11硅光电池特性测试实验报告

1硅光电池特性测试实验报告系别：电子信息工程系班级：光电08305班组长：祝李组员：贺义贵、何江武、占志武实验时间：2010年4月2日指导老师：王凌波2010.4.62目录一、实验目的二、实验内容三、实验仪器四、实验原理五、注意事项六、实验步骤七、实验数据及分析八、总结3一、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4、了解硅光电池的基本应用二、实验内容1、硅光电池短路电路测试实验2、硅光电池开路电压测试实验3、硅光电池光电特性测试实验4、硅光电池伏安特性测试实验5、硅光电池负载特性测试实验6、硅光电池时间响应测试实验7、硅光电池光谱特性测试实验设计实验1：硅光电池光控开关电路设计实验设计实验2：简易光照度计设计实验三、实验仪器1、硅光电池综合实验仪1个2、光通路组件1只3、光照度计1台4、2#迭插头对（红色，50cm）10根5、2#迭插头对（黑色，50cm）10根6、三相电源线1根7、实验指导书1本8、20M示波器1台四、实验原理1、硅光电池的基本结构目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太阳电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深刻理解硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN结原理﹑光电效应理论和光伏电池产生机理。图2-1是半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区，当P型和N型半导体材料结合零偏反偏正偏图2-1.半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区4时，由于P型材料空穴多电子少，而N型材料电子多空穴少，结果P型材料中的空穴向N型材料这边扩散，N型材料中的电子向P型材料这边扩散，扩散的结果使得结合区两侧的P型区出现负电荷，N型区带正电荷，形成一个势垒，由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续进行，当两者达到平衡时，在PN结两侧形成一个耗尽区，耗尽区的特点是无自由载流子，呈现高阻抗。当PN结反偏时，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，使势垒加强；当PN结正偏时，外加电场与内电场方向相反，耗尽区在外电场作用下变窄，势垒削弱，使载流子扩散运动继续形成电流，此即为PN结的单向导电性,电流方向是从P指向N。2、硅光电池的工作原理硅光电池是一个大面积的光电二极管，它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能，因此，可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等的能源。光电池的基本结构如图2-2，当半导体PN结处于零偏或反偏时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场，当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别飘移到N型区和P型区，当在PN结两端加负载时就有一光生电流流过负载。流过PN结两端的电流可由式1确定式（1）中Is为饱和电流，V为PN结两端电压，T为绝对温度，Ip为产生的光电流。从式中可以看到，当光电池处于零偏时，V=0，流过PN结的电流I=Ip；当光电池处于反偏时（在本实验中取V=-5V），流过PN结的电流I=Ip-Is，因此，当光电池用作光电转换器时，光电池必须处于零偏或反偏状态。光电池处于零偏或反偏状态时，产生的光电流Ip与输入光功率Pi有以下关系：3、硅光电池的基本特性(1)短路电流APN结电极AII(a)(b)硼扩散层SiO2膜P型电极N型硅片图2-3硅光电池短路电流测试如图2-3所示，不同的光照的作用下，毫安表如显示不同的电流值。即为硅光电池的短路电流特性。）（1)1(pkTeVsIeII(2)ipRPI图2-2.光电池结构示意图5(2)开路电压VPN结电极VII(a)(b)硼扩散层SiO2膜P型电极N型硅片图2-4硅光电池开路电压测试如图2-4所示，不同的光照的作用下，电压表如显示不同的电压值。即为硅光电池的开路电压特性。(3)光照特性光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性，如图2-5。图2-5硅光电池的光照电流电压特性(4)伏安特性如图2-6，在硅光电池输入光强度不变时，测量当负载一定的范围内变化时，光电池的输出电压及电流随负载电阻变化关系曲线称为硅光电池的伏安特性。VA图2-6硅光电池的伏安特性测试(5)负载特性(输出特性)光电池作为电池使用如图2-7所示。在内电场作用下，入射光子由于内光电效应把处于介带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压，在光电池两端加一个负载就会有电流流过，0.30.20.10光生电流/mA0.60.40.2020004000短路电流开路电压光生电压/V光照度/Lx6当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。实验时可改变负载电阻RL的值来测定硅光电池的负载特性。图2-7硅光电池负载特性的测定在线性测量中，光电池通常以电流形式使用，故短路电流与光照度（光能量）呈线性关系，是光电池的重要光照特性。实际使用时都接有负载电阻RL，输出电流IL随照度（光通量）的增加而非线性缓慢地增加，并且随负载RL的增大线性范围也越来越小。因此，在要求输出的电流与光照度呈线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在光照范围内使用。光电池光照与负载特性曲线如图2-8所示。照度E/lx电流2.4K51010K图2-8硅光电池光照与负载特性曲线(5)光谱特性一般光电池的光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池所产生短路电流与入射光波长之间的关系。一般用相对响应表示，实验中硅光电池的响应范围为400~1100nm，峰值波长为800~900nm，由于实验仪器所提供的波长范围为400~650nm，因此，实验所测出的光谱响应曲线呈上升趋势，如图2-9所示硅光电池频率特性曲线。4001200(nm)800相对响应度1图2-9硅光电池的光谱曲线7（6）时间响应与频率响应实验证明，光电器件的信号的产生和消失不能随着光强改变而立刻变化，会有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的输出升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为响应时间。