硅光電池特性研究

1、 硅光電池特性研究【實驗?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?！緦嶒炘怼? 半導(dǎo)體PN結(jié)原理目前半導(dǎo)體光電探測器在數(shù)碼攝像、光通信、太陽電池等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，硅光電池是半導(dǎo)體光電探測器的一個基本單元，深刻理解硅光電池的工作原理和具體使用特性可以進一步領(lǐng)會半導(dǎo)體PN結(jié)原理、光電效應(yīng)理論和光伏電池產(chǎn)生機理。零偏PN 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、反偏、正偏下的耗盡區(qū)，當P型和N型半導(dǎo)體材料結(jié)合時，由于P型材料空穴多電子少，而N型材料電

2、子多空穴少，結(jié)果P型材料中的空穴向N型材料這邊擴散，N型材料中的電子向P型材料這邊擴散，擴散的結(jié)果使得結(jié)合區(qū)兩側(cè)的P型區(qū)出現(xiàn)負電荷，N型區(qū)帶正電荷，形成一個勢壘，由此而產(chǎn)生的內(nèi)電場將組織擴散運動的繼續(xù)進行，當兩者達到平衡時，在PN結(jié)兩側(cè)形成一個耗盡區(qū)，耗盡區(qū)的特點是無自由載流子，呈現(xiàn)高阻抗。當PN結(jié)反偏時，外加電場與內(nèi)電場方向一致，耗盡區(qū)在外電場作用下變寬，使勢壘加強；當PN結(jié)正偏時，外加電場與內(nèi)電場方向相反，耗盡區(qū)在外電場作用下變窄，使勢壘削弱，使載流子擴散運動繼續(xù)形成電流，這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，電流方向是從P指向N。2 LED工作原理當某些半導(dǎo)體材料形成的PN結(jié)加正向電壓時，空穴與電子

3、在PN結(jié)復(fù)合時將產(chǎn)生特定波長的光，發(fā)光的波長與半導(dǎo)體材料的能級間隙Eg有關(guān)。發(fā)光波長可由下式確定： （17-1）式（17-1）中的h為普朗克常數(shù)，c為光速。在實際的半導(dǎo)體材料中能級間隙Eg有一個寬度，因此發(fā)光二極管發(fā)出光的波長不是單一的，其發(fā)光波長半寬度一般在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)動電流I的關(guān)系由下式?jīng)Q定： （17-2）式中為發(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)動電流呈線性關(guān)系，當電流較大時由于PN結(jié)不能及時散熱，輸出光功率可能會趨向飽和。本實驗用一個驅(qū)動電流可調(diào)的紅色超高亮度發(fā)光二極管作為實驗用光源。系統(tǒng)采用的發(fā)光二極管驅(qū)動

4、和調(diào)制電路如圖17-2所示。信號調(diào)制采用光強度調(diào)制的方法，圖17-2. 發(fā)送光的設(shè)定、驅(qū)動和調(diào)制電路框圖發(fā)送光強度調(diào)節(jié)器用來調(diào)節(jié)流過LED的靜態(tài)驅(qū)動電流，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)動電流調(diào)節(jié)范圍為020毫安，對應(yīng)面板上的光發(fā)送強度驅(qū)動顯示值為02000單位。正弦調(diào)制信號經(jīng)電容、電阻網(wǎng)絡(luò)及運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)動電流迭加后使發(fā)光二極管發(fā)送隨正弦波調(diào)制信號變化的光信號，如圖17-3所示，變化的光信號可用于測定光電池的頻率響應(yīng)特性。3 硅光電池的工作原理硅光電池是一個大面積的光電二極管，它被設(shè)計用于把入射到它表面的光能轉(zhuǎn)化為電能，因此，可用作光電探測器和光

