光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同
采用硅光电池实现光照度计电路设计分析
采用硅光电池实现光照度计电路设计和分析作者姓名：# # #专业名称：应用物理学指导教师：# # # 讲师摘要本文通过理论分析与数值比对来确定光照强弱与光电池输出光电信号的关系，并且通过这种关系设计了相应的光电检测电路，更直观展现光伏技术在实际生活中的应用。
随着光伏技术的日渐成熟以及应用的扩展，对光照的研究也日新月异。
所以对如何更加准确的测定光照参数也提出了更高的要求。
针对不同的要求，如何快速设计出对应的光电探测器，又有了新的课题。
本文在此背景下，进行了光照度计电路的设计与分析。
本论文共分四部分：第一部分为光电池特性介绍及实验特性参数，第二部分为电路方案设计和电路实现，第三部分为利用Protel 99SE进行电路设计，第四部分为电路实物制作与调试。
关键词：光电池转换电路光电效应伏安特性AbstractA comparsion between analysis theory and numerical ratio, which can determine the relationship between the intensity of illumination and optical signal of photocell output in this paper. And we design a corresponding circuit of photoelectric detection by the relationship showing the application of photoelectric technology in our daily life.With the development and widespread of photoelectric technology, fracture treatment has been changing quickly. So there have more high requirements about how to determine the parameter of the light more exactly. As for different requirements, it is a new project to design the corresponding electrophptonic detector. Under this background, this paper discuss design and analysis of the circuit of light meter.There are four parts in this paper：In the first part, it introduce the character of photoelectric cell and characteristic parameter of experiment. The second part is about designing scheme of circuit and realizing the circuit, The third part is using Protel 99SE to design circuit, The fourth part is to manufacture and adjust the circuit.Keywords: Potoelectric cell, Conversion circuit,Photoelectric effect, Volt-Ampere characteristic目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (III)前言 (1)1 光伏技术的发展历程简介 (2)1.1 光伏技术的历程 (2)1.2 光伏技术的现状 (3)2 硅光电池的工作特性 (4)2.1 硅光电池的工作原理 (4)2.2 硅光电池的负载特性 (7)2.2.1硅光电池零偏和负偏时光电流与输入光信号的关系 (7)2.2.2 硅光电池输出接恒定负载时产生的光伏电压与输入光信号的关系 (9)3 电路的设计方案 (10)3.1 电路的设计要求 (10)3.2 电路的方框图 (10)3.3 电路的原理图 (11)3.4 电路的工作过程 (11)4 各单元电路实现 (12)4.1 光电池的输入信号电路 (12)4.2 电平放大转换电路 (12)4.2.1 运算放大器LM741的性能简介 (13)4.2.2 同相比例放大电路 (13)4.2.3 电平转换串联电路 (14)4.3 电平显示电路 (14)5 利用Protel对光照度计电路设计 (15)5.1 Protel电子绘图软件简介 (15)5.2 电路原理图绘制 (16)5.2.1 生成电路原理图过程 (16)5.2.2 生成BOM表 (19)5.2.3 生成网络表Netlist (21)5.2.4 电路ERC表 (22)5.3 电路PCB图绘制 (23)5.3.1 生成单面PCB图过程 (23)5.3.2 电路DRC检测 (26)6 光照度计电路制作 (27)6.1 电路的焊接 (27)6.2 电路的调试及结果 (27)总结 (30)致谢 (31)参考文献 (32)附件1 软件安装说明 (33)Protel的安装与配置 (33)前言1839年，法国科学家贝克雷尔(becωurel)就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。
A.伏安特性与一般半导体二极管相同,具有单向导电性.B.阈值(精)
2t Wang Yan
A.伏安特性 与一般半导体二极管相同，具有单向导电性。
B.阈值特性 阈值电流密度
阈值与温度有关
8n 2 fed 1 1 Jt ln i 2 n r1r2 0 i 激活后形成的光子数 i 量子效率 激活区每秒注入的电子 －空穴对数
F.方向特性
2018/9/21
Copyright Wang Yan
垂直发散角 平行发射角
d
几度－几十度
d ：200－300
：
与其他相比较差
Optical fiber communications
2018/9/21 1-6 G.时间响应特性
Copyright Wang Yan
时间响应是指半导体laser跟随注入电流而变化的快慢程度 1.结电容Cj 2.载流子在耗尽层的渡越时间 3.载流子在p区和n区的扩散时间
D.转换效率
激光器每秒发射的光子 数 量子效率ex＝ 激活区每秒注入的电子 －空穴对数 激光器辐射的光功率 功率效率P＝ 激光器消耗的电功率
Optical fiber communications 1-4
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E.光谱特性
Optical fiber communications 1-5
Optical fiber communications 1-2