为衡量其长短，常用时间常数τ的大小来表示。当用一个辐射脉冲光电探测器，如果这个脉冲的上升和下降时间很短，如方波，则光电探测器的输出由于器件的惰性而有延迟，把从10%上升到90%峰值处所需的时间称为探测器的上升时间，而把从90%下降到10%所需的时间称为下降时间。如图所示0.10.91t上t下t(a)(b)图2-10上升时间和下降时间（a）入射光脉冲方波（b）响应时间五、注意事项1、当电压表和电流表显示为“1＿”是说明超过量程，应更换为合适量程；2、连线之前保证电源关闭。3、实验过程中，请勿同时拨开两种或两种以上的光源开关，这样会造成实验所测试的数据不准确。六、实验步骤1、硅光电池短路电流特性测试实验装置原理框图如图2-11所示。8图2-11硅光电池短路电流特性测试（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。（2）“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为0。（3）“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态”，将拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。（4）按图2-11所示的电路连接电路图（5）打开电源顺时针调节照度调节旋钮，使照度值依次为下表中的光照度值，分别读出电流表读数，填入下表，关闭电源。光照度（Lx）0100200300400500600光生电流（uA）（6）上表中所测得的电流值即为硅光电池相应光照度下的短路电流。（7）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。2、硅光电池开路电压特性测试实验装置原理框图如图2-12所示。图2-12硅光电池开路电压特性测试（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。（2）“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为0。（3）“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态”，将拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。（4）按图2-12所示的电路连接电路图（5）打开电源顺时针调节照度调节旋钮，使照度值依次为下表中的光照度值，分别读出电压表读数，填入下表，关闭电源。（4）将“光照度调节”旋钮逆时针调节到最小值位置后关闭电源。光照度（Lx）01020304050100200300400500600光生电压（mA）9（5）上表中所测得的电压值即为硅光电池相应光照度下的开路电压。（6）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。3、硅光电池光照特性根据实验1和2所调试的实验数据，作出如图2-5所示的硅光电池的光照电流电压特性曲线。4、硅光电池伏安特性实验装置原理框图如图2-13所示。图2-13硅光电池伏安特性测试（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。（2）“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为0。（3）“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态”，将拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。（4）电压表档位调节至2V档，电流表档位调至200uA档，将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。（5）按图2-13所示的电路连接电路图，R取值为200欧，打开电源顺时针调节照度调节旋钮，增大光照度值至500lx。记录下此时的电压表和电流表的读数填入下表；（6）关闭电源，将R分别换为下表中的电阻值，重复上述步骤，分别记录电流表和电压表的读数，填入下表。（7）改变光照度为100Lx、300Lx，重复上述步骤，将实验结果填入下表。100lx：电阻2002K5.1K7.5K10K15K20K25K51K200K电流电压电阻2002K5.1K7.5K10K15K20K25K51K200K电流电压10（8）根据上述实验数据，在同一坐标轴中作出三种不同条件下的伏安特性曲线，并进行分析。（9）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。5.硅光电池负载特性测试实验（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。（2）“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为0。（3）“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态”，将拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。（4）电压表档位调节至2V档，电流表档位调至200uA档，将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。（5）按图2-13所示的电路连接电路图，R取值为2K欧。（6）打开电源，顺时针调节“光照度调节”旋钮，逐渐增大光照度至0Lx，100Lx，200Lx，300Lx，400Lx，500Lx，600lx分别记录电流表和电压表读数，填入下表光照度（lx）0100200300400500600电流（μA）电压（mV）（7）关闭电源，将R分别换为510，1K，5.1K，10K重复上述步骤，分别记录电流表和电压表的读数，填入下表。R=510欧光照度（lx）0100200300400500600电流（μA）电压（mV）R=1K光照度（lx）0100200300400500600电流（μA）电压（mV）R=5.1K光照度（lx）0100200300400500600电流（μA）电压（mV）R=10K光照度（lx）0100200300400500600电流（μA）电压（mV）（7）根据上述实验所测试的数据，在同一坐标轴上描绘出硅光电池的负载特性曲线,并进行分析。116、硅光电池光谱特性测试当不同波长的入射光照到光电二极管上，光电二极管