光電二極管特性參數(shù)的測(cè)量及原理應(yīng)用(精)

1、工作總結(jié)實(shí)驗(yàn)報(bào)告/ / 光電池/光敏電阻/光電二極管特性參數(shù)的測(cè)量指 導(dǎo) 人：朱小姐 實(shí)驗(yàn)類型：工作檢驗(yàn)及年終總結(jié)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：搏盛科技光電子半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)?zāi)康模轰N售技能的考察，產(chǎn)品及相關(guān)知識(shí)的了解情況，年終總結(jié)實(shí)驗(yàn)日期：2011 年 12 月 26 日 姓 名：陳帥職位：銷售工程師手機(jī)號(hào)：159* Email:chenshuaisz1688概述光電效應(yīng)是指入射光子與探測(cè)器材料中的束縛電子發(fā)生相互作用，使束縛電子變成為自由電子的效應(yīng)。光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)與外光電效應(yīng)兩類。入射光子引起探測(cè)器材料表面發(fā)射電子的效應(yīng)稱為外光電效應(yīng)。入射光子激發(fā)的載流子（電子或空穴）仍保留在材料內(nèi)部的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效

2、應(yīng)。 內(nèi)光電效應(yīng)器件有光電導(dǎo)探測(cè)器（例如光敏電阻）、光生伏特器件（光電池、光電二極管、光電三極管）。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容測(cè)量三種內(nèi)光電效應(yīng)器件（光敏電阻、光電池、光電二極管）的特性參數(shù)。注意事項(xiàng)a 做實(shí)驗(yàn)請(qǐng)關(guān)燈，以達(dá)到良好的測(cè)量效果。b 拆卸數(shù)據(jù)線時(shí)不要用力硬拽，拆不下來請(qǐng)轉(zhuǎn)個(gè)角度拆。c 請(qǐng)?jiān)谧约旱膶?shí)驗(yàn)桌上做實(shí)驗(yàn)，不要到別的實(shí)驗(yàn)桌旁干擾同事做實(shí)驗(yàn)，更不要?jiǎng)铀说膬x器。 d 請(qǐng)勿觸摸光學(xué)鏡片的表面。e 測(cè)量時(shí)不要碰導(dǎo)線，否則數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。更不能用力拉扯導(dǎo)線，導(dǎo)致接頭脫落。f 實(shí)驗(yàn)完畢關(guān)閉所有電源開關(guān)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告報(bào)告開頭請(qǐng)?zhí)钊胄彰?、職位、手機(jī)號(hào)、實(shí)驗(yàn)日期。實(shí)驗(yàn)完成后，請(qǐng)將報(bào)告打印出來，在有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖表的頁(yè)腳簽

3、名，然后交到朱小姐辦公桌上。 Word 文件請(qǐng)以 “實(shí)驗(yàn)報(bào)告 +姓名 ”命名，發(fā)到朱小姐郵箱。請(qǐng)?jiān)谠┕?jié)前完成。簽名 : 第 1 頁(yè)光敏電阻的特性曲線測(cè)量一 . 目的要求測(cè)量CdS（硫化鎘）光敏電阻的伏安特性和光照特性。實(shí)驗(yàn)要求達(dá)到：1、使用 Excel 或繪圖軟件Origin 繪制出伏安特性特性曲線2、繪制出光照特性曲線3、理解光敏電阻的光電特性二 . 實(shí)驗(yàn)原理某些物質(zhì)吸收了光子的能量產(chǎn)生本征吸收或雜質(zhì)吸收，從而改變了物質(zhì)電導(dǎo)率的現(xiàn)象稱為 物質(zhì)的光電導(dǎo)效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)只發(fā)生在某些半導(dǎo)體材料中，金屬?zèng)]有光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻是基于光電導(dǎo)效應(yīng)工作的元件。光敏電阻具有體積小，堅(jiān)固耐用，價(jià)格低廉，光譜

4、響應(yīng)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于微弱輻射信號(hào)的探測(cè)領(lǐng)域。由于光敏電阻沒有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，只要把它當(dāng)作電阻值隨光照度而變化的可變電阻器對(duì)待即可，使用時(shí)既可加直流電壓，也可以加交流電壓。因此光敏電阻在電子電路、儀器儀表、光電控制、計(jì)量分析以及光電制導(dǎo)、激光外差探測(cè)等領(lǐng)域中獲得了十分廣泛的應(yīng)用。如圖，光功率為P 的光照射到光敏電，則光敏層單位時(shí)間所吸收：阻上， 假設(shè)光全部被吸收 的光量子數(shù)密度N 應(yīng)為 N = Ph bd（l 1）光敏層每秒產(chǎn)生的電子數(shù)密度Ge 為： G e = （N 2） 為有效量子效率，表示入射光子轉(zhuǎn)換為光電子的效率。它定義為：=單位時(shí)間內(nèi)光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的有效電子空穴對(duì)數(shù)單位

