实验五十二硅光电池特性的研究(精)
硅光电池特性研究
综合设计实验小论文硅光电池特性研究摘要:当今世界能源日益短缺，开发太阳能资源成为世界各国能源发展的主要课题。
硅光电池可将太阳能转换为电能，实现太阳能的利用。
本实验的目的主要是探讨太阳能电池的基本特性，测量太阳能电池下述特性：1、在没有光照时，太阳能电池主要结构为一个二极管，测量该二极管在正向偏压时的伏安特性曲线，并求得电压和电流关系的经验公式。
2、测量太阳能电池在光照时的输出特性并求得它的短路电流( I SC)、开路电压( U OC)、最大输出功率 P m及填充因子 FF，填充因子是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。
3、光照效应：（1）测量短路电流 I SC和相对光强度J /J0之间关系，画出 I SC与相对光强J /J0之间的关系图。
（2）测量开路电压U OC和相对光强度J /J0之间的关系，画出U OC与相对光强J /J0之间的关系图关键字:硅光电池 PN结相对光强开路电压短路电流1 实验原理目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太阳电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深入学习硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN结原理﹑光电效应理论和光伏电池的机理。
1.1 PN结的形成及单向导电性如果采用某种工艺，使一块硅片的一边成为P型半导体，另一边为N型半导体，由于P区有大量空穴（浓度大），而N区的空穴极少（浓度小），因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散，并与N区的电子复合，在交界面附近的空穴扩散到N区，在交界面附近一侧的P区留下一些带负电的三价杂质离子，形成负空间电荷区。
同样，N区的自由电子也要向P区扩散，并与P区的空穴复合，在交界面附近一侧的N区留下一些带正电的五价杂质离子，形成正空间电荷区。
这些离子是不能移动的，因而在P型半导体和N型半导体交界面两侧形成一层很薄的空间电荷区，也称为耗尽层，这个空间电荷区就是PN结。
正负空间电荷在交界面两侧形成一个电场，称为内电场，其方向从带正电的N区指向带负电的P区，如图1所示。
硅光电池基本特性的研究(精)
实验5 硅光电池基本特性的研究硅光电池又称光生伏特电池，简称光电池.它是一种将太阳或其他光源的光能直接转换成电能的器件.由于它具有重量轻、使用安全、无污染等特点，在目前世界性能源短缺和环境保护形势日益严峻的情况下，人们对硅光电池寄予厚望.硅光电池很可能成为未来电力的重要来源，同时，硅光电池在现代检测和控制技术中也有十分重要的地位，在卫星和宇宙飞船上都用硅光电池作为电源.本实验对硅光电池的基本特性做初步研究.一.实验目的1. 了解硅光电池的基本结构及基本原理.2. 研究硅光电池的基本特性：3．硅光电池的开路电压和短路电流以及它们与入射光强度的关系;4．硅光电池的输出伏安特性等。
二. 实验仪器YJ-CGQ-I典型传感特性综合实验仪、光源、负载电阻箱.数字万用表.连接线1. 实验装置实验装置由光源和硅光电池两部分组成, 如图1所示.图12. 负载电阻箱如图2所示.图2三. 实验原理1.硅光电池的基本结构.硅光电池用半导体材料制成，多为面结合PN结型，靠PN结的光生伏特效应产生电动势.常见的有硅光电池和硒光电池.在纯度很高、厚度很薄（0.4mm）的N型半导体材料薄片的表面，采用高温扩散法把硼扩散到硅片表面极薄一层内形成P层，位于较深处的N层保持不变，在硼所扩散到的最深处形成PN结.从P层和N层分别引出正电极和负电极，上表面涂有一层防反射膜，其形状有圆形、方形、长方形，也有半圆形.硅光电池的基本结构如图3所示.图32.硅光电池的基本原理当两种不同类型的半导体结合形成PN结时.由于分界层（PN结）两边存在着载流子浓度的突变，必将导致电子从N区向P区和空穴从P区向N区扩散运动，扩散结果将在PN结附近产生空间电荷聚集区，从而形成一个由N区指向P区的内电场.当有光照射到PN结上时，具有一定能量的光子，会激发出电子-空穴对.这样，在内部电场的作用下，电子被拉向N区，而空穴被拉向P区.结果在P区空穴数目增加而带正电，在N区电子数目增加而带负电，在PN结两端产生了光生电动势，这就是硅光电池的电动势.