硅光電池特性測試實(shí)驗(yàn)報告

.PAGE.硅光電池特性測試實(shí)驗(yàn)報告系別：電子信息工程系班級：光電08305班組長：祝李組員：賀義貴、何江武、占志武實(shí)驗(yàn)時間：20XX4月2日指導(dǎo)老師：王凌波目錄一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容三、實(shí)驗(yàn)儀器四、實(shí)驗(yàn)原理五、注意事項(xiàng)六、實(shí)驗(yàn)步驟七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析八、總結(jié)..一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)掌握硅光電池的工作原理2、學(xué)習(xí)掌握硅光電池的基本特性3、掌握硅光電池基本特性測試方法4、了解硅光電池的基本應(yīng)用二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、硅光電池短路電路測試實(shí)驗(yàn)2、硅光電池開路電壓測試實(shí)驗(yàn)3、硅光電池光電特性測試實(shí)驗(yàn)4、硅光電池伏安特性測試實(shí)驗(yàn)5、硅光電池負(fù)載特性測試實(shí)驗(yàn)6、硅光電池時間響應(yīng)測試實(shí)驗(yàn)7、硅光電池光譜特性測試實(shí)驗(yàn)設(shè)計實(shí)驗(yàn)1：硅光電池光控開關(guān)電路設(shè)計實(shí)驗(yàn)設(shè)計實(shí)驗(yàn)2：簡易光照度計設(shè)計實(shí)驗(yàn)三、實(shí)驗(yàn)儀器1、硅光電池綜合實(shí)驗(yàn)儀1個2、光通路組件1只3、光照度計1臺4、2#迭插頭對〔紅色,50cm10根5、2#迭插頭對〔黑色,50cm10根6、三相電源線1根7、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書1本8、20M示波器1臺四、實(shí)驗(yàn)原理1、硅光電池的基本結(jié)構(gòu)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(jìn)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(jī)理。零偏零偏反偏正偏圖2-1.半導(dǎo)體PN結(jié)在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗盡區(qū)圖2-1是半導(dǎo)體PN結(jié)在零偏﹑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,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,形成一個勢壘,由此而產(chǎn)生的內(nèi)電場將阻止擴(kuò)散運(yùn)動的繼續(xù)進(jìn)行,當(dāng)兩者達(dá)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(diǎn)是無自由載流子,呈現(xiàn)高阻抗。當(dāng)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(qiáng)；當(dāng)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,勢壘削弱,使載流子擴(kuò)散運(yùn)動繼續(xù)形成電流,此即為PN結(jié)的單向?qū)щ娦?電流方向是從P指向N。2、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2-2,當(dāng)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(dāng)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(dāng)在PN結(jié)兩端加負(fù)載時就有一光生電流流過負(fù)載。流過PN結(jié)兩端的電流可由式1確定圖2-2.光電池結(jié)構(gòu)示意圖式〔1中Is為飽和電流,V為PN結(jié)兩端電壓,T為絕對溫度,Ip為產(chǎn)生的光電流。從式中可以看到,當(dāng)光電池處于零偏時,V=0,流過PN結(jié)的電流I=Ip；當(dāng)光電池處于反偏時〔在本實(shí)驗(yàn)中取V=-5V,流過PN結(jié)的電流I=Ip-Is,因此,當(dāng)光電池用作光電轉(zhuǎn)換器時,光電池必須處于零偏或反偏狀態(tài)。光電池處于零偏或反偏狀態(tài)時,產(chǎn)生的光電流Ip與輸入光功率Pi圖2-2.光電池結(jié)構(gòu)示意圖3、硅光電池的基本特性<1>短路電流圖2-3硅光電池短路電流測試如圖2-3所示,不同的光照的作用下,毫安表如顯示不同的電流值。即為硅光電池的短路電流特性。<2>開路電壓圖2-4硅光電池開路電壓測試如圖2-4所示,不同的光照的作用下,電壓表如顯示不同的電壓值。即為硅光電池的開路電壓特性。