5、時(shí)間內(nèi)入射光量子數(shù)（ 3） 理想情況下，入射一個(gè)光量子產(chǎn)生一對(duì)電子空穴， =1。實(shí)際上，<1。光敏層內(nèi)電子總產(chǎn)生率應(yīng)為熱電子產(chǎn)生率 Gt 與光電子產(chǎn)生率Ge 之和： G e + Gt = N +（ rt4 ） 在熱平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體的熱電子產(chǎn)生率Gt 與熱電子復(fù)合率rt 相平衡。導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴的總復(fù)合率R 應(yīng)為： R = K f （?n + ni （?p + p i （ 5）式中， Kf 為載流子的復(fù)合幾率， n為導(dǎo)帶中的光生電子濃度， p為導(dǎo)帶中的光生空穴濃度， ni 與 pi 分別為熱激發(fā)電子與空穴的濃度。同樣，熱電子復(fù)合率與導(dǎo)帶內(nèi)熱電子濃度ni 及價(jià)帶內(nèi)空穴濃度pi 的

6、乘積成正比。即簽名 : 第2頁(yè)rt = K f ni p i （ 6）在熱平衡狀態(tài)載流子的產(chǎn)生率應(yīng)與復(fù)合率相等。即 N + Kf ni pi = K f （?n + ni （ ?p + pi （ 7） 在非平衡狀態(tài)下，載流子的時(shí)間變化率應(yīng)等于載流子的總產(chǎn)生率與總復(fù)合率的差：d?n = N + K f ni pi - K f （?n + ni （?p + pi = N - K f （?n?p + ?pni + ?npi （ 8）dt 下面分為弱光與強(qiáng)光照射兩種情況討論式（ 8） ： 在弱光照射下光生載流子濃度 n遠(yuǎn)小于熱激發(fā)電子濃度ni，光生空穴濃度 p遠(yuǎn)小于熱激發(fā)空穴的濃度 pi，并考慮到本征

7、吸收的特點(diǎn)， n=p ，式（ 8）可簡(jiǎn)化為d?n = N - K f ?n（ni + pi dt （ 9） - t 利用初始條件t = 0 時(shí)， n =0，解微分方程得：?n = N （1 式中- e =1/Kf（ni+p，稱為載流子的平均壽命。i（ 10） 由式（ 10）可見，光激發(fā)載流子濃度隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)t >> 時(shí)，載流子濃度 n達(dá)到穩(wěn)態(tài)值 n0，即達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)：?n 0 = （ N1 1）（ 12） 光激發(fā)載流子引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化為：? = ?n0q = 式中， q N 為電子遷移率 n與空穴遷移率 p之和。光敏電阻受光照后阻值會(huì)變小也可以這么定性理解：當(dāng)

8、內(nèi)光電效應(yīng)發(fā)生時(shí)，固體材料吸收的能量使部分價(jià)帶電子遷移到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶中留下空穴。這樣材料中的載流子數(shù)目增加，材料的電導(dǎo)率也就增加。當(dāng)光敏電阻兩端加上電壓U 后，光電流為：I ph = A 為與電流垂直的截面積， d 為電極間的距離。A ? U d（ 13） 由式（12）與式（13）可知：在一定照度下，光敏電阻兩端所加電壓與光電流為線性關(guān)系，伏安特性曲線符合歐姆定律。光敏電阻具有與普通電阻相似的伏安特性，但它的電阻值是隨入射光照度變化的?？梢詼y(cè)出在不同光照下加在光敏電阻兩端的電壓與流過它的電流的關(guān)系曲簽名 : 第 3 頁(yè)線，即光敏電阻的伏安特性曲線，伏安特性曲線過零點(diǎn)，其斜率為某光照度下的電

9、阻值。圖 1 不同光照下光敏電阻的伏安特性曲線弱光照射下半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo) g 為： g = ? bd q bd q = N = （P l1 l4h） 可以看出， l 2 弱光照下的半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)與光功率P 成線性關(guān)系。光照度越大，電導(dǎo)越大，電阻的阻值越小。 將式（14）兩邊微分得：dg = qdP h（ 1l5 ）2 由此可得半導(dǎo)體材料在弱光照射下的光電導(dǎo)靈敏度：S g = d g q= d（P h1c6l） 2 可見，在弱光照射下的半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度與光電導(dǎo)材料兩電極間的長(zhǎng)度l 的平方 成反比，為與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。電導(dǎo)隨光照量變化越大的光敏電阻就越靈敏。在一定外加電壓下，光敏電

10、阻的光電流與光通量之間的關(guān)系稱為光照特性。光敏電阻阻值隨光照的增加而減小。當(dāng)照度很低時(shí)，光敏電阻的光照特性近似為線性關(guān)系，斜率大致相同。隨光照度的增高，光照特性從線性漸變到非線性。當(dāng)照度變得很高時(shí)，曲線近似為拋物線性。圖 2 光敏電阻的光照特性曲線簽名 : 第 4 頁(yè)在強(qiáng)光照射下 n>>n，i p>>p，式（i8）可以簡(jiǎn)化為：d?n = N e, - K f?n 2 dt ? 2 t ? tanh ? ? 1 （ 17） ? N利用初始條件t = 0 時(shí)， n = 0，解微分方程得： ?n = ? e, ? K ? f 白色 LED 光源 準(zhǔn)直透鏡起偏器 P1 （ 18