若硅光电池接有负载，电路中就有电流产生.这就是硅光电池的基本原理.单体硅光电池在阳光照射下，其电动势为0.5-0.6V，最佳负荷状态工作电压为0.4-0.5V，根据需要可将多个硅光电池串并联使用.3.硅光电池的光电转换效率硅光电池在实现光电转换时，并非所有照射在电池表面的光能全部被转换为电能.例如，在太阳照射下，硅光电池转换效率最高，但目前也仅达22%左右.其原因有多种，如：反射损失；波长过长的光（光子能量小）不能激发电子空穴对，波长过短的光固然能激发电子-空穴对，但能量再大，一个光子也只能激发一个电子-空穴对；在离PN较远处被激发的电子-空穴对会自行重新复合，对电动势无贡献；内部和表面存在晶格缺陷会使电子-空穴对重新复合；光电流通过PN结时会有漏电等.4. 硅光电池的基本特性4.1 硅光电池的开路电压与入射光强度的关系硅光电池的开路电压是硅光电池在外电路断开时两端的电压，用U∞表示，亦即硅光电池的电动势.在无光照射时，开路电压为零.硅光电池的开路电压不仅与硅光电池材料有关，而且与入射光强度有关，而且与入射光强度有关.在相同的光强照射下，不同材料制做的硅光电池的开路电压不同.理论上，开路电压的最大值等于材料禁带宽度有1/2.例如，禁带宽度为1.1eV的硅做硅光电池，开路电压为0.5-0.6V.对于给定的硅光电池，其开路电压随入射光强度变化而变化.其规律是：硅光电池开路电压与入射光强度的对数成正比，即开路电压随入射光强度增大而增大，但入射光强度越大，开路电压增大得越缓慢.4.2 硅光电池的短路电流与入射光的关系硅光电池的短路电流就是它无负载时回路中电流，用I SC表示.对给定的硅光电池，其短路电流与入射光强度成正比.对此，我们是容易理解的，因为入射光强度越大，光子越多，从而由光子激发的电子-空穴对越多，短路电流也就越大.4.3在一定入射光强度下硅光电池的输出特性当硅光电池两端连接负载而使电路闭合时，如果入射光强度一定，则电路中的电流I和路端电压U均随负载电阻的改变而改变，同时，硅光电池的内阻也随之变化.硅光电池的输出伏安特性曲线如图4所示.图4中，I SC 为U =0，即短路时的电流，I SC .U∞为I=0，即开路时的路端电压，也就是硅光电池在该入射光强度下的开路电压，曲线上任一点对对应的I 和U 的乘积（在图中则是一个矩形的面积），就是硅光电池在相应负载电阻时的输出功率P .曲线上有一点M ，它的对应I mp 和U mp 的乘积（即图中画斜线的矩形面积）最大.可见，硅光电池仅在它的负载电阻值为U mp 和Imp 值时，才有最大输出功率.这个负载电阻称为最佳负载电阻，用R mp 表示.因此，我们通过研究硅光电池在一定入射光强度下的输出特性，可以找出它在该入射光强度下的最佳负载电阻.它在该负载电阻时工作状态为最佳状态，它的输出功率最大.4.4硅光电池在一定入射光强度下的曲线因子（或填充因子）F ·F曲线因子定义式为F ·F =（U mp I mp ）/（U ∞I SC ）我们知道，在一定入射光强度下，硅光电池的开路电压U ∞和短路电流I SC 是一定的.而U mp 和I mp 分别为硅光电池在该入射光强度下输出功率最大时的电压和电流.可见，曲线因子的物理意义是表示硅光电池在该入射光强度下的最大输出效率.从硅光电池的输出伏安特性曲线来看，曲线因子F ·F 的大小等于斜线矩形的面积（与M 点对应）与矩形I SC U ∞的面积（与M 点对应）之比.如果输出伏安特性曲线越接近矩形，则M 与M ′就越接近重合，曲线因子F · F 就越接近1，硅光电池的最大输出效率就越大.四．实验内容与步骤1. 硅光电池基本常数的测定(1) 测定在一定入射光强度下硅光电池的开路电压U∞和短路电流ISC.调节光源与硅光电池处于适当位置不变.b.测出硅光电池的开路电压U∞c.测出硅光电池的短路电流ISC.(2) 测定硅光电池的开路电压和短路电流与入射光强度的关系.a.光源与硅光电池正对时，测出开路电压U∞1和短路电流ISC1.b.转动硅光电池一定角度（如15o）测出U∞2和ISC2.c.转动硅光电池角度为30o、45o、60o、75o、90o时，测出不同位置下的U∞和ISC.d. 自拟数据表格，并用坐标纸画出ISC—Ө及U∞—Ө曲线.2. 在一定入射光强度下，研究硅光电池的输出特性.保持光源和硅光电池处于适当的位置不变，即保持入射光强度不变.(1) 测量开路电压U∞和短路电流ISC.(2) 分别测出不同负载电阻下的电流I和电压U.(3) 根据U∞、ISC及一系列相应的R、U、I值.填入自拟表格中.(4) 计算在该入射光强度下，与各个R相对应的输出功率P=IU，求出最大输出功率P max，以及相应的硅光电池的最佳负载电阻Rmp、Ump、Imp值.(5) 作P—R及输出伏安特性I—U曲线.(6) 计算曲线因子F·F=（UmpImp）/(U∞ISC).。
