硅光电池特性测试实验.docx
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硅光电池特性测试实验
硅光电池特征测试实验
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征
3、掌握硅光电池基本特征测试方法
4、认识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、硅光电池光电特征测试实验
4、硅光电池伏安特征测试实验
5、硅光电池负.载特征测试实验
6、硅光电池时间响应测试实验
7、硅光电池光谱特征测试实验
三、实验仪器
1、光电探测综合实验仪
1
个
2、光通路组件
1
只
3、硅光电池封装组件
1
套
4、光照度计
1
台
5、2#迭插头对(红色,
50cm)
10
根
6、2#迭插头对(黑色,
50cm)
10
根
7、三相电源线
1
根
8、实验指导书
1
本
9、20M示波器
1
台
四、实验原理
1、硅光电池的基本构造
当前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通讯﹑太阳电池等领域得
到宽泛应用,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详细使用特征能够进一步领悟半导体PN结原理﹑光电效应理论和光伏电池产活力理。
零偏反偏正偏
图4-1.半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区
图4-1是半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区,当P型和N型半导体资料联合时,因为P型资料空穴多电子少,而N型资料电子多空穴少,结果P型资猜中的空穴向N型资料这边扩散,N型资猜中的电子向P型资料这边扩散,扩散的结果使得联合区双侧的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挡扩散运动的持续进行,当二者达到均衡时,在PN结双侧形成一个耗尽区,耗尽区的特色是无自由载流子,体现高阻抗。
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,使势垒增强;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,使载流子扩散运动持续形成电流,此即为PN结的单导游电性,电流方向是从P指向N。
2
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
光能转变为电能,所以,可用作光电探测器和光电池,被宽泛用于太空和野
外便携式仪器等的能源。
光电池的基本构造如图3,当半导体PN结处于零偏或反偏时,在它们的
联合面耗尽区存在一内电场,当有光照时,入射光子将把处于价带中的约束
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结两头加负载时就有一光生电流流过负载。
流过PN结两头的电
流可由式1确立
图4-2.光电池构造表示图
eV
IIs(ekT1)Ip
(1)
式
(1)中Is为饱和电流,V为PN结两头电压,T为绝对温度,Ip为产生的
光电流。
从式中能够看到,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,所以,
当光电池用作光电变换器时,光电池一定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:
IpRPi
(2)
式
(2)中R为响应率,R值随入射光波长的不一样而变化,对不一样资料制作的光电池R值分别在短波长和长波优点存在一截止波长,在长波优点要求入射光子的能量大于资料的能级空隙Eg,以保证处于介带中的约束电子获得足
够的能量被激发到导带,关于硅光电池其长波截止波长为λcμm,在短波优点也因为资料有较大汲取系数使R值很小。
3
(1)短路电流
SiO2膜
硼扩散层P型电极
I
I
A
A
PN结
N型硅片
电极
(a)
(b)
图4-3
硅光电池短路电流测试
如图4-3所示,不一样的光照的作用下,
毫安表如显示不一样的电流值。
在不一样的光照作用下,硅光电池短路时的电流值也不一样,
即为硅光电池的短
路电流特征。
(2)开路电压
SiO2膜
硼扩散层P型电极
I
I
V
V
PN结
N型硅片
电极
(a)
(b)
图4-4
硅光电池开路电压测试
如图4-4所示,不一样的光照的作用下,
电压表如显示不一样的电压值。
在不一样的光照作用下,硅光电池开路时的电压也不一样,
即为硅光电池的开路
电压特征。
(3)光照特征
光电池在不一样光照度下,其光电流和光生电动势是不一样的,它们之间的关系就是光照特征。
如图4-5所示即为硅光电池光生电流和光生电压与光照度
的特征曲线。
在不一样的偏压的作用下,硅光电池的光照特征也有所不一样。
A
开路电压
V
m
/
/
流
压
电
电
短路电流
生
生
光
光
0
0
2000
4000
光照度/Lx
图4-5硅光电池的光照电流电压特征
(4)伏安特征
如图4-6,在硅光电池输入光强度不变时,丈量当负载必定的范围内变化时,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
E1
R1
RL1