11、） 式中 = 1起偏器 P2 聚焦透鏡光敏元件轉(zhuǎn)盤 K f N e, 為強(qiáng)光照作用下載流子的平均壽命。 在強(qiáng)光照情況下，半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)與光功率為拋物線關(guān)系：? bd? ? g = q ? h K l 3? P f ? ? 兩邊微分得：dg = 1 2 1 2 數(shù)字檢流計(jì)（ 19）1 ? b?d ? P dPq? 2 ? h K f l 3? ? ? 1 2 LM07 電器箱 1 - 2 （ 20） 1 2 半導(dǎo)體材料在強(qiáng)光照射下的光電導(dǎo)靈敏：S g 1 dg 1? b?d - 2 ? P = = q ? dP 2 ? h K f l 3? ? ?（ 21） 在強(qiáng)光照射下半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈

12、敏度不僅與材料的性質(zhì)有關(guān)而且與光照度有關(guān)，是非 線性的。從圖2 可以看出，光照度越高，光電導(dǎo)靈敏度越低。三 .實(shí)驗(yàn)裝置儀器設(shè)備主要有：導(dǎo)軌、光具座、LED 光源、 CdS 光敏電阻、電源箱、數(shù)字檢流計(jì)、硬紙片。 光源為發(fā)光二極管，它具有效率高、體積小、耗電少、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，且改變電源電壓可以改變 LED 燈亮度。為了充分利用光源，在光源后放置了透鏡L1 ，這樣點(diǎn)光源經(jīng)透鏡L1 為出 射平行光，再經(jīng)棱鏡L2 聚焦到光敏電阻上。為了減少環(huán)境光的影響，將光敏電阻置于遮光筒內(nèi)，遮光筒開有一小孔，供發(fā)光二極管的光照入。光照度的變化通過轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片P1 和 P2 的夾角達(dá)到減光效果，由馬呂斯定律：I = I

13、 0 cos 2 （ 2 2） I0 為當(dāng)兩偏振片平行時(shí)的出射光強(qiáng)。當(dāng)兩偏振片之間有夾角 時(shí)，光強(qiáng)就按式（22）減小，也就是起到減光效果。 I 為通過偏振片后的光強(qiáng)。簽名 : 第 5 頁(yè)實(shí)驗(yàn)所用光敏電阻為最常見的CdS（硫化鎘光敏電阻。它的光譜響應(yīng)特性最接近人眼光譜光視效率,峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為0.52 m在可見光波段范圍內(nèi)的靈敏度最高 ,因此,被廣泛地應(yīng)用于燈光的自動(dòng)控制,照相機(jī)中電子快門的自動(dòng)測(cè)光等。三種光敏電阻的光譜響應(yīng)特性.實(shí)驗(yàn)步驟、測(cè)量?jī)?nèi)容(1 將發(fā)光二極管的底座鎖定螺絲順時(shí)針擰緊,固定在滑軌上。打開發(fā)光二極管的電源盒背面的開關(guān),將電源盒面板上的旋鈕順時(shí)針旋到底(即光照度開到最大。將透鏡

14、L1 滑動(dòng)到距離發(fā)光二極管9 厘米處 (L1 透鏡的焦距,將底座的鎖定螺絲順時(shí)針擰緊在滑軌上。(2 光路同軸等高調(diào)節(jié):將所有的器件調(diào)到同一高度,光束穿過各器件的中心。(3 在光敏電阻前立一張硬紙片。一邊滑動(dòng)透鏡L2,一邊觀察紙上的光斑,使光斑聚成盡可能小的光點(diǎn)。如果聚光效果仍不夠好,可以在滑動(dòng)透鏡L2 的同時(shí),稍微滑動(dòng)透鏡L1,以達(dá)到良好的聚光效果。(4撤掉硬紙片,將光敏電阻的黑色扇形擋板轉(zhuǎn)開,露出光敏電阻黃色轉(zhuǎn)盤上的小孔 ,觀察光是否照進(jìn)小孔。將導(dǎo)線的一端插入轉(zhuǎn)盤上“光敏電阻 ”背面的插口。背面有三個(gè)插口,要插入到“光敏電阻 ”正背后的那個(gè)插口。插入即可,不必旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)線另一端連接到“ LM0

15、7光電池光敏電阻綜合實(shí)驗(yàn)儀”電控箱面板上的“光電阻 ”接口,將“ MT數(shù)字檢流計(jì)”電控箱背面的導(dǎo)線接到“ LM07光電池光敏電阻綜合實(shí)驗(yàn)儀”電控箱面板上的“光電流 ”接口,將電控箱上面板上的光電阻開關(guān)撥到“開 ”的位置。(5 打開“ LM07光電池光敏電阻綜合實(shí)驗(yàn)儀”的電源開關(guān)。面板右上角的“電壓調(diào)節(jié) ”旋鈕可調(diào)節(jié)“供給電壓”( 對(duì)光敏電阻施加的外部電壓。(6 將兩只偏振片P1、 P2轉(zhuǎn)盤上的0°刻度線與標(biāo)線對(duì)齊。打開“ MT數(shù)字檢流計(jì) ”的電源開關(guān)。面板上顯示的是光電流數(shù)值。如果光電流顯示為1,表示數(shù)值溢出了 ,請(qǐng)將增益旋鈕逆時(shí)針旋到最小。將“供給電壓 ”從 10V 8V 6V 4

