光電池特性的測試與光電阻特性的測試

1、7實驗 光電池特性的測試與光電阻特性的測試 1光電池特性光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的光電器件，主要結(jié)構(gòu)是一個大面積的P-N級，當(dāng)光線照射到P-N級上時，就會在P-N級兩端出現(xiàn)電動勢（P區(qū)為正；N區(qū)為 負(fù)）。U4產(chǎn)生上述物理現(xiàn)象的原理是：因為當(dāng)N型半導(dǎo)體材料與P型半導(dǎo)體材料結(jié)合在一起時，因為熱運 動，N區(qū)中的電子就向P區(qū)擴散，而P區(qū)中的空穴則向N區(qū)擴散，因而在PN結(jié)的P 區(qū)邊積聚大量的電子；而N區(qū)邊匯集起大量的空穴，于是在 PN結(jié)的過渡區(qū)建立一 個電場，它要阻止N區(qū)中的電子和P區(qū)中的空穴向?qū)Ψ竭厖^(qū)擴散，但同時確能推動 N區(qū)中的空穴（少數(shù)載流子）和 P區(qū)中的電子（少數(shù)載流子）向?qū)Ψ竭\動。一旦

2、具 有一定光強的光照射到PN結(jié)上時，那么在PN結(jié)中能激起大量的電子一空穴對， 在PN結(jié)的電場作用下，N區(qū)的空穴流向P區(qū)，使P區(qū)邊的空穴數(shù)堆積而帶上正電 荷。同理在電子大量地涌入 N區(qū)的情況下，使N區(qū)帶上負(fù)電荷。如此在P區(qū)于N 區(qū)之間就出現(xiàn)了電位差，這時如果在 PN結(jié)兩端裝有電極，用高內(nèi)阻的電壓表測量 電極的兩端，就能測到電壓；如果接上電流表，就能測到電流，如圖1所示。這就是光電池的工作原理。然光電池在不同光強與波長的光照 射下又會是如何的情況呢？這就需要了解光電池的光譜特性，光照特性及頻率特 性。知：硅光電池的光譜響應(yīng)范圍是波長4000?12000?，在波長為8000 ?時達(dá)到峰值，而硒光電池

3、的峰值出現(xiàn)在 5000 ?左右，波長的范圍是3800 7500 ?2光照特性:光電池所產(chǎn)生的電動勢與光照的強度有密切的關(guān)系，圖3表示硅光電池的開路電壓與短路電流和光照強度的關(guān)系，由圖可見硅光電池的開路電200勒克斯時就趨向飽和。而短路電流 在很大的范圍內(nèi)與光照成線型關(guān)系，因此使用光電池作為測量元件使用時，應(yīng)該把 它當(dāng)成電流源的形式來研究，因為短路電流與光強是線性的，處理起來比較方便， 而不要當(dāng)成電壓源使用。需要說明的是這里說的短路電流與開路電壓與平時意義上 不同，它是指外負(fù)載電阻相對與內(nèi)阻非常小時候的電流值，以及外負(fù)載很大時的端 電壓。實驗時外負(fù)載電阻 V5Q時，就認(rèn)為是短路電流，而5.0K時

4、，就認(rèn)為是開 路電壓。經(jīng)實驗證明外負(fù)載越小線性度越好。因為不同顏色的光有不同的波長，因此它們的光照頻率也不同，光電池的頻率特性 是指輸出電流隨調(diào)制光的頻率變化的關(guān)系，圖4分別表示硅光電池與硒光電池的頻率響應(yīng)曲線，可見硅光電池有較好的頻率特性，而硒光電池則較差。目前光電池的種類很多，有硒光電池，氧化亞銅光電池，光電池，硅光電池以及磷化鎵電池等，但從使用的情況來看，由于硅光電池有一系列的優(yōu)點，所以它最受使用者的重 視，所以下面的實驗當(dāng)然是使用硅光電池2光電阻特性：光敏電阻又名光導(dǎo)管，是非常常用的光敏器件之一，它是由半導(dǎo)體材料制成，例如硫化 鎘，硫化鉛，硫化鉍以及硒化鎘等，但使用較常見的是硫化鎘（c

