.2020004000短路電流開路電壓光生電壓/V光照度/Lx圖2-5硅光電池的光照電流電壓特性(4)伏安特性如圖2-6，在硅光電池輸入光強(qiáng)度不變時(shí)，測(cè)量當(dāng)負(fù)載一定的范圍內(nèi)變化時(shí)，光電池的輸出電壓及電流

7、隨負(fù)載電阻變化關(guān)系曲線稱為硅光電池的伏安特性。圖2-6硅光電池的伏安特性測(cè)試(5)負(fù)載特性(輸出特性)光電池作為電池使用如圖2-7所示。在內(nèi)電場(chǎng)作用下，入射光子由于內(nèi)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(gè)負(fù)載就會(huì)有電流流過(guò)，當(dāng)負(fù)載很小時(shí)，電流較小而電壓較大；當(dāng)負(fù)載很大時(shí)，電流較大而電壓較小。實(shí)驗(yàn)時(shí)可改變負(fù)載電阻RL的值來(lái)測(cè)定硅光電池的負(fù)載特性。圖2-7硅光電池負(fù)載特性的測(cè)定在線性測(cè)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)際使用時(shí)都接有負(fù)載電

8、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(lái)越小。因此，在要求輸出的電流與光照度呈線性關(guān)系時(shí)，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)