16、V 2V 0V依次遞減,把相應(yīng)的光電流數(shù)值填入表1 中。(7旋轉(zhuǎn)兩偏振片中的一只,每次轉(zhuǎn)15°,直到兩偏振片的光軸夾角為90°。每次轉(zhuǎn)角度后 ,將 “供給電壓 ”從10V 8V 6V 4V 2V 0V依次遞減 ,把相應(yīng)的光電流數(shù)值填入表1 中。注意:由于經(jīng)常旋轉(zhuǎn)偏振器的轉(zhuǎn)盤,螺絲可能脫扣。即使兩只轉(zhuǎn)盤上的 0°刻度線與標(biāo)線對(duì)齊,并不代表真實(shí)情況是這樣?？梢赞D(zhuǎn)動(dòng)其中一只偏振器的刻度盤,當(dāng)光電流最大時(shí),視作兩偏振片的光軸夾角為0°,然后再依次轉(zhuǎn)15°。五 .數(shù)據(jù)記錄與繪圖表 1 不同光照下加在光敏電阻兩端的電壓與流過它的電流的關(guān)系 cos2 I(

17、AU=0V U=2V U=4V U=6V U=8V U=10V 90° 075° 0.0760° 0.2545° 0.530° 0.7515° 0.930°1根據(jù)表 1 中的數(shù)據(jù),使用Excel或繪圖軟件Origin 繪制出如圖1 所示的光敏電阻伏安特性曲線。1 A=1× 1-06A對(duì)表 1 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,電腦算出直線的斜率,將斜率填入表2中。斜率的倒數(shù)即光敏電阻在不同光照度下的電阻值,將計(jì)算出的電阻值也填入表2中。1K =1 × 103表 2 光敏電阻阻值與光照度的關(guān)系 cos2伏安特性曲線的斜

18、率k電阻 R=1/k(K 90°075° 0.0760° 0.2545° 0.530° 0.7515° 0.90°1根據(jù)表 2的數(shù)據(jù),使用Excel 或繪圖軟件Origin 繪制出光敏電阻的光照特性曲線五 .觀察與思考1、隨著溫度的升高,光敏電阻的暗電阻和靈敏度會(huì)怎樣?2、光敏電阻效應(yīng)有什么可能的應(yīng)用?光電池的特性曲線測(cè)量目的要求測(cè)量光電池的光照特性和伏安特性。實(shí)驗(yàn)要求達(dá)到:1、測(cè)量光電池在光照狀態(tài)下的短路電流I sc、開路電壓U oc、最大輸出功率P max、填充因子FF2、了解光電池的光伏特性和黑暗狀態(tài)下的伏安特性(二極

19、管特性實(shí)驗(yàn)原理1839年 ,法國(guó)科學(xué)家貝克雷爾(Becqurel就發(fā)現(xiàn) ,光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏打效應(yīng)”, 簡(jiǎn)稱 “光伏效應(yīng) ”。具有光生伏特效應(yīng)的半導(dǎo)體材料有很多,例如硅(Si、鍺(Ge、硒(Se、砷化鎵(GaAs等半導(dǎo)體材料。利用這些材料能夠制造出具有各種特點(diǎn)的光生伏特器件,其中硅光生伏特器件具有制造工藝簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)使它成為目前應(yīng)用最廣泛的光生伏特器件。常見的光生伏特器件有光電池、光電二極管、光電三極管、CCD 等。光生伏特器件工作基于PN 結(jié)的光伏效應(yīng)。PN 結(jié)的基本特征是它的電學(xué)不對(duì)稱性。在結(jié)區(qū)有一個(gè)從N 側(cè)指向P 側(cè)的內(nèi)建電場(chǎng)存在

20、。熱平衡下,多數(shù)載流子(N 側(cè)的電子和P 側(cè)的空穴的擴(kuò)散作用與少數(shù)載流子(N 側(cè)的空穴和P 側(cè)的電子由于內(nèi)電場(chǎng)的漂移作用相抵消,沒有凈電流通過PN 結(jié)。此時(shí) ,用電壓表量不出PN 結(jié)兩端有電壓,稱為零偏狀態(tài)。當(dāng)照射光激發(fā)出電子一空穴對(duì)時(shí)電勢(shì)壘的內(nèi)建電場(chǎng)將把電子一空穴對(duì)分開,從而在勢(shì)壘兩側(cè)形成電荷堆積,形成光生伏特效應(yīng)。如果說光導(dǎo)現(xiàn)象是半導(dǎo)體材料的體效應(yīng),那么光伏現(xiàn)象則是半導(dǎo)體材料的 “結(jié) ”效應(yīng)。也就是說,實(shí)現(xiàn)光伏效應(yīng)需要有內(nèi)部電勢(shì)壘,當(dāng)照射光激發(fā)出電子一空穴對(duì)時(shí),電勢(shì)壘的內(nèi)建電場(chǎng)將把電子一空穴對(duì)分開,從而在勢(shì)壘兩側(cè)形成電荷堆積,形成光生伏特效應(yīng)。這個(gè)內(nèi)部電勢(shì)壘可以是PN 結(jié)、 PIN 結(jié)、肖