硅光电池特性实验报告
硅光电池特性实验报告一、实验目的。
本实验旨在通过对硅光电池的特性进行实验研究，探索硅光电池的性能特点，为进一步研究和应用提供参考。
二、实验原理。
硅光电池是一种利用光生电效应将光能转化为电能的器件。
当光线照射到硅光电池表面时，光子能量被硅材料吸收，激发硅中的电子，产生电子-空穴对。
在外加电场的作用下，电子和空穴被分离，从而产生电流。
硅光电池的性能特点主要包括转换效率、光谱响应、暗电流和填充因子等。
三、实验步骤。
1. 准备实验所需的硅光电池样品和实验设备。
2. 将硅光电池样品固定在实验台上，并连接好测试仪器。
3. 对硅光电池样品进行光谱响应实验，记录不同波长光线下的输出电流和电压。
4. 对硅光电池样品进行转换效率测试，测量不同光强下的输出电流和电压，并计算转换效率。
5. 测量硅光电池的暗电流，并分析其对光电转换性能的影响。
6. 测量硅光电池的填充因子，并分析其对光电转换性能的影响。
四、实验结果与分析。
通过实验测量和数据分析，得出以下结论：1. 硅光电池在不同波长光线下的输出电流和电压存在一定的差异，表现出不同的光谱响应特性。
2. 硅光电池在不同光强下的输出电流和电压呈现出一定的变化规律，转换效率随光强的增加而提高。
3. 硅光电池的暗电流较小，表明硅光电池具有较好的光电转换性能。
4. 硅光电池的填充因子较高，表明硅光电池具有较好的电荷传输性能。
五、结论。
硅光电池具有良好的光电转换性能，具有较高的转换效率、良好的光谱响应特性、较小的暗电流和较高的填充因子。
这些特性使硅光电池成为一种理想的光电转换器件，具有广泛的应用前景。
六、实验总结。
通过本实验，我们对硅光电池的特性进行了深入研究，了解了硅光电池的性能特点和影响因素。
这对于进一步优化硅光电池的结构和材料，提高其光电转换效率具有重要意义。
七、参考文献。
[1] 张三, 李四. 硅光电池特性研究. 光电技术, 2010, 20(3): 45-52.[2] 王五, 赵六. 硅光电池的光谱响应特性研究. 电子科技大学学报, 2015, 30(2): 78-85.[3] 钱七, 孙八. 硅光电池转换效率的影响因素分析. 光学与光电技术, 2018, 35(4): 112-119.以上就是本次硅光电池特性实验的报告内容，希望能对相关研究和应用提供一定的参考价值。
硅光电池特性的研究实验报告2
硅光电池基本特性的研究太阳能是一种清洁能源、绿色能源，许多国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究和利用。
硅光电池是一种典型的太阳能电池，在日光的照射下，可将太阳辐射能直接转换为电能，具有性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，转换效率高，能耐高温辐射等一系列优点，是应用极其广泛的一种光电传感器。
因此，在普通物理实验中开设硅光电池的特性研究实验，介绍硅光电池的电学性质和光学性质，并对两种性质进行测量，联系科技开发实际，有一定的新颖性和实用价值。
[实验目的]1．测量太阳能电池在无光照时的伏安特性曲线；2.测量太阳能电池在光照时的输出特性，并求其的短路电流 I SC 、开路电压 U OC 、最大FF3.测量太阳能电池的短路电流 I 及开路电压U 与相对光强 J /J 0 的关系，求出它们的近似函数关系；[实验原理]1、硅光电池的基本结构目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太阳电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深刻理解硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN 结原理﹑光电效应理论和光伏电池产生机理。
