研究光伏探測器的光電特性.

1、研究光伏探測器的光電特性研究光伏探測器的光電特性班級：班級：電科電科132132姓名：高加慶姓名：高加慶學(xué)號：學(xué)號：1346121013461210研究光伏探測器的光電特性概述儀器簡介技術(shù)指標(biāo)注意事項目的要求儀器用具實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容思考與討論一、概述FD-PPD-A光伏探測器光電特性實(shí)驗(yàn)儀光電二極管與光電池是根據(jù)光伏效應(yīng)制成的pn結(jié)光電器件，短路電流與入射光強(qiáng)成短路電流與入射光強(qiáng)成正比是其一個突出優(yōu)點(diǎn)，在精確測量光強(qiáng)時常用作探測器。光敏電阻是基于光電導(dǎo)效應(yīng)原理工作的半導(dǎo)體光電器件，靈敏度高，體積小，重量輕，常用于自動化技術(shù)中的光控電路。FD-PPD-A型光伏探測器光電特性實(shí)驗(yàn)儀是上海復(fù)旦天欣科

2、教儀器有限公司專門針對全國中學(xué)生物理競賽的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開發(fā)的一款實(shí)驗(yàn)儀器。該儀器融合了“測量光敏電阻的光電特性”與“研究光伏探測器的光電特性”兩組實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，且概念清晰、穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、測量結(jié)果準(zhǔn)確度高。二、儀器簡介FD-PPD-A型光伏探測器光電特性實(shí)驗(yàn)儀主要由光電二極管、光電池、光敏電阻、直流電源、小燈泡、數(shù)字萬用表1塊、電阻箱、實(shí)驗(yàn)暗箱組成，如下圖1所示。三、技術(shù)指標(biāo)1.直流電源 0-4V連續(xù)可調(diào)，顯示分辨率0.01V；2.電阻箱 0-99999.9可調(diào)，分辨率0.1；3.數(shù)字萬用表電流測量分辨率0.01A（20A檔）;4.光敏電阻暗電阻大于4m；5.小燈泡額定電壓6.3V，額定電流0

3、.1A。6.傳感器移動范圍約17cm四、注意事項1.使用數(shù)字萬用表電流檔前請務(wù)必檢查表是否正確插在電流測量的插座，否則易造成損壞；2.光電池加反向偏壓時，若串聯(lián)電阻箱阻值過小，則反向偏壓可能無法到達(dá)4V；3.當(dāng)代工藝下生產(chǎn)的光敏電阻暗電阻阻值一般都非常大，可能無法用數(shù)字萬用表準(zhǔn)確測得暗電阻的阻值大小?！灸康囊蟆?.觀測光電二極管的光電特性；2.觀測光電池的光電特性?！緝x器用具】光電二極管，光電池，直流電源，小燈泡（6V，0.15A），數(shù)字萬用表2塊（其中一塊表有直流電流200A量程），電阻箱（電位器），實(shí)驗(yàn)暗箱等如下圖所示?！緦?shí)驗(yàn)原理】1.光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)當(dāng)光照射在pn結(jié)上時，由光子所產(chǎn)生的

4、電子與空穴將分別向n區(qū)和p區(qū)集結(jié)，使pn結(jié)兩端產(chǎn)生 電動勢。這一現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)，如圖2所示。利用半導(dǎo)體pn結(jié)光伏效應(yīng)可制成光伏探測器，常用的光伏探測器有光電池、光電二極管、光電三極管等。 光電池是根據(jù)光伏效應(yīng)制成的pn結(jié)光電器件。不需要加偏壓就可以把光能轉(zhuǎn)化為電能。光電池的用途，一是用作 ；二是作為太陽能電池，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。光電池的結(jié)構(gòu)示意圖及應(yīng)用電路如圖3所示。光電池的光照特性主要有伏安特性、入射光強(qiáng)-電流（電壓）特性和入射光功率-負(fù)載特性。 光電池的結(jié)構(gòu)示意圖及應(yīng)用電路如圖3所示。2. 光照下的pn結(jié)特性 光照下pn結(jié)的伏安特性曲線如圖4所示。無光照時，pn結(jié)的伏安特性曲線