21、特基勢(shì)壘結(jié)以及異質(zhì)結(jié)等。這里我們主要討論P(yáng)N 結(jié)的光伏效應(yīng),它不僅最簡(jiǎn)單,而且是基礎(chǔ)。如果 PN 結(jié)正向電壓偏置(P區(qū)接正 ,N 區(qū)接負(fù),則有較大正向電流流過PN結(jié)。如果把 PN 結(jié)反向電壓偏置(P區(qū)接負(fù),N 區(qū)接正 ,則有一很小的反向電流通過PN結(jié) ,這個(gè)電流在反向擊穿前幾乎不變,稱為反向飽和電流。PN 結(jié)的伏安特性為:（10-=T k eu s d B e I I 式中 I d 是暗 （指無(wú)光照電流,I so 是反向飽和電流,U 是偏置電壓（正向偏置為正,反向偏置為負(fù),e 是電子電荷量,k B 是波爾茲曼常數(shù),T 是絕對(duì)溫度。PN 結(jié)光伏探測(cè)器的典型結(jié)構(gòu)及作用原理如圖所示(a光伏探測(cè)器的典

22、型結(jié)構(gòu)(b 工作原理假定光生電子一空穴對(duì)在PN 結(jié)的結(jié)區(qū) ,即耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生。由一內(nèi)電場(chǎng)的作用電子向 N 區(qū)、空穴向P 區(qū)漂移運(yùn)動(dòng),被內(nèi)電場(chǎng)分離的電子和空穴就在外回路中形成電流。為了說明光功率轉(zhuǎn)換成光電流的關(guān)系,我們?cè)O(shè)想光伏探測(cè)器兩端被短路,并用一理想電流表記錄光照下流過回路的電流,這個(gè)電流常常稱為短路光電流。和光電導(dǎo)探測(cè)器不同,光伏探測(cè)器的工作特性要復(fù)雜一些,通常有光電池和光電二極管之分。也就是說,光伏探測(cè)器有著不同的工作模式。光電池又叫光伏電池,它可以把外界的光轉(zhuǎn)為電信號(hào)或電能。實(shí)際上這種光電池是由大面積的PN 結(jié)形成的,即在 N 型硅片上擴(kuò)散硼形成P 型層,并用電極引線把P 型和 N 型層

23、引出,形成正負(fù)電極。為防止表面反射光,提高轉(zhuǎn)換效率,通常在器件受光面上進(jìn)行氧化,形成二氧化硅保護(hù)膜。在光照狀態(tài)下,一個(gè)PN 結(jié)光伏探測(cè)器可等效為一個(gè)理想恒流源（光電流源、理想二極管、并聯(lián)電阻R sh 、電阻 R S 所組成,那么光電池的工作如圖:IPh 為光電池在光照時(shí)該等效電源輸出電流。Id 為光照時(shí)，通過光電池內(nèi)部二極管的電流。I 為光電池的輸出電流，U 為輸出電壓。由基爾霍夫定律：IRS + U- （ I ph - I d - I Rsh = 0 可得： I （1 + Rs U = I ph - - Id Rsh Rs h ? keuT ? - I SO ? eB - 1 ? ? ? ?

24、 ? 假設(shè) Rsh = 和 Rs = 0 ，可簡(jiǎn)化為：I = I ph - Id = I ph 短路時(shí)：U = 0 ， I ph = I SC 而開路時(shí)：I = 0 ， I SC ? eu ? k T - I SO ? e B - 1 ? = 0 ? ? ? （ 1） 可以得到：U OC = 1 I In（ SC + 1 式 （ I1 S） O即為在Rsh = 和Rs = 0 的情況下，光電池的開路電壓UOC 和短路電流ISC 的關(guān)系式。其中 UOC為開路電壓，ISC 為短路電流。短路電流和開路電壓是光電池的兩個(gè)非常重要的工作 狀態(tài)，它們分別對(duì)應(yīng)于RL = 0 和 RL = 的情況。當(dāng)光電池外