5、ds）。光電阻的工作原理是：當(dāng)電阻沒有光照時，光敏電阻的阻值（即暗電阻）很大，因此電路中的電流很小，但一旦受到某一頻段的光照時時，光敏電阻的阻值（即亮電阻）會明顯地減少，電路中的電流會迅速增加。由于半導(dǎo)體在光的作用下， 電導(dǎo)率的變化只局限在光照物的表面簿層，因此制造光敏電阻的半導(dǎo)體材料只是慘雜在物體的 表層，圖5是光敏電阻的外形與結(jié)構(gòu)圖，為了提高光敏電阻的靈敏度，常常將光敏電阻的電極 做成梳狀電極。由于半導(dǎo)體材料容易受潮，所以在光敏電阻的受光窗口用透明的膠水密封起 來。O光敏電阻的主要技術(shù)指標(biāo)是: 1 :暗電阻，暗電流，是指光敏電阻沒有受到光照時的阻值, 及在此情況下的工作電流，按原理分析暗電

6、阻較大，而暗電流較小。2:亮電阻，亮電流是指在光照下測得的電阻及電流，平時將亮電流與暗電流之差叫成光 敏電阻的光電流。3光敏電阻的光譜特性:光敏電阻在不同波長的入射光的照:| ;也、人6示出圖5射下，反映的靈敏度不一樣，圖 硫化鎘，硫化鉛材料制成的光敏電阻在光照下的光譜特性，由圖可見不同的材料對光的反映不 一樣，而同種材料對不同的波長反映也不一樣。4:光敏電阻的光電特性:在一定電壓的作用下，光敏電阻的光電流與照射光的光通量之間的關(guān)系定義為光電特性。 在實驗時通常將光通量轉(zhuǎn)換成照度，所以稱光照特性，圖7是光電流與光照度的函數(shù)關(guān)WV/r1系，圖中可以看出光電特性的非線性性在光照強較大時光電流呈現(xiàn)飽

7、和趨向；在 在光照強較小時光電阻即暗電阻很大。正是由于光敏電阻具有非 線性的光電特性，因此光敏電阻不適合做測量元件，只適合做光電導(dǎo)開關(guān)元件。l l«o uJwJl IBEY V>5:光敏電阻的伏安特性:5 i I3 1 * 1在恒定光通量照射下，光敏電阻的電壓與8是硫化鎘光敏電阻的伏安特性，可以看出光敏光電流的關(guān)系定義為光敏電阻的伏安特性。圖6頻率特性:的頻率而是指光強的變化頻率。光敏電阻在照射光強度發(fā)生變化的情況下，阻值的變化并不是 一下子就變化到位，變到穩(wěn)定值需要有一時間上的延遲，也就是說光敏電阻中光電流隨光強的電阻是一個線性電阻，符合歐姆定律。然在不同的光強的照射下，直線

8、的斜率發(fā)生變化，由此 可知阻值隨光強的照射而變化。變化有一定的慣性，尚若入射光照射時間很短，光敏電阻中光電流還來不及變化到位，光就已 經(jīng)消失，這樣光的靈敏度就要降低。所以光敏電阻的靈敏度隨照射光的變化加快而下降。3實驗儀器的介紹:GD2000光電池（光電阻特性測試儀是采用單 片機智能測量技術(shù)，能完成光電池開路電壓。短路電流以及負(fù)裁特性曲線的測量，現(xiàn)以GD2000光電池特性測試儀介紹它的使用方法，儀器外形結(jié)構(gòu)與面板見圖（），主要部件有樣 品座與標(biāo)準(zhǔn)探頭，圖（），（）分別是它們的外型它們的操作之主要是以下幾步: 1測量光強的標(biāo)定: 將標(biāo)準(zhǔn)頭按圖（）所示裝上儀器，設(shè)定所需要的光強，步驟可以按以下程序

9、進(jìn)行： 光強選擇參數(shù)增加 /光標(biāo)上移或者參數(shù)減少 /光標(biāo)下移-光強選定 重復(fù)上敘過程，可以設(shè)定好所需要的測試光強值。2 實驗數(shù)據(jù)的測量： 取下標(biāo)準(zhǔn)頭，換上待測的光電池或者光電阻的樣品座，操作可按以下步驟進(jìn)行： 光強選擇參數(shù)增加 /光標(biāo)上移或者參數(shù)減少 /光標(biāo)下移（ 展示以上設(shè)置好的各點光強 ） 光強選擇（ 選擇以上設(shè)置好的各點光強 ） 測量（ 顯示所測物理量 ）再 測量，（ 則數(shù)據(jù)被保存 。）如果在測量中要改變負(fù)裁電阻的大小，可以調(diào)節(jié) 負(fù)裁電阻 的大小。 細(xì)操作可參閱儀器的 使用說明。3 實驗內(nèi)容1 光敏電阻阻值與光強變化的曲線測量2光電池特性測量：A 光電池負(fù)裁特性測量，測量不同阻值下光電池輸出V-I 的關(guān)系。B測量不同的光強下，光強特性特性。負(fù)裁電阻在11-