<3>光照特性光電池在不同光照度下,其光電流和光生電動勢是不同的,它們之間的關(guān)系就是光照特性,如圖2-5。0.30.30.20.10光生電流/mA0.60.40.2020004000短路電流開路電壓光生電壓/V光照度/Lx圖2-5硅光電池的光照電流電壓特性<4>伏安特性如圖2-6,在硅光電池輸入光強(qiáng)度不變時,測量當(dāng)負(fù)載一定的范圍內(nèi)變化時,光電池的輸出電壓及電流隨負(fù)載電阻變化關(guān)系曲線稱為硅光電池的伏安特性。圖2-6硅光電池的伏安特性測試<5>負(fù)載特性<輸出特性>光電池作為電池使用如圖2-7所示。在內(nèi)電場作用下,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(fù)載就會有電流流過,當(dāng)負(fù)載很小時,電流較小而電壓較大；當(dāng)負(fù)載很大時,電流較大而電壓較小。實(shí)驗(yàn)時可改變負(fù)載電阻RL的值來測定硅光電池的負(fù)載特性。圖2-7硅光電池負(fù)載特性的測定在線性測量中,光電池通常以電流形式使用,故短路電流與光照度〔光能量呈線性關(guān)系,是光電池的重要光照特性。實(shí)際使用時都接有負(fù)載電阻RL,輸出電流IL隨照度〔光通量的增加而非線性緩慢地增加,并且隨負(fù)載RL的增大線性范圍也越來越小。因此,在要求輸出的電流與光照度呈線性關(guān)系時,負(fù)載電阻在條件許可的情況下越小越好,并限制在光照范圍內(nèi)使用。光電池光照與負(fù)載特性曲線如圖2-8所示。圖2-8硅光電池光照與負(fù)載特性曲線<5>光譜特性一般光電池的光譜響應(yīng)特性表示在入射光能量保持一定的條件下,光電池所產(chǎn)生短路電流與入射光波長之間的關(guān)系。一般用相對響應(yīng)表示,實(shí)驗(yàn)中硅光電池的響應(yīng)范圍為400~1100nm,峰值波長為800~900nm,由于實(shí)驗(yàn)儀器所提供的波長范圍為400~650nm,因此,實(shí)驗(yàn)所測出的光譜響應(yīng)曲線呈上升趨勢,如圖2-9所示硅光電池頻率特性曲線。圖2-9硅光電池的光譜曲線〔6時間響應(yīng)與頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)證明,光電器件的信號的產(chǎn)生和消失不能隨著光強(qiáng)改變而立刻變化,會有一定的惰性,這種惰性通常用時間常數(shù)表示。即當(dāng)入射輻射到光電探測器后或入射輻射遮斷后,光電探測器的輸出升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需時間稱為響應(yīng)時間。為衡量其長短,常用時間常數(shù)τ的大小來表示。當(dāng)用一個輻射脈沖光電探測器,如果這個脈沖的上升和下降時間很短,如方波,則光電探測器的輸出由于器件的惰性而有延遲,把從10%上升到90%峰值處所需的時間稱為探測器的上升時間,而把從90%下降到10%所需的時間稱為下降時間。如圖所示圖2-10上升時間和下降時間〔a入射光脈沖方波〔b響應(yīng)時間五、注意事項(xiàng)1、當(dāng)電壓表和電流表顯示為"1＿"是說明超過量程,應(yīng)更換為合適量程；2、連線之前保證電源關(guān)閉。3、實(shí)驗(yàn)過程中,請勿同時撥開兩種或兩種以上的光源開關(guān),這樣會造成實(shí)驗(yàn)所測試的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。六、實(shí)驗(yàn)步驟1、硅光電池短路電流特性測試實(shí)驗(yàn)裝置原理框圖如圖2-11所示。圖2-11硅光電池短路電流特性測試〔1組裝好光通路組件,將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負(fù)極對應(yīng)相連〔紅為正極,黑為負(fù)極,將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連?！?"光照度調(diào)節(jié)"調(diào)到最小,連接好光照度計,直流電源調(diào)至最小,打開照度計,此時照度計的讀數(shù)應(yīng)為0?！?"光源驅(qū)動單元"的三擲開關(guān)BM2撥到"靜態(tài)",將撥位開關(guān)S1撥上,S2,S3,S4,S5,S6,S7均撥下?！?按圖2-11所示的電路連接電路圖〔5打開電源順時針調(diào)節(jié)照度調(diào)節(jié)旋鈕,使照度值依次為下表中的光照度值,分別讀出電流表讀數(shù),填入下表,關(guān)閉電源。光照度〔Lx0100200300400500600光生電流〔uA〔6上表中所測得的電流值即為硅光電池相應(yīng)光照度下的短路電流?！?實(shí)驗(yàn)完畢,關(guān)閉電源,拆除所有連線。2、硅光電池開路電壓特性測試實(shí)驗(yàn)裝置原理框圖如圖2-12所示。圖2-12硅光電池開路電壓特性測試〔1組裝好光通路組件,將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負(fù)極對應(yīng)相連〔紅為正極,黑為負(fù)極,將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連?！?"