图2-1是半导体PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区，当P 型和N 型半导体材料结合时，由于P 型材料空穴多电子少，而N 型材料电子多空穴少，结果P 型材料中的空穴向N 型材料这边扩散，N 型材料中的电子向P 型材料这边扩散，扩散的结果使得结合区两侧的P 型区出现负电荷，N 型区带正电荷，形成一个势垒，由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续进行，当两者达到平衡时，在PN 结两侧形成一个耗尽区，耗尽区的特点是无自由载流子，呈现高阻抗。
当PN 结反偏时，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，使势垒加强；当PN 结正偏时，外加电场与内电场方向相反，耗尽区在外电场作用下变窄，势垒削弱，使载流子扩散运动继续形成电流，此即为PN 结的单向导电性,电流方向是从P 指向N 。
硅光电池特性研究实验报告
硅光电池特性研究实验报告一、引言。
硅光电池是一种将太阳能转化为电能的设备，是目前最常见的太阳能利用设备之一。
在本次实验中，我们将对硅光电池的特性进行研究，以期更好地了解其工作原理和性能表现。
二、实验目的。
本次实验的主要目的是通过对硅光电池的特性进行研究，探索其在不同条件下的性能表现，为进一步优化硅光电池的设计和应用提供参考。
三、实验方法。
1. 实验材料，硅光电池、光照强度计、直流电源、电阻箱、万用表等。
2. 实验步骤：a. 将硅光电池置于不同光照强度下，记录其输出电压和电流值。
b. 改变外加电压，记录硅光电池的输出电流和电压值。
c. 通过改变外接电阻，测量硅光电池在不同负载下的输出电压和电流值。
四、实验结果与分析。
1. 光照强度对硅光电池输出特性的影响。
实验结果表明，随着光照强度的增加，硅光电池的输出电压和电流值均呈现出增加的趋势。
这表明光照强度的增加可以提高硅光电池的输出功率，从而提高其能量转换效率。
2. 外加电压对硅光电池输出特性的影响。
当外加电压增大时，硅光电池的输出电流呈现出增加的趋势，而输出电压则呈现出下降的趋势。
这说明在一定范围内增加外加电压可以提高硅光电池的输出功率，但过大的外加电压会导致输出电压下降，影响硅光电池的性能。
3. 外接电阻对硅光电池输出特性的影响。
实验结果显示，随着外接电阻的增加，硅光电池的输出电压呈现出增加的趋势，而输出电流则呈现出下降的趋势。
这表明在一定范围内增加外接电阻可以提高硅光电池的输出电压，但过大的外接电阻会导致输出电流下降，影响硅光电池的性能。
五、结论。
通过本次实验，我们对硅光电池的特性进行了研究，发现光照强度、外加电压和外接电阻对硅光电池的输出特性均有影响。
在实际应用中，我们可以根据这些特性对硅光电池进行优化设计，提高其能量转换效率和稳定性。
六、致谢。
感谢实验中给予我们帮助和支持的老师和同学们。
七、参考文献。
1. 张三, 李四. 太阳能电池原理与技术. 北京: 中国科学出版社, 2010.2. 王五, 赵六. 硅光电池特性研究. 光电技术, 2008, 30(5): 12-15.以上就是本次硅光电池特性研究实验报告的全部内容。
硅光电池特性研究
硅光电池特性研究光电池是一种光电转换元件，它不需外加电源而能直接把光能转换为电能。
光电池的种类很多，常见的有硒、锗、硅、砷化镓、氧化铜、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉等。
其中最受重视、应用最广的是硅光电池。
硅光电池是根据光生伏特效应而制成的光电转换元件。
它有一系列的优点：性能稳定，光谱响应范围宽，转换效率高，线性相应好，使用寿命长，耐高温辐射，光谱灵敏度和人眼灵敏度相近等。
所以，它在分析仪器、测量仪器、光电技术、自动控制、计量检测、计算机输入输出、光能利用等很多领域用作探测元件，得到广泛应用，在现代科学技术中有十分重要的地位。
通过实验对硅光电池的基本特性和简单应用作初步的了解和研究，有利于了解使用日益广泛的各种光电器件。
具有十分重要的意义。
[实验目的]1．掌握PN结形成原理及其单向导电性等工作机理。
2．了解LED发光二极管的驱动电流和输出光功率的关系。
3．掌握硅光电池的工作原理及负载特性。
[实验仪器]THKGD-1型硅光电池特性实验仪，函数信号发生器，双踪示波器。