5、和普通二極管的一樣。有光照時，pn結(jié)吸收光能，產(chǎn)生反向光電流，光照越強(qiáng)，光電流越大。 光伏器件用作探測器時，需要加反偏壓加反偏壓或是不加偏壓不加偏壓。不加偏壓時，光伏器件工作在圖4的第四象限，稱為光伏工作模式。加反偏壓時，光伏器件工作在圖4的第三象限。無光照時，電阻很大，電流很小，有光照時，電阻變小，電流變大，而且電流隨光照變化，光照特性類似于光敏電阻，稱作光電導(dǎo)工作模式。但是光伏器件和光敏電阻的工作機(jī)理不同，特性也有很大差別。光電池按照光伏模式工作在圖4的第四象限。有光照時光電池的電流為 （1）式中q為電子電荷量，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為結(jié)溫（單位為K），I為總電流，U為光電池的輸出電壓，Is

6、為反向飽和電流，IL為光電流。光生電流IL與光照有關(guān)，隨光照的增大而增大，呈線性關(guān)系。（1）一個一個R RL L負(fù)載電阻；負(fù)載電阻；V VA A-外接偏置電外接偏置電源源光伏探測器的等效電路如下圖光伏探測器的等效電路如下圖3. 光電池的開路電壓和短路電流在pn結(jié)開路時，總電流為零，光電池的輸出電壓稱為開路電壓Uoc。將I=0代入式（1），即可得到開路電壓Uoc與光照E的對數(shù)成正比。如果將pn結(jié)短路，輸出電壓為零，將U=0代入式（1），即可得到短路電流Isc與入射光照度E成正比。從圖4的伏安曲線上也可以得到Uoc和Isc，伏安曲線與電壓軸的交點(diǎn)為開路電壓Uoc，與電流軸的交點(diǎn)為短路電流Isc。短

7、路電流Isc與入射光強(qiáng)成正比是光電池的一個突出優(yōu)點(diǎn)，因而在精確測量光強(qiáng)時常用光電池作為光探測器。實(shí)際測量時都要外接負(fù)載電阻RL，當(dāng)RL相對于光電池的內(nèi)阻很小時，可以認(rèn)為接近短路。顯然，負(fù)載愈小，光電流與照度之間的線性關(guān)系愈好，且線性范圍愈寬。 光電池的短路電流和開路電壓與入射光照度的關(guān)系如圖5所示。4. 4. 光電池的輸出功率和負(fù)載特性光電池的輸出功率和負(fù)載特性 光電池作為電源使用時，其輸出功率與負(fù)載電阻RL有關(guān)。光電池工作在零偏壓下，因此其伏安曲線（圖6）是在某一光照下，取不同負(fù)載電阻RL測得的輸出電壓和輸出電流繪制而成。由輸出電壓和電流數(shù)據(jù)，可計算得到光電池的輸出功率P和負(fù)載電阻RL，作輸

8、出功率P與負(fù)載電阻RL的關(guān)系曲線，即可得到光電池的最大輸出功率Pmax及相應(yīng)的負(fù)載電阻RLmax。5. 光電二極管 光電二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，管子封裝在透明玻璃外殼中，它的pn結(jié)裝在管頂，便于接受光的照射。光電二極管的光照特性如前所述，沒有光照時，光電二極管的反向電阻很大，反向電流很小（一般為納安(nA)數(shù)量級），光電二極管處于截止?fàn)顟B(tài)；受光照時光電二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，光電流的方向與反向電流一致，光線越強(qiáng)，光電流越大。 光電二極管可以按光電伏型模式工作（即不加外偏壓），也可以按光電導(dǎo)型模式工作（外加反向偏壓）。硅光電二極管通常 用作檢測元件，工作在負(fù)偏壓下，其光電線性好，而且響應(yīng)快?；?/p>

9、本應(yīng)用電路如圖7所示?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】 1. 觀察光電二極管的光電特性。 （1） 用數(shù)字萬用電表二極管測試檔確定光電二極管的正負(fù)極。 （2） 使用數(shù)字萬用表直流電壓量程開路電壓Uoc。改變光照條件，觀察Uoc的變化。用數(shù)字萬用電表直流電流200A量程（200A檔內(nèi)阻約為1000）粗測光電流I。改變光照條件，觀察光電流I的變化。 2. 測量光電二極管處于光伏型模式的光電特性。 令光電二極管工作在零偏壓下，用電阻箱作為負(fù)載電阻，光源使用小燈泡（6.3V，0.15A）。固定小燈泡的工作電流，使燈泡的發(fā)光強(qiáng)度不變。改變小燈泡和光探測器的距離，利用照度與r2成反比的關(guān)系，測量光電二極管的光電線性（相對）。