流
RL2
E2
RL3
电
E3
)
E4
R2
生A
μ
光(
安特征。
其特征曲线以下列图4-6所示光生电压(mV)
图4-6硅光电池伏安特征
检测电路图以下列图4-7所示:
V
A
图4-7硅光电池的伏安特征测试
(5)负载特征(输出特征)
光电池作为电池使用如图4-8所示。
在内电场作用下,入射光子因为内光电
效应把处于介带中的约束电子激发到导带,而产生光伏电压,在光电池两头加一个负载就会有电流流过,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征。
图4-8硅光电池负载特征的测定
在线性丈量中,光电池往常以电流形式使用,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征。
实质使用时都接有负载电阻
RL,输出电流IL随照度(光通量)的增添而非线性迟缓地增添,而且随负载RL的增大线性范围也愈来愈小。
所以,在要求输出的电流与光照度呈线
性关系时,负载电阻在条件允许的状况下越小越好,并限制在光照范围内使
用。
光电池光照与负载特征曲线如图11所示。
510
10K
流
电
照度E/lx
图4-9硅光电池光照与负载特征曲线
(5)光谱特征
一般硅光电池的光谱响应特征表示在入射光能量保持必定的条件下,硅光电池所产生光电流/电压与入射光波长之间的关系。
(6)时间响应特征
表示时间响应特征白方法主要有两种,一种是脉冲特征法,另一种是幅频特征法。
1)脉冲响应
光敏晶体管受调制光照耀时,相对敏捷度与调制频次的关系称为频次
特征。
减少负载电阻能提升响应频次,但输出降低。
一般来说,光敏三极管的频响比光敏二极管差得多,锗光敏三极管的频响比硅管小一个数目级。
五、注意事项
1、当电压表和电流表显示为“1_”是说明超出度程,应改换为适合当
程;
2、连线以前保证电源封闭。
3、实验过程中,请勿同时扒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正确。
4、硅光电池的偏压不要接反。
六、实验步骤
1、硅光电池短路电流特征测试
实验装置原理框图如图4-10所示。
图4-10硅光电池短路电流特征测试
(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)“光照度调理”调到最小,连结好光照度计,直流电源调至最小,
翻开照度计,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4-10所示的电路连结电路图
(5)翻开电源顺时针调理照度调理旋钮,使照度值挨次为下表中的光照度值,分别读出电流表读数,填入下表,封闭电源。
光照度(Lx)0100200300400500600光生电流
(uA)
(4)将“光照度调理”旋钮逆时针调理到最小值地点后封闭电源。
(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)实验完成,封闭电源,拆掉全部连线。
2、硅光电池开路电压特征测试
实验装置原理框图如图4-11所示。
图4-11硅光电池开路电压特征测试
(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)“光照度调理”调到最小,连结好光照度计,直流电源调至最小,
翻开照度计,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4-11所示的电路连结电路图
(5)翻开电源顺时针调理照度调理旋钮,使照度值挨次为下表中的光照度值,分别读出电压表读数,填入下表,封闭电源。
光照度
0
10
20
30
40
50
100
200
300
400
500
600
(Lx)
光生电压
(mA)
(4)将“光照度调理”旋钮逆时针调理到最小值地点后封闭电源。
(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)实验完成,封闭电源,拆掉全部连线。
3、硅光电池光照特征
(1)依据实验1和2所调试的实验数据,作出如图6所示的硅光电池的光照电流电压特征曲线。
(2)改变不一样光照度的取值,重复实验1和实验2,并作出相应硅光电池的光照电流电压特征曲线。
4、硅光电池伏安特征
实验装置原理框图如图4-12所示。
图4-12硅光电池伏安特征测试
(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)“光照度调理”调到最小,连结好光照度计,直流电源调至最小,
翻开照度计,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,
(4)电压表档位调理至2V档,电流表档位调至200uA档,将“光照度调理”旋钮逆时针调理至最小值地点。
(5)按图4-12所示的电路连结电路图,R取值为100欧,翻开电源顺
时针调理照度调理旋钮,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)封闭电源,将R分别换为100,200,510,750,1K,2K,5.1K,
7.5K,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。
电阻
200
2K
10K
15K
20K
25K
51K
200K
电流
电压