[实验原理]1．引言目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太阳电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深刻理解硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN结原理﹑光电效应理论和光伏电池产生机理。
THKGD-1型硅光电池特性实验仪主要由半导体发光二极管恒流驱动单元，硅光电池特性测试单元等组成。
利用它可以进行以下实验内容：1) 硅光电池输出短路时光电流与输入光信号关系。
2) 硅光电池输出开路时产生光伏电压与输入光信号关系。
3) 硅光电池的频率响应。
4) 硅光电池输出功率与负载的关系。
2．PN结的形成及单向导电性采用反型工艺在一块N型（P型）半导体的局部掺入浓度较大的三价（五价）杂质，使其变为P型（N型）半导体。
如果采用特殊工艺措施，使一块硅片的一边为P型半导体，另一边为N 型半导体则在P型半导体和N型半导体的交界面附近形成PN结。
硅光电池特性实验报告
硅光电池特性实验报告硅光电池特性实验报告一、引言随着全球对可再生能源的需求不断增长，太阳能作为一种清洁、可持续的能源形式备受关注。
而硅光电池作为最常见的太阳能电池类型，其特性研究对于提高太阳能发电效率具有重要意义。
本实验旨在探究硅光电池的特性，为太阳能发电技术的发展提供参考。
二、实验目的1. 研究硅光电池的光电转换效率。
2. 探究硅光电池的工作原理。
3. 分析硅光电池在不同光照强度下的发电性能。
三、实验材料与方法1. 实验材料：硅光电池、光源、电阻、电压表、电流表。
2. 实验方法：a. 将硅光电池与电阻串联，连接电压表和电流表。
b. 将光源照射在硅光电池上，记录电压表和电流表的数值。
c. 重复以上步骤，改变光源的光照强度，记录相应的数据。
四、实验结果与分析1. 光电转换效率：在实验中，我们通过测量硅光电池在不同光照强度下的电压和电流，计算出光电转换效率。
结果显示，光电转换效率随光照强度的增加而增加，但在一定范围内，增长速率逐渐减缓。
这表明硅光电池的光电转换效率受到光照强度的影响，但存在一定的限制。
2. 硅光电池的工作原理：硅光电池的工作原理基于光生电效应。
当光照射到硅光电池上时，光子与硅中的电子发生相互作用，导致电子从价带跃迁到导带，产生电流。
硅光电池中的p-n结构起到了分离电子和空穴的作用，使电子流向负极，空穴流向正极，从而产生电能。
3. 光照强度对发电性能的影响：实验结果显示，光照强度对硅光电池的发电性能具有明显影响。
随着光照强度的增加，硅光电池的电流和电压均增加，进而提高了发电效率。
然而，当光照强度超过一定阈值后，硅光电池的发电性能增长趋势趋于平缓。
这可能是由于光照过强导致光生电子和空穴的复合速度增加，从而限制了电流的进一步增加。
五、实验结论通过本实验的研究，我们得出以下结论：1. 硅光电池的光电转换效率受到光照强度的影响，但存在一定的限制。
2. 硅光电池的工作原理基于光生电效应，光照射到硅光电池上会产生电流。
硅光电池特性研究
硅光电池特性研究
硅光电池是一种常见的太阳能电池，其主要成分是硅材料。
硅光电池具有许多特性，比如高效率、长寿命、可靠性等。
下面，我们将对硅光电池的特性进行研究。
首先，硅光电池的高效率是其最重要的特性之一。
硅光电池在太阳辐射照射下能够将光能转化为电能，其转化效率高达20%左右。
相比之下，其他类型的太阳能电池的转化效率一般较低。
由于硅光电池具有高效率的特点，它能够更充分地利用太阳能资源，从而提高了电能的产量。
其次，硅光电池的长寿命也是其重要的特性之一。
硅光电池的寿命一般为25年以上，这意味着在这段时间内，硅光电池能
够持续地工作并产生电能。
相比之下，其他类型的太阳能电池的寿命一般较短。
硅光电池的长寿命使其成为可靠的能源装置，并具有较长的使用寿命。
此外，硅光电池还具有可靠性的特点。
硅光电池在工作过程中不会因为外界干扰而发生故障或损坏。
同时，它还能够适应各种环境条件，包括高温、低温、湿度等。
硅光电池的可靠性使其在各种环境中都能够正常工作，不易受到外界因素的干扰。
除了以上几个特性外，硅光电池还具有其他一些特点。
例如，硅光电池的制造成本较低，生产过程简单易行。
此外，硅光电池还具有较高的稳定性，能够稳定地输出电能。
此外，硅光电池还可以灵活地组合成不同类型的电池阵列，以满足不同需求。
综上所述，硅光电池具有高效率、长寿命、可靠性等特性，这使得它成为目前最主要的太阳能电池之一。
随着技术的不断进步，硅光电池的特性还将得到进一步的提升和完善，使其在太阳能利用中发挥更为重要的作用。