10、（1） 測量光電二極管的短路電流與入射光照度的關(guān)系。 （2） 測量光電二極管的開路電壓與入射光照度的關(guān)系。 3. 測量光電二極管處于光電導(dǎo)模式的光電特性。 連接電路如圖7。設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，測量光電二極管的光電特性。使用數(shù)字萬用表直流電壓量程開路電壓Uoc。改變光照條件，觀察Uoc的變化。電路連接圖如下所示。實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)處理：用數(shù)字萬用電表直流電流200A量程（200A檔內(nèi)阻約為1000）粗測光電流I。改變光照條件，觀察光電流I的變化。電路連接圖如下所示。數(shù)據(jù)如表一所示：P/mWU/VI/AP/mWU/VI/A00.2240.263.00.2240.260.5 0.2240.263.50.224

11、0.261.0 0.2240.264.00.2240.261.5 0.2240.264.50.2240.262.0 0.2240.265.00.2240.262.5 0.2240.26X=15cm，只改變P的大小時，開路電壓和短路電流的數(shù)據(jù)如下：表一數(shù)據(jù)關(guān)系曲線分別如下：電流與電源功率變化的關(guān)系曲線圖結(jié)論:光電二極管的電流變化與電源功率無關(guān)。0246-0.50.00.51.0U (V)P (mW) Ud e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m o

12、d e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m o電壓與電源功率變化的關(guān)系曲線圖結(jié)論:光電二極管的電壓變化與電源功率無關(guān)。P=2.50mW，只改變小燈泡和光探測器的距離X時，數(shù)據(jù)如表二所示：表二數(shù)據(jù)關(guān)系曲線分別如下：結(jié)論:短路電流Isc與入射光強(qiáng)近似呈二次函數(shù)關(guān)系，距離X越遠(yuǎn)，電流越大；電流在X為20cm之前，在變化不明顯，X20cm時呈二次函數(shù)關(guān)系增大

13、，電流變化越明顯。光強(qiáng)即是光電二極管到電源的距離X。X/cm短路電流與入射光強(qiáng)的關(guān)系曲線圖X/cm開路電壓與入射光強(qiáng)的關(guān)系曲線圖結(jié)論：開路電壓與入射光強(qiáng)呈二次函數(shù)關(guān)系，光電二極管離電源的距離越大，電壓越大。（1） 測量光電二極管的短路電流與入射光照度的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)電路圖如下所示。（2） 測量光電二極管的開路電壓與入射光照度的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)電路圖如下所示。當(dāng)P=3.00mW，X=24cm時，測量光電二極管的光電線性，數(shù)據(jù)如表三所示：表三數(shù)據(jù)關(guān)系曲線分別如下：結(jié)論：在發(fā)光的條件不變的情況下，通過改變負(fù)載電阻RL的大小，負(fù)載電阻RL越大，電流I越小，兩者成反比的關(guān)系，I=U總/(r+RL),其中r為萬用電

14、表的內(nèi)置電阻。負(fù)載電阻RL與電流I的關(guān)系曲線圖結(jié)論：在發(fā)光的條件不變的情況下，通過改變負(fù)載電阻RL的大小，負(fù)載電阻RL越大，電壓U越大，兩者近似成正比的關(guān)系，U=U總-U總*r/(r+RL)其中r為萬用電表的內(nèi)置電阻。負(fù)載電阻RL與電壓U的關(guān)系曲線圖負(fù)載電阻RL變化時電壓U與電流I的關(guān)系曲線圖結(jié)論：在發(fā)光的條件不變的情況下，通過改變負(fù)載電阻RL的大小，電壓越來越大，電流越來越小。負(fù)載電阻RL與功率的關(guān)系曲線圖結(jié)論：在發(fā)光的條件不變的情況下，通過改變負(fù)載電阻RL的大小，光電二極管的電功率P隨著負(fù)載電阻RL的增大而增大。前期呈正比變化，越大變化趨勢逐漸減小。當(dāng)負(fù)載電阻RL=5K且P=3.00mW時

15、，改變小燈泡與光電二極管之間的距離，測得的數(shù)據(jù)如表4所示：X/cm I/A U/mVX/cm I/A U/mVX/cm I/A U/mVX/cm I/A U/mVX/cm I/A U/mV10.061.560.082.1110.143.6160.317.9211.1128.220.061.670.092.3120.164.1170.389.7221.6842.730.061.780.12.6130.194.8180.4811.9232.7369.640.071.890.112.9140.225.6190.615.7245.48 133.850.071.9100.123.2150.266.6200.8121258