(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
200
2K
10K
15K
20K
25K
51K
200K
电流
电压
300lx:
电阻
200
2K
10K
15K
20K
25K
51K
200K
电流
电压
(8)依据上述实验数据,在同一坐标轴中作出三种不一样条件下的伏安特征曲线,并进行剖析。
(9)实验完成,封闭电源,拆掉全部连线。
4.硅光电池负载特征测试实验
(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)“光照度调理”调到最小,连结好光照度计,直流电源调至最小,
翻开照度计,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)电压表档位调理至2V档,电流表档位调至200uA档,将“光照度调理”旋钮逆时针调理至最小值地点。
(5)按图4-12所示的电路连结电路图,R取值为RL2=100欧。
(6)翻开电源,顺时针调理“光照度调理”旋钮,渐渐增大光照度至
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)封闭电源,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)
0
100
200
300
400
500
600
电流(μA)
电压(mV)
R=1K
光照度(lx)
0
100
200
300
400
500
600
电流(μA)
电压(mV)
光照度(lx)
0
100
200
300
400
500
600
电流(μA)
电压(mV)
R=10K
光照度(lx)
0
100
200
300
400
500
600
电流(μA)
电压(mV)
(7)依据上述实验所测试的数据,在同一坐标轴上描述出硅光电池的
负载特征曲线,并进行剖析。
6、硅光电池光谱特征测试
当不一样波长的入射光照到光电二极管上,光电二极管就有不一样的敏捷
度。
本实验仪采纳高亮度LED(白、红、橙、黄、绿、蓝、紫)作为光源,产生400~630nm失散光谱。
光谱响应度是光电探测器对单色入射辐射的响应能力。
定义为在波长
的单位入射功率的照耀下,光电探测器输出的信号电压或电流信号。
即
为
v()
V(
)
i(
I(
)
P(
或
)
)
)
P(
式中,P(
)为波长为
时的入射光功率;V(
)为光电探测器在入射光功
率P()作用下的输出信号电压;
I(
)则为输出用电流表示的输出信号电
流。
本实验所采纳的方法是基准探测器法,在同样光功率的辐射下,则有
()
UK
f()
Uf
式中,Uf为基准探测器显示的电压值,
K为基准电压的放大倍数,
f()为基准探测器的响应度。
取在测试过程中
Uf取同样值,则实验所测
测试的响应度大小由()Uf()的大小确立.下列图为基准探测器的光
谱响应曲线。
1
0
0200400600800100012001400
图4-13基准探测器的光谱响应曲线
(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)“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态特征”,将拨位开关S1,S2,S4,S3,S5,S6,S7均拨下。
(3)将直流电源2正负极直接与电压表相连,翻开电源,调理电源电位器至电压表为10V,封闭电源。
(4)按如图4-11连结电路图.
(5)翻开电源,迟缓调理光照度调理电位器到最大,挨次将S2,S3,
S4,S5,S6,S7拨上后拨下,记下照度计读数最小时照度计的读数E作为
参照。
(注意:
请不要同时将两个拨位开关拨上)
(6)S2拨上,迟缓调理电位器直到照度计显示为E,将电压表测试所得
的数据填入下表,再将S2拨下;
(7)重复操作步骤(6),分别测试出橙,黄,绿,蓝,紫在光照度E
下电压表的读数,填入下表。
波长(nm)红(630)橙(605)黄(585)绿(520)蓝(460)紫(400)
基准响应度
电压(mV)
响应度
(8)依据所测试获得的数据,做出硅光电池的光谱特征曲线。
7、硅光电池时间响应特征测试
(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)“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“脉冲”,将拨位开关S1拨上,
S2,S3,S4,S5,S6,S7均拨下。
(3)按图4-12所示的电路连结电路图,负载RL选择RL=10K欧。
(4)示波器的测试点应为光电三极管的电阻两头,为了测试方便,可把
示波器的测试点使用迭插头对引至信号测试区的TP1和TP2;
图4-14
(5)翻开电源,白光对应的发光二极管亮,其他的发光二极管不亮。
用示波器的第一通道与接TP和GND(即为输入的脉冲光信号),用示波器的第二通道接TP2。
(6)察看示波器两个通道信号,迟缓调理直流电源电位器直到示波器
上察看到信号清楚为止,并作出实验记录(描述出两个通道波形)。
(7)迟缓调理脉冲宽度调理,增大输入脉冲的脉冲信号的宽度,察看
示波器两个通道信号的变化,并作出实验记录(描述出两个通道的波形)并进行剖析。
(8)实验完成,封闭电源,拆掉导线。
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- 光电池 特性 测试 实验