25、接負(fù)載電阻R L時(shí)，負(fù)載所獲得的功率為：PL=IL2RL 負(fù)載電阻RL 所獲得的功率PL 與負(fù)載電阻的阻值有關(guān)。讓我們來看以下三種情況：（ 1） 當(dāng) RL=0（電路為短路）時(shí)，U=0，輸出功率PL=0； （ 2） 當(dāng) < RL< 0 時(shí)，輸出功率PL> 0。 （ 3） 當(dāng) RL=（電路為開路）時(shí)，IL=0，輸出功率PL=0； 顯然，存在著最佳匹配負(fù)載電阻RL=Ropt。在最佳負(fù)載電阻情況下，負(fù)載可以獲得最大的輸出功率Pmax。 Ropt 取決于光電池的內(nèi)阻。簽名 : 第 11 頁(yè)由于 UOC 和 ISC 均隨光照度的增強(qiáng)而增大，所不同的是UOC 與光照度的對(duì)數(shù)成正比，ISC

26、與光照度成正比（在弱光下，所以Ropt 亦隨光照度變化而變化。UOC、 ISC 和 Ropt 都是光電池的重要參白色 LED 光源 數(shù)。填充因子FF 是表征光電池性能優(yōu)劣的指標(biāo)，可用下式表示：光敏元件轉(zhuǎn)盤準(zhǔn)直透鏡起偏器 P1 起偏器P2 聚焦透鏡FF = Pmax U OC I SC 電 壓 調(diào) 節(jié) 電 阻 調(diào) 節(jié) 填充因子一般在0.50.8之間 數(shù)字檢流計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置明 光 電 池 開 開 光 開 儀器設(shè)備主要有：導(dǎo)軌、光具座、 LED 光源、光電池、電源箱、數(shù)字檢流計(jì)、硬紙片。電 關(guān) 關(guān) LM07 電器箱關(guān) 阻 光電流 南京浪博科教儀器研究所光電池接口：光電池黑暗狀態(tài)下的電壓數(shù)字檢流計(jì)接口光電

27、阻接口：光電池光照狀態(tài)下的電壓光源為發(fā)光二極管，它具有效率高、體積小、耗電少、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，且改變電源電壓可以改變 LED 燈亮度。為了充分利用光源，在光源后放置了透鏡L1，這樣點(diǎn)光源經(jīng)透鏡L1 為出 射平行光，再經(jīng)棱鏡L2 聚焦到光敏電阻上。為了減少環(huán)境光的影響，將光敏電阻置于遮光筒內(nèi)，遮光筒開有一小孔，供發(fā)光二極管的光照入。實(shí)驗(yàn)步驟：（ 1）將發(fā)光二極管的底座鎖定螺絲順時(shí)針擰緊，固定在滑軌上。打開發(fā)光二極管的電源盒背 面的開關(guān)，將電源盒面板上的旋鈕順時(shí)針旋到底（即光照度開到最大）。將透鏡 L1 滑動(dòng)到距離發(fā)光二極管9 厘米處（L1 透鏡的焦距），將底座的鎖定螺絲順時(shí)針擰緊在滑軌上。（ 2）

28、光路同軸等高調(diào)節(jié)：將所有的器件調(diào)到同一高度，光束穿過各器件的中心。（ 3）在光電池前立一張硬紙片。一邊滑動(dòng)透鏡L2，一邊觀察紙上的光斑，使光斑聚成盡可能小的光點(diǎn)。如果聚光效果仍不夠好，可以在滑動(dòng)透鏡 L2 的同時(shí)，稍微滑動(dòng)透鏡L1 ，以達(dá)到良好的聚光效果。（ 4）撤掉硬紙片，將光電池的黑色扇形擋板轉(zhuǎn)開，露出光電池的小孔，觀察光是否照進(jìn)小孔。簽名 : 第 12頁(yè)將導(dǎo)線的一端插入轉(zhuǎn)盤背面的插口。背面有三個(gè)插口，要插入到“光電池 ” 正背后的那個(gè)插口。插入即可，不必旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)線另一端連接到“ LM07光電池光敏電阻綜合實(shí)驗(yàn)儀”電控箱面板上的 “光電池 ”接口。 （ 5）將“ LM07光電池光敏電阻綜合

29、實(shí)驗(yàn)儀 ”面板右上角的“電壓調(diào)節(jié) ”旋鈕逆時(shí)針旋到最小。在做光電池光照特性實(shí)驗(yàn)時(shí)，不要調(diào)節(jié)“供給電壓 ”的旋鈕，否則穩(wěn)壓電源將給光電池供電，而不是光電池本身放電。（ 6）打開“ LM07光電池光敏電阻綜合實(shí)驗(yàn)儀”的電源開關(guān)。將電控箱面板上的光電阻開關(guān)撥到 “關(guān) ”的位置。將光電池的明開關(guān)撥到“開 ”位置，暗開關(guān)撥到 “關(guān) ”位置，將面板上“電 阻調(diào)節(jié) ”旋鈕逆時(shí)針旋到底（阻值最?。?。將U1/U2 開關(guān)撥到 “ U1” ，此時(shí)“電壓測(cè)量 ”顯示的 讀數(shù)為 0，表明此時(shí)流經(jīng)光電池的電流為短路電流。如果光電流顯示為1，表示數(shù)值溢出了，逆時(shí)針旋下光電檢流計(jì)的鈕旋，但不要旋到底。（ 7）順時(shí)針旋轉(zhuǎn)“電阻