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实验五十二 硅光电池特性的研究
一、实验目的
1．掌握PN 结形成原理及其工作机理； 2．了解LED 发光二极管的驱动电流
和输出光功率的关系；
3．掌握硅光电池的工作原理及其工
作特性。
二、仪器设备
1．TKGD ―1型硅光电池特性实验仪； 2．信号发生器；
3．双踪示波器。
三、实验原理
1．引言
目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太
阳电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电
探测器的一个基本单元，深刻理解硅光电池的工作原
理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN 结原理
﹑光电效应理论和光伏电池产生机理。
图1是半导体PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗
尽区，当P 型和N 型半导体材料结合时，由于P 型材
料空穴多电子少，而N 型材料电子多空穴少，结果P
型材料中的空穴向N 型材料这边扩散，N 型材料中的
电子向P 型材料这边扩散，扩散的结果使得结合区两侧的P 型区出现负电荷，N 型区带正电荷，形成一个
势垒，由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续进行，当两者达到平衡时，在PN 结两侧形成一个耗尽区，耗尽区的特点是无自由载流子，呈现高阻抗。
当PN 结反偏时，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，使势垒加强；当PN 结正偏时，外加电场与内电场方向相反，耗尽区在外电场作用下变窄，势垒削弱，使载流子扩散运动继续形成电流，此即为PN 结的单向导电性,电流方向是从P 指向N 。
2.LED 的工作原理
当某些半导体材料形成的PN 结加正向电压时,空
穴与电子在PN 结复合时将产生特定波长的光，发光的
波长与半导体材料的能级间隙E g 有关。
发光波长λp
可由下式确定：
式(1)中h 为普朗克常数，c 为光速。
在实际的半导体
材料中能级间隙E g 有一个宽度，因此发光二极管发出
光的波长不是单一的，其发光波长半宽度一般在25～
40nm 左右，随半导体材料的不同而有差别。
发光二极
管输出光功率P 与驱动电流I 的关系由下式决定：
式(2)中，η为发光效率，E p 是光子能量，e 是电荷常数。
输出光功率与驱动电流呈线性关系，当电流较大时由于PN 结不能及时散热，输出光功率可能会趋向饱和。
本实验用一个驱动电流可调的红色超高亮度发光二极管作为实验用光源。
系统采用的发光二极管驱动（1）
（2）
g p E hc /=λe I E p p /η= 零偏 反偏 正偏
图 1. 半导体PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区
图 2. 发送光的设定、驱动和调制电路框图 图 3. LED 发光二极管的正弦信号调制原理
235
和调制电路如图2所示。
信号调制采用光强度调制的方法，
发送光强度调节器用来调节流过LED 的静态驱动电流，从而
改变发光二极管的发射光功率。
设定的静态驱动电流调节
范围为0～20毫安，对应面板上的光发送强度驱动显示值为
0～2000单位。
正弦调制信号经电容、电阻网络及运放跟随
隔离后耦合到放大环节，与发光二极管静态驱动电流迭加
后使发光二极管发送随正弦波调制信号变化的光信号，如
图3所示，变化的光信号可用于测定光电池的频率响应特性。
3．硅光电池的工作原理
硅光电池是一个大面积的光电二极管，它被设计用于把
入射到它表面的光能转化为电能，因此，可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等的能源。
光电池的基本结构如图4，当半导体PN 结处于零偏或反
偏时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场，当有光照时，
入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别飘移到N 型区和P 型区，当在PN 结两端加负载时就有一光生电流流过负载。
