硅光電池特性研究

1、硅光電池特性研究硅光電池特性研究【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? .掌握PN結(jié)形成原理及其工作原理；2 .了解LED發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流和輸出功率的關(guān)系；3.掌握硅光電池的工作原理及其工作特性?！緦?shí)驗(yàn)原理】1.半導(dǎo)體PN結(jié)原理目前半導(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P空間電荷區(qū)NP型半導(dǎo)體空間電荷區(qū)N型半導(dǎo)體一一IR+-內(nèi)電場(chǎng)E內(nèi)電場(chǎng)EEWREWR反偏正偏圖17-1.半導(dǎo)體PN結(jié)在零偏、反偏、正偏下的耗盡區(qū)圖17-1是半導(dǎo)體PN結(jié)在零偏

2、、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)將組織擴(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)電場(chǎng)方向相反，耗盡區(qū)在外電場(chǎng)作用下變窄，使勢(shì)壘削弱，使載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)繼續(xù)形成電流，這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?/p>

3、電流方向是從P指向N。2.LED工作原理當(dāng)某些半導(dǎo)體材料形成的PN結(jié)加正向電壓時(shí)，空穴與電子在PN結(jié)復(fù)合時(shí)將產(chǎn)生特定波長(zhǎng)的光，發(fā)光的波長(zhǎng)與半導(dǎo)體材料的能級(jí)間隙Eg有關(guān)。發(fā)光波長(zhǎng)?p可由下式確定：?p?hc/Eg(17-1)式(17-1)中的h為普朗克常數(shù)，。為光速。在實(shí)際的半導(dǎo)體材料中能級(jí)間隙Eg有一個(gè)寬度，因此發(fā)光二極管發(fā)出光的波長(zhǎng)不是單一的，其發(fā)光波長(zhǎng)半寬度一般在2540nm左右，隨半導(dǎo)體材料的不同而有差別。發(fā)光二極管輸出光功率P與驅(qū)動(dòng)電流I的關(guān)系由下式?jīng)Q定：p?EpI/e(17-2)式中n為發(fā)光效率，Ep是光子能量，e是電荷常數(shù)。輸出光功率與驅(qū)動(dòng)電流呈線性關(guān)系，當(dāng)電流較大時(shí)由于PN結(jié)不能

4、及時(shí)散熱，輸出光功率可能會(huì)趨向飽和。本實(shí)驗(yàn)用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電流可調(diào)的紅色超高亮度發(fā)光二極管作為實(shí)驗(yàn)用光源。系統(tǒng)采用的發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)和調(diào)制電路如圖17-2所示。信號(hào)調(diào)制采用光強(qiáng)度調(diào)制的方法，圖17-2.發(fā)送光的設(shè)定、驅(qū)動(dòng)和調(diào)制電路框圖發(fā)送光強(qiáng)度調(diào)節(jié)器用來(lái)調(diào)節(jié)流過(guò)LED的靜態(tài)驅(qū)動(dòng)電流，從而改變發(fā)光二極管的發(fā)射光功率。設(shè)定的靜態(tài)驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)范圍為020亳安，對(duì)應(yīng)面板上的光發(fā)送強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)顯示值為02000單位。正弦調(diào)制信號(hào)經(jīng)電容、電阻網(wǎng)絡(luò)及運(yùn)放跟隨隔離后耦合到放大環(huán)節(jié)，與發(fā)光二極管靜態(tài)驅(qū)動(dòng)電流迭加后使發(fā)光二極管發(fā)送隨正弦波調(diào)制信號(hào)變化的光信號(hào)，如圖17-3所示，變化的光信號(hào)可用于測(cè)定光電池的頻率響應(yīng)特性。3.

5、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4,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)教時(shí)就有一光生電流流過(guò)負(fù)載。流過(guò)PN結(jié)兩端可由式(17-3)確定I?Is(eeVkT?l)?Ip(17-3)式(17-3)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，

6、當(dāng)光電池處于零偏時(shí)，V=0,流過(guò)PN的電流I0=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反二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)。圖17-3.LED發(fā)光二極管的正弦信號(hào)調(diào)制原理圖17-4.光電池結(jié)構(gòu)示意圖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：Ip?RPi(17-4)式(17-4)中R為響應(yīng)率，R值隨入射光波長(zhǎng)的不同而變化，對(duì)不同材料制作的光電池R值分別在短波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)處存在一截止波長(zhǎng)，在長(zhǎng)波長(zhǎng)處要求入射光子的能量大于材料的能級(jí)間隙Eg,以保證處了介帶中的束縛電子得到足夠的能量被激發(fā)到導(dǎo)帶，對(duì)于硅光