2018/9/21
Copyright Wang Yan
C.输出功率及P-I曲线
It:threshold current
Optical fiber communications 1-3
硅光电池特性
实验七硅光电池特性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】1．THKGD-1型硅光电池特性实验仪。
2．函数信号发生器。
3．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。
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。
PN结是构成各种半导体器件的基础，许多半导体器件都含有PN结。
如图7-1所示，Θ代表得到一个电子的三价杂质（例如硼）离子，带负电； 代表失去一个电子的五价杂质（例如磷）离子，带正电。
硅光电池特性实验
图 1-2 光电池的入射光强-电流电压特性曲线
VOC 随入射光强按对数规律变化，ISC 与入射光强成线性关系。
光电池用作探测器时，通常是以电流源形式使用，总要接负载电阻 RL，这时电流记作 I LC ， 它与入射光强不再成线性关系， RL 相对光电池内阻 Rd 越大，线性范围越小，如下图所示：
图 1-3 光电池的入射光强-电流-负载特性曲线
表 1-6
光照度（Lx）
50
100
200
300
电流（μA）
电压（mV）
表 1-7
光照度（Lx）
50
100
200
300
电流（μA）
电压（mV）
表 1-8
光照度（Lx）
50
100
200
300
电流（μA）
电压（mV）
9）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。
6、硅光电池光谱特性测量
实验方法与短路电流测试方法基本一样，不同点就是光源采取全彩灯光源，光源特性测
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图 1-9 硅光电池光照特性电路
5）将负载换成分别换成 10K、47K、100K，分别记录电流表的读数，填入表 1-4。 6）重复以上方法，分别测量光照度为 100 Lx、200 Lx、300 Lx 下的光电流值，并记录下 来，同时关闭电源。
表 1-4
图 1-10 硅光电池伏安特性电路
5）重复以上方法，测量照度分别为 100Lx、200 Lx、300 Lx 下的光生电压值和光生电流 值，填入表 1-5。
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表 1-5
光照度（Lx）
50
测定半导体二极管的伏安特性
测定半导体二极管的伏安特性1背景知识电子器件的伏安特性电子器件的伏安特性是指流过电子器件的电流随器件两端电压的变化特性测定出电子器件的伏安特性，对其性能了解与其实际应用具有重要意义。
在生产和科研中，可用晶体管特性图示仪自动测绘其曲线，在现代实验技术中，可用传感器及计算机进行测定给出测量结果。
如果手头没有现成的自动测量仪器，提出应用电流表和电压表进行人工测量的方法，进行应急的测量是很有用的。
半导体二极管半导体二极管是具有单向导电性的非线性电子元件，其电阻值与工作电流（或电压）有关。
二极管的单向导电性就是PN结的单向导电性：PN结正向偏置时，结电阻很低，正向电流甚大（PN结处于导通状态）；PN结反向偏置时，结电阻很高，反向电流很小（PN结处于截止状态），这就是PN结的单向导电性。
（正向偏置）；（反向偏置）。
二极管的结构：半导体二极管是由一个PN结，加上接触电极、引线和管壳而构成。
按内部结构的不同，半导体二极管有点接触和面接触型两类，通常由P区引出的电极称为阳极，N区引出的电极称为阴极。
二极管的伏安特性及主要参数：二极管具有单向导电性，可用其伏安特性来描述。
所谓伏安特性，就是指加到二极管两端的电压与流过二极管的电流的关系曲线，如下图所示。
这个特性曲线可分为正向特性和反向特性两个部分。
图1二极管的伏安特性曲线（1）正向特性当二极管加上正向电压时，便有正向电流通过。
但是，当正向电压很低时，外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运动所形成的阻力，故正向电流很小，二极管呈现很大的电阻。
当正向电压超过一定数值（硅管约，锗管约）以后，内电场被大大削弱，二极管电阻变得很小，电流增长很快，这个电压往往称为阈电压UTH（又称死区电压：0-U0）。
二极管正向导通时，硅管的压降一般为，锗管则为。
导通以后，在二极管中无论流过多大的电流（当然是允许范围之内的电流），在极管的两端将始终是一个基本不变的电压，我们把这个电压称为二极管的“正向导通压降”。
晶体二极管的伏安特性曲线
晶体二极管的伏安特性曲线二极管最重要的特性就是单向导电性，这是由于在不同极性的外加电压下，内部载流子的不同的运动过程形成的，反映到外部电路就是加到二极管两端的电压和通过二极管的电流之间的关系，即二极管的伏安特性。
在电子技术中，常用伏安特性曲线来直观描述电子器件的特性。
根据图1的试验电路来测量，在不同的外加电压下，每转变一次RP的值就可测得一组电压和电流数据，在以电压为横坐标，电流为纵坐标的直角坐标系中描绘出来，就得到二极管的伏安特性曲线。
图1 测量晶体二极管伏安特性a) 正向特性b) 反向特性图2 2CZ54D伏安特性曲线图3 2AP7伏安特性曲线图2和图3分别表示硅二极管2CZ54D和锗二极管2AP7的伏安特性曲线，图中坐标的右上方是二极管正偏时，电压和电流的关系曲线，简称正向特性；坐标左下方是二极管反偏时电压和电流的关系曲线，简称反向特性。
下面我们以图1为例加以说明。
当二极管两端电压为零时，电流也为零，PN结为动态平衡状态，所以特性曲线从坐标原点0开头。
（一）正向特性1. 不导通区（也叫死区）当二极管承受正向电压时，开头的一段，由于外加电压较小，还不足以克服PN结内电场对载流子运动的阻挡作用，因此正向电流几乎为零，二极管呈现的电阻较大，曲线0A段比较平坦，我们把这一段称作不导通区或者死区。
与它相对应的电压叫死区电压，一般硅二极管约0.5伏，锗二极管约0.2伏（随二极管的材料和温度不同而不同）。
2. 导通区当正向电压上升到大于死区电压时，PN结内电场几乎被抵消，二极管呈现的电阻很小，正向电流增长很快，二极管正向导通。
导通后，正向电压微小的增大会引起正向电流急剧增大，AB 段特性曲线陡直，电压与电流的关系近似于线性，我们把AB 段称作导通区。
导通后二极管两端的正向电压称为正向压降（或管压降），也近似认为是导通电压。
一般硅二极管约为0.7伏，锗二极管为0.3伏。
由图可见，这个电压比较稳定，几乎不随流过的电流大小而变化。
现代检测技术基础试题-答案
现代检测技术基础试题——答案姓名：侯鹏庆学号：1201259专业：检测技术与自动化装置TEL：139********E-mail：2008hpq@一、阐述仪器线性度的概念，说明有哪些直线拟合方法。
阐述回程差、灵敏度和分辨力的概