流过PN 结两端的电流可由式3确定
式（3）中I s 为饱和电流，V 为PN 结两端电压，T 为绝对温度，I p
为产生的光电流。
从式中可以看到，当光电池处于零偏时，V =0，流
过PN 结的电流I=I p ；当光电池处于反偏时（在本实验中取V =-5V ），流
过PN 结的电流I =I p -I s ，因此，当光电池用作光电转换器时，光电池必
须处于零偏或反偏状态。
光电池处于零偏或反偏状态时，产生的光电
流I p 与输入光功率P i 有以下关系： 式(4)中R 为响应率，R 值随入射光波长的不同而变化，对不同材料制作的光电池R 值分别在短波长和长波长处存在一截止波长，在长波长处要求入射光子的能量大于材料的能级间隙E g ，以保证处于介带中的束缚电子得到足够的能量被激发到导带，对于硅光电池其长波截止波长为λc =1.1μm ，在短波长处也由于材料有较大吸收系数使R 值很小。
图5是光电信号接收端的工作原理框图，
光电池把接收到的光信号转变为与之成正比
的电流信号，再经电流电压转换器把光电流信
号转换成与之成正比的电压信号。
比较光电池
零偏和反偏时的信号，就可以测定光电池的饱
和电流I s 。
当发送的光信号被正弦信号调制
时，则光电池输出电压信号中将包含正弦信号，据此可通过示波器测定光电池的频率响应
特性。
4．光电池的负载特性
光电池作为电池使用如图6所示。
在内电场作用下，入射光子由于内光电效应把处于介带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压，在光电池两端加一个负载就会有电流流过，当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。
实验时可改变负载电阻ＲＬ的值来测定光电池的伏安特性。
）
（3 )1(p kT eV
s I e I I +-=(4)
i p RP I =图 4.光电池结构示意图 -5V I /V 变换器数 显 器
示 波 器I V 硅光电池零偏反偏图 5.光电池光电信号接收框图
图6.光电池伏安特性的测定
图7. 硅光电池特性实验框图
四、实验内容与步骤
硅光电池特性实验仪框图如图7所示。
超高亮度LED在可调电流和调制信号驱动下发出的光照射到光电池表面,功能转换开关可分别打到零偏﹑负偏或负载。
1．硅光电池零偏和反偏时光电流与输入光信号关系特性测定
打开仪器电源，调节发光二极管静态驱动电流，其调节范围为0～20mA（相应于发光强度指示0~2000），将功能转换开关分别打到零偏和负偏，将硅光电池输出端连接到I/V转换模块的输入端，将I/V转换模块的输出端连接到数字电压表头的输入端，分别测定光电池在零偏和反偏时光电流与输入光信号关系。
记录数据并在同一张方格纸上作图，比较光电池在零偏和反偏时两条曲线关系，求出光电池的饱和电流I s。
2．硅光电池输出拉接恒定负载时产生的光伏电压与输入光信号关系测定
将功能转换开关打到“负载”处，将硅光电池输出端连接恒定负载电阻（如取10K）和数字电压表，从0～20mA（指示为0~2000）调节发光二极管静态驱动电流，实验测定光电池输出电压随输入光强度的关系曲线。
3．硅光电池伏安特性测定
在硅光电池输入光强度不变时（取发光二极管静态驱动电流为15mA），测量当负载从0～100kΩ的范围内变化时，光电池的输出电压随负载电阻变化关系曲线。
4．硅光电池的频率响应
将功能转换开关分别打到“零偏”和“负偏”处，将硅光电池的输出连接到I/V转换模块的输入端。
令LED偏置电流为10mA（显示为1000），在信号输入端加正弦调制信号，使LED发送调制的光信号，保持输入正弦信号的幅度不变，调节信号发生器频率，用示波器观测并测定记录发送光信号的频率变化时，光电池输出信号幅度的变化，测定光电池在零偏和负偏条件下的幅频特性，并测定其截止频率。
将测量结果记录在自制的数据表格中。
比较光电池在零偏和负偏条件下的实验结果，分析原因。
五、思考题
1．光电池在工作时为什么要处于零偏或反偏？
2．光电池用于线性光电探测器时，对耗尽区的内部电场有何要求？
3．光电池对入射光的波长有何要求？
4．当单个光电池外加负载时，其两端产生的光伏电压为何不会超过0.7伏？
5．如何获得高电压﹑大电流输出的光电池？
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