30、調(diào)節(jié) ”旋鈕，將電阻由最小逐步調(diào)到最大。每調(diào)一次電阻值，記錄下光電流和輸出電壓U1 ，把數(shù)據(jù)填入下表中。如果光電流顯示為0，請(qǐng)順時(shí)針旋光電檢流計(jì)的鈕旋。注意：明狀態(tài)時(shí)，光電檢流計(jì)所測(cè)電流為負(fù)，這與由檢流計(jì)的方向有關(guān)，只用記錄絕對(duì)值，不必記錄正負(fù)號(hào)。由于經(jīng)常旋轉(zhuǎn)偏振器的轉(zhuǎn)盤，螺絲可能脫扣。即使兩只轉(zhuǎn)盤上的0 °刻度線 與標(biāo)線對(duì)齊，并不代表真實(shí)情況是這樣。表 1 輸出電壓U1 （V 不同負(fù)載下，光電池的光電流、輸出電壓、輸出功率的變化情況光電流 I （ 負(fù)載電阻A=U1/I （ K ? ） 輸出功率 P=U1I （ W ） 光電池的輸出電壓與光電流的關(guān)系簽名 : 第 13頁(yè)光電池的輸出功

31、率和負(fù)載電阻的關(guān)系找出上圖中的功率最大值，利用公式FF= Pmax 計(jì)算出光電池的填充因子。式中的短路I scU oc 電流Isc 為表 1 中的最大電流，開路電壓Uoc 為表 1 中的最大電壓。（ 8）旋轉(zhuǎn)兩偏振片中的一只，每次轉(zhuǎn)15°之后：逆時(shí)針旋“電阻調(diào)節(jié) ”的旋鈕到底（電阻接近零）記下此時(shí)的短路光電流Isc； ， 再順時(shí)針旋“電阻調(diào)節(jié) ” 的旋鈕到底（電阻達(dá)到最大值33k） ， 記下此時(shí)的開路電壓UOC 表2 開路電壓UOC、短路光電流Isc 與光照度的關(guān)系 cos2Isc （ A U （V OC 0° 15 ° 30 ° 45 °線性

32、關(guān)系。 60 ° 75 ° 19 0.°93 0.750.5 0.25 0.07 0理論上，光電流與光照度之間有線性關(guān)系：dJ / J = 6.26di / i 請(qǐng)用你的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖看是否為簽名 : 第14頁(yè)光電池 光照度與短路光電流的關(guān)系UOC 與光照度J/J0 的關(guān)系是近似函數(shù)UOC = ln電池的輸出電流與開路電壓都在減小。（J +C J0 可以看出，當(dāng)光照度減弱時(shí)， 光 光照度與開路電壓的關(guān)系（ 9）關(guān)掉LED 光源。將光電池的明開關(guān)撥到“關(guān) ”位置，將暗開關(guān)撥到“開 ”位置。旋轉(zhuǎn)黑色扇形擋板遮住光電池的入射孔，使光電池處于黑暗狀態(tài)。黑暗狀態(tài)下的光電池工作

33、如圖2。 黑暗狀態(tài)下的光電池等效電路 在黑暗狀態(tài)下光電池在電路中就如同二極管。此時(shí)加在光電池兩端的正向偏壓 U 與通過 它的電流I 之間的關(guān)系式為：I d = I s 0 eeU / k BT - 1 簽名 : ( 第 15頁(yè)式中 I d 是暗 (指無(wú)光照電流 ,I so是反向飽和電流,U 是偏置電壓(正向偏置為正 ,反向偏置為負(fù),e是電子電荷量,k B是波爾茲曼常數(shù),T 是絕對(duì)溫度。(10把 “電阻調(diào)節(jié) ”的旋鈕順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到最大(阻值33k。將U1/U2 開關(guān)撥到“ U2”,此時(shí)測(cè)量負(fù)載電阻兩端的電壓U2,電流I=U2/33k 。此時(shí)光電池如同二極管在工作。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)“電壓調(diào)節(jié) ”旋鈕 ,

34、“供給電壓 ”將顯示出對(duì)光電池施加的正向偏壓U的大小 ,計(jì)算出通過它的電流,填入表中。表3U U2I=U2/33k (A根據(jù)數(shù)據(jù)使用Excel 或繪圖軟件Origin 繪制出光電池電流與正向偏壓U 的曲線。由圖可看出,黑暗狀態(tài)下光電池的工作狀態(tài)與二極管加正向偏壓下類似。觀察與思考1、光伏器件與光電導(dǎo)探測(cè)器件有何不同?2、最佳匹配負(fù)載電阻隨光照度的增大如何變化?光電二極管特性曲線的測(cè)量目的要求測(cè)量光電二極管在不同光照度下的特性曲線。實(shí)驗(yàn)原理光電二極管又稱光敏二極管。制造一般光電二極管的材料幾乎全部選用硅或鍺的單晶材料。由于硅器件較鍺器件暗電流、溫度系數(shù)都小得多,加之制作硅器件采用的平面工藝使其管