7、電池其長(zhǎng)波截止波長(zhǎng)為?c?Ll?m,在短波長(zhǎng)處也由于材料有較大吸收系數(shù)使R值很小。圖17-5.光電池光電信號(hào)接收框圖圖17-5是光電信號(hào)接收端的工作原理框圖，光電池把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成正比的電流信號(hào)，再經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換器把光電信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓信號(hào)。比較光電池零偏和反偏時(shí)的信號(hào)，就可以測(cè)定光電池的飽和電流Is。當(dāng)發(fā)送的光信號(hào)被被正弦信號(hào)調(diào)制時(shí)，則光電池輸出電壓信號(hào)中將包含正弦信號(hào)，據(jù)此可通過(guò)示波器測(cè)定光電池的頻率響應(yīng)特性。4.光電池的負(fù)載特性光電池作為電池使用如圖17-6所示。在內(nèi)電場(chǎng)的作用下，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

8、一個(gè)負(fù)載就會(huì)有電流流過(guò)，當(dāng)負(fù)載很大時(shí)，電流較小而電壓較大：當(dāng)負(fù)我很小時(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)定光電池的伏安特性。圖17-6.光電池伏安特性的測(cè)定【儀器設(shè)備】【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】RLTKGD-1型硅光電池特性實(shí)驗(yàn)儀、信號(hào)發(fā)生器、雙蹤示波器1 .硅光電池光電流與輸入光信號(hào)關(guān)系特性測(cè)定打開(kāi)儀器電源，調(diào)節(jié)發(fā)光二極管靜態(tài)驅(qū)動(dòng)電流，其調(diào)節(jié)范圍020mA(相應(yīng)于發(fā)光強(qiáng)度指示02000),將偏置電壓切換分別打到零偏和負(fù)偏，將硅光電池輸出端連接到I/V轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，將I/V轉(zhuǎn)化模塊的輸出端連接到接收光強(qiáng)度指示的輸入端，分別測(cè)定光電池在零偏和反偏時(shí)光電流與輸入光信號(hào)關(guān)系。記錄數(shù)據(jù)

9、，并在同一張坐標(biāo)紙上作圖，比較光電池在零偏和反偏時(shí)兩條曲線關(guān)系，求出光電池的飽和電流Is。2.硅光電池光伏電壓與輸入光信號(hào)關(guān)系測(cè)定將功能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)打到“負(fù)載”處，將硅光電池輸出端連接恒定負(fù)載電阻（如取10K）和數(shù)字電壓表，從020mA（指示為02000）調(diào)節(jié)發(fā)光二極管靜態(tài)驅(qū)動(dòng)電流，實(shí)驗(yàn)測(cè)定光電池輸出電壓隨輸入光強(qiáng)度的關(guān)系，記錄數(shù)據(jù)，并繪制曲線。3.硅光電池伏安特性測(cè)定在硅光電池輸入光強(qiáng)度不變時(shí)（取發(fā)光二極管靜態(tài)驅(qū)動(dòng)電流為10mA）,測(cè)量當(dāng)負(fù)教從010K?的范圍內(nèi)變化時(shí)，光電池的輸出電壓隨負(fù)教電阻變化關(guān)系，記錄數(shù)據(jù)，并繪制曲線。4.硅光電池的頻率響應(yīng)將功能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)分別打到“零偏”和“負(fù)偏”處，將硅光電池的輸出連接到I/V轉(zhuǎn)換模塊的輸入端。令LED偏置電流為10mA（顯示為1000）,在信號(hào)輸入端加正弦調(diào)制信號(hào)，使LED發(fā)送調(diào)制光信號(hào)，保持輸入正弦信號(hào)的幅度不變，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器頻率，用示波器觀測(cè)并測(cè)定記錄發(fā)送光信號(hào)的頻率變化時(shí)，光電池輸出信號(hào)幅度的變化，測(cè)定光電池在零偏和負(fù)偏條件下的幅頻特性，記錄數(shù)據(jù)，繪制幅頻特性曲線，并測(cè)定其截止頻率化。【數(shù)據(jù)處理】表17-1光電流與輸入光信號(hào)關(guān)系特性輸入光信號(hào)光電流表17-2光伏電壓與輸入光信號(hào)關(guān)系測(cè)定負(fù)載電阻：輸入光信號(hào)光伏電壓表17-3伏安特性負(fù)載電阻輸出