5、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，當半導(dǎo)體PN結(jié)處于零偏或反偏時，在它們的結(jié)合面耗盡區(qū)存在一內(nèi)電場，當有光照時，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)出的電子空穴對在內(nèi)電場作用下分別飄移到N型區(qū)和P型區(qū)，當在PN結(jié)兩端加負載時就有一光生電流流過負載。流過PN結(jié)兩端可由式（17-3）確定 （17-3）式（17-3）中Is為飽和電流，V為PN結(jié)兩端電壓，T為絕對溫度，為產(chǎn)生的光電流。從式中可以看到，當光電池處于零偏時，V=0，流過PN的電流I0=；當光電池處于反偏時（在本實驗中取V=-5V），流過PN結(jié)的電流I反=-Is，因此，當光電池用作光電轉(zhuǎn)換器時

6、，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，產(chǎn)生的光電流與輸入光功率Pi有以下關(guān)系： （17-4）式（17-4）中R為響應(yīng)率，R值隨入射光波長的不同而變化，對不同材料制作的光電池R值分別在短波長和長波長處存在一截止波長，在長波長處要求入射光子的能量大于材料的能級間隙，以保證處于介帶中的束縛電子得到足夠的能量被激發(fā)到導(dǎo)帶，對于硅光電池其長波截止波長為，在短波長處也由于材料有較大吸收系數(shù)使R值很小。圖17-5.光電池光電信號接收框圖圖17-5是光電信號接收端的工作原理框圖，光電池把接收到的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之

7、成正比的電流信號，再經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換器把光電信號轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓信號。比較光電池零偏和反偏時的信號，就可以測定光電池的飽和電流。當發(fā)送的光信號被被正弦信號調(diào)制時，則光電池輸出電壓信號中將包含正弦信號，據(jù)此可通過示波器測定光電池的頻率響應(yīng)特性。4 光電池的負載特性光電池作為電池使用如圖17-6所示。在內(nèi)電場的作用下，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，在光電池兩端加一個負載就會有電流流過，當負載很大時，電流較小而電壓較大；當負載很小時，電流較大而電壓較小。實驗時可改變負載電阻RL的值來測定光電池的伏安特性。RL圖17-6. 光電池伏安特性的測定【儀器設(shè)備】

8、TKGD-1型硅光電池特性實驗儀、信號發(fā)生器、雙蹤示波器【實驗內(nèi)容與步驟】1 硅光電池光電流與輸入光信號關(guān)系特性測定打開儀器電源，調(diào)節(jié)發(fā)光二極管靜態(tài)驅(qū)動電流，其調(diào)節(jié)范圍020mA（相應(yīng)于發(fā)光強度指示02000），將偏置電壓切換分別打到零偏和負偏，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度指示的輸入端，分別測定光電池在零偏和反偏時光電流與輸入光信號關(guān)系。記錄數(shù)據(jù)，并在同一張坐標紙上作圖，比較光電池在零偏和反偏時兩條曲線關(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關(guān)系測定將功能轉(zhuǎn)換開關(guān)打到“負載”處，將硅光電池輸出端連接恒定負載電阻（

9、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)動電流，實驗測定光電池輸出電壓隨輸入光強度的關(guān)系，記錄數(shù)據(jù)，并繪制曲線。3 硅光電池伏安特性測定在硅光電池輸入光強度不變時（取發(fā)光二極管靜態(tài)驅(qū)動電流為10mA），測量當負載從010K的范圍內(nèi)變化時，光電池的輸出電壓隨負載電阻變化關(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)換開關(guān)分別打到“零偏”和“負偏”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），在信號輸入端加正弦調(diào)制信號，使LED發(fā)送調(diào)制光信號，保持輸入正弦信號的幅度不變，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器頻率，用示波器觀測并測定記錄發(fā)送光信號的頻率變化時，光電池輸出信號幅度的變化，測定光電池在零偏和負偏條件下的幅頻特性，記錄數(shù)據(jù)，繪制幅頻特性曲線，并測定其截止頻率ft?！緮?shù)據(jù)處理】表17-1 光電流與輸入光信號關(guān)系特性輸入光信號光電流零偏負偏表17-2 光伏電壓與輸入光信號關(guān)系測定 負載電阻： 輸入光信號光伏電壓表17-3