35、芯結(jié)構(gòu)很容易精確控制,因此,硅光電二極管得到了廣泛應(yīng)用。硅光電二極管的封裝有多種形式。常見的是金屬外殼加入射窗口封裝。入射光通過窗口玻璃照射在管芯上。窗口玻璃又有凸透鏡和平面之分。凸透鏡有聚光作用有利于提高靈敏度。而且由于聚焦位置與入射光方向有關(guān),因此還能減小雜散背景光的干擾。缺點(diǎn)是靈敏度隨方向而變,因此給對(duì)準(zhǔn)和可靠性帶來問題。采用平面玻璃窗口的硅光電二極管雖然沒有尖銳的對(duì)準(zhǔn)問題,但易受雜散光干擾的影響。硅光電二極管的外型及靈敏度的方向性如圖所示。(a硅光電二極管的外形;(b 靈敏度隨角度的變化PN 結(jié) ,它被封裝在管殼內(nèi)。發(fā)光二極發(fā)光二極管管芯是一個(gè)具有光敏特性的 管管芯的光敏面是通過擴(kuò)散工

36、藝在N 型單晶硅上形成的一層薄膜,稱為p +n 結(jié)構(gòu)。光敏二極管的管芯以及管芯上的PN 結(jié)面積做得較大,而管芯上的電極面積做得較小,PN 結(jié)的結(jié)深比普通半導(dǎo)體二極管做得淺,這些結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)都是為了提高光電轉(zhuǎn)換的能力。另外,與普通半導(dǎo)體二極管一樣,在硅片上生長(zhǎng)了一層SiO 2保護(hù)層,它把PN 結(jié)的邊緣保護(hù)起來,從而提高了管子的穩(wěn)定性,減少了暗電流。硅電二極管的典型結(jié)構(gòu)在無(wú)輻射（暗室中的情況下,PN 結(jié)硅光電二極管的正、反向特性與普通PN 結(jié)二極管的特性一樣,其電流方程為:（1exp -=kT qU I I dI d 為 U 為負(fù)值（反向偏置時(shí)且|U|>>kT/q 時(shí) （室溫下kT/q

37、 0.26mV很容易滿足 ,這個(gè)條件的電流,稱為反向電流或暗電流。無(wú)光照時(shí),電路中也有很小的反向飽和漏電流,一般為1×10-81×10-9A （稱為暗電流,此時(shí)相當(dāng)于光敏二極管截止。硅光電二極管的伏安特性曲線當(dāng)光輻射作用到光電二極管上時(shí),光電二極管的全電流方程為:/exp(1(exp(1,e kT qU I d hcq I d -+-=式中 為光電材料的光電轉(zhuǎn)換效率, 為材料對(duì)光的吸收系數(shù)。光電二極管為基本的光生伏特器件之一。下圖為光伏探測(cè)器在不同偏置電壓下的輸出特性曲線。在第一象限里,是正偏壓狀態(tài),本來暗 （指無(wú)光照電流i D 就很大,所以光電流不起重要作用。作為光電探測(cè)

38、器,工作在這一區(qū)域沒有意義。光伏探測(cè)器在不同偏置電壓下的輸出特性曲線在第三象限里,光伏探測(cè)器是反偏壓狀態(tài)。這時(shí),I d =I so （二極管的反向飽和電流 ,稱為暗電流（對(duì)應(yīng)于光功率P=0,數(shù)值很小。此時(shí)的光電流是流過探測(cè)器的主要電流 ,對(duì)應(yīng)于光導(dǎo)工作模式。通常把光導(dǎo)工作模式的光伏探測(cè)器稱為光電二極管,它的外回路特性與光電導(dǎo)探測(cè)器十分相似。在第四象限中,光伏探測(cè)器的外偏壓為零。流過探測(cè)器的電流仍為反向光電流,隨著光功率的不同,出現(xiàn)明顯的非線性。這時(shí)探測(cè)器的輸出是通過負(fù)載電阻R L 上的電壓或流過R L 上的電流來體現(xiàn)。因此,把這種工作模式稱為光伏工作模式。通常把光伏工作模式的光伏探測(cè)器稱為光電池。光敏二極管與普通二極管一樣,它的PN 結(jié)具有單向?qū)щ娦?因此,光敏二極管工作時(shí)應(yīng)加上反向電壓。當(dāng)有光照射時(shí),PN 結(jié)附近受光子的轟擊,半導(dǎo)體內(nèi)被束縛的價(jià)電子吸收光子能量而被擊發(fā)產(chǎn)生電子一空穴對(duì)。這些載流子的數(shù)目,對(duì)于多數(shù)載流子影響不大,但對(duì)P 區(qū)和 N 區(qū)的少數(shù)載流子來說,則會(huì)使少數(shù)載流子的濃度大大提高 ,在反向電壓（P 區(qū)接負(fù) ,N 區(qū)接正作用下,反向飽和漏電流大大增加,形成光電流,該光電流隨入射光照度的變化而相應(yīng)變化。光電流通