光照度調(diào)節(jié)"調(diào)到最小,連接好光照度計,直流電源調(diào)至最小,打開照度計,此時照度計的讀數(shù)應(yīng)為0?！?"光源驅(qū)動單元"的三擲開關(guān)BM2撥到"靜態(tài)",將撥位開關(guān)S1撥上,S2,S3,S4,S5,S6,S7均撥下?！?按圖2-12所示的電路連接電路圖〔5打開電源順時針調(diào)節(jié)照度調(diào)節(jié)旋鈕,使照度值依次為下表中的光照度值,分別讀出電壓表讀數(shù),填入下表,關(guān)閉電源。光照度〔Lx01020304050100200300400500600光生電壓〔mA〔4將"光照度調(diào)節(jié)"旋鈕逆時針調(diào)節(jié)到最小值位置后關(guān)閉電源?！?上表中所測得的電壓值即為硅光電池相應(yīng)光照度下的開路電壓?！?實(shí)驗(yàn)完畢,關(guān)閉電源,拆除所有連線。3、硅光電池光照特性根據(jù)實(shí)驗(yàn)1和2所調(diào)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),作出如圖2-5所示的硅光電池的光照電流電壓特性曲線。4、硅光電池伏安特性實(shí)驗(yàn)裝置原理框圖如圖2-13所示。圖2-13硅光電池伏安特性測試〔1組裝好光通路組件,將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負(fù)極對應(yīng)相連〔紅為正極,黑為負(fù)極,將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連?！?"光照度調(diào)節(jié)"調(diào)到最小,連接好光照度計,直流電源調(diào)至最小,打開照度計,此時照度計的讀數(shù)應(yīng)為0?！?"光源驅(qū)動單元"的三擲開關(guān)BM2撥到"靜態(tài)",將撥位開關(guān)S1撥上,S2,S3,S4,S5,S6,S7均撥下?！?電壓表檔位調(diào)節(jié)至2V檔,電流表檔位調(diào)至200uA檔,將"光照度調(diào)節(jié)"旋鈕逆時針調(diào)節(jié)至最小值位置?！?按圖2-13所示的電路連接電路圖,R取值為200歐,打開電源順時針調(diào)節(jié)照度調(diào)節(jié)旋鈕,增大光照度值至500lx。記錄下此時的電壓表和電流表的讀數(shù)填入下表；電阻2002K5.1K7.5K10K15K20K25K51K200K電流電壓〔6關(guān)閉電源,將R分別換為下表中的電阻值,重復(fù)上述步驟,分別記錄電流表和電壓表的讀數(shù),填入下表?！?改變光照度為100Lx、300Lx,重復(fù)上述步驟,將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入下表。100lx：電阻2002K5.1K7.5K10K15K20K25K51K200K電流電壓〔8根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),在同一坐標(biāo)軸中作出三種不同條件下的伏安特性曲線,并進(jìn)行分析?！?實(shí)驗(yàn)完畢,關(guān)閉電源,拆除所有連線。5.

硅光電池負(fù)載特性測試實(shí)驗(yàn)〔1組裝好光通路組件,將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負(fù)極對應(yīng)相連〔紅為正極,黑為負(fù)極,將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連?！?"光照度調(diào)節(jié)"調(diào)到最小,連接好光照度計,直流電源調(diào)至最小,打開照度計,此時照度計的讀數(shù)應(yīng)為0?！?"光源驅(qū)動單元"的三擲開關(guān)BM2撥到"靜態(tài)",將撥位開關(guān)S1撥上,S2,S3,S4,S5,S6,S7均撥下?！?電壓表檔位調(diào)節(jié)至2V檔,電流表檔位調(diào)至200uA檔,將"光照度調(diào)節(jié)"旋鈕逆時針調(diào)節(jié)至最小值位置?！?按圖2-13所示的電路連接電路圖,R取值為2K歐?！?打開電源,順時針調(diào)節(jié)"光照度調(diào)節(jié)"旋鈕,逐漸增大光照度至0Lx,100Lx,200Lx,300Lx,400Lx,500Lx,600lx分別記錄電流表和電壓表讀數(shù),填入下表光照度〔lx0100200300400500600電流〔μA電壓〔mV〔7關(guān)閉電源,將R分別換為510,1K,5.1K,10K重復(fù)上述步驟,分別記錄電流表和電壓表的讀數(shù),填入下表。R=510歐光照度〔lx0100200300400500600電流〔μA電壓〔mVR=1K光照度〔lx0100200300400500600電流〔μA電壓〔mVR=5.1K光照度〔lx0100200300400500600電流〔μA電壓〔mVR=10K光照度〔lx0100200300400500600電流〔μA電壓〔mV〔7根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)所測試的數(shù)據(jù),在同一坐標(biāo)軸上描繪出硅光電池的負(fù)載特性曲線,并進(jìn)行分析。6、硅光電池光譜特性測試當(dāng)不同波長的入射光照到光電二極管上,光電二極管就有不同的靈敏度。本實(shí)驗(yàn)儀采用高亮度LED〔白、紅、橙、黃、綠、藍(lán)、紫作為光源,產(chǎn)生400～630nm離散光譜。光譜響應(yīng)度是光電探測器對單色入射輻射的響應(yīng)能力。定義為在波長的單位入射功率的照射下,光電探測器輸出的信號電壓或電流信號。即為或式中,為波長為時的入射光功率；為光電探測器在入射光功率作用下的輸出信號電壓；則為輸出用電流表示的輸出信號電流。本實(shí)驗(yàn)所采用的方法是基準(zhǔn)探測器法,在相同光功率的輻射下,則有式中,為基準(zhǔn)探測器顯示的電壓值,K為基準(zhǔn)電壓的放大倍數(shù),為基準(zhǔn)探測器的響應(yīng)度。取在測試過程中,取相同值,則實(shí)驗(yàn)所測測試的響應(yīng)度大小由的大小確定.下圖為基準(zhǔn)探測器的光譜響應(yīng)曲線。圖2-14基準(zhǔn)探測器的光譜響應(yīng)曲線〔1組裝好光通路組件,將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負(fù)極對應(yīng)相連〔紅為正極,黑為負(fù)極,將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。〔2"光源驅(qū)動單元"的三擲開關(guān)BM2撥到"靜態(tài)特性",將撥位開關(guān)S1,S2,S4,S3,S5,S6,S7均撥下?！?將直流電源2正負(fù)極直接與電壓表相連,打開電源,調(diào)節(jié)電源電位器至電壓表為10V,關(guān)閉電源?！?按如圖2-12連接電路圖.〔5打開電源,緩慢調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)電位器到最大,依次將S2,S3,S4,S5,S6,S7撥上后撥下,記下照度計讀數(shù)最小時照度計的讀數(shù)E作為參考?！沧⒁猓赫埐灰瑫r將兩個撥位開關(guān)撥上〔6S2撥上,緩慢調(diào)節(jié)電位器直到照度計顯示為E,將電壓表測試所得的數(shù)據(jù)填入下表,再將S2撥下；〔7重復(fù)操作步驟〔6,分別測試出橙,黃,綠,藍(lán),紫在光照度E下電壓表的讀數(shù),填入下表。波長〔nm紅〔630橙〔605黃<585>綠〔520藍(lán)〔460紫〔400基準(zhǔn)響應(yīng)度0.650.610.560.420.250.06電壓〔mV

響應(yīng)度〔8根據(jù)所測試得到的數(shù)據(jù),做出硅光電池的光譜特性曲線。7、硅光電池時間響應(yīng)特性測試〔1組裝好光通路組件,將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負(fù)極對應(yīng)相連〔紅為正極,黑為負(fù)極,將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連?！?"光源驅(qū)動單元"的三擲開關(guān)BM2撥到"脈沖",將撥位開關(guān)S1撥上,S2,S3,S4,S5,S6,S7均撥下?！?按圖2-13所示的電路連接電路圖,負(fù)載RL選擇RL=2K歐?！?示波器的測試點(diǎn)應(yīng)為光電三極管的電阻兩端,為了測試方便,可把示波器的測試點(diǎn)使用迭插頭對引至信號測試區(qū)的TP1和TP2；圖2-13〔5打開電源,白光對應(yīng)的發(fā)光二極管亮,其余的發(fā)光二極管不亮。用示波器的第一通道與接TP和GND〔即為輸入的脈沖光信號,用示波器的第二通道接TP2。〔6觀察示波器兩個通道信號,緩慢調(diào)節(jié)直流電源電位器直到示波器上觀察到信號清晰為止,并作出實(shí)驗(yàn)記錄〔描繪出兩個通道波形?！?緩慢調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)節(jié),增大輸入脈沖的脈沖信號的寬度,觀察示波器兩個通道信號的變化,并作出實(shí)驗(yàn)記錄〔描繪出兩個通道的波形并進(jìn)行分析?！?實(shí)驗(yàn)完畢,關(guān)閉電源,拆除導(dǎo)線。七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析1、硅光電池短路電流特性測試數(shù)據(jù)光照度〔Lx0100200300400500600光生電流〔uA0.116.933.550.166.883.4100.12、硅光電池開路電壓特性測試數(shù)據(jù)光照度〔Lx01020304050100200300400500600光生電壓〔mA1502632893023123193443683823913984043、硅光電池光照電流電壓特性曲線開路電壓短路電流開路電壓短路電流4、硅光電池伏安特性測試數(shù)據(jù)100lx：電阻2002K5K7.5K10K20K50K200K電流〔uA17.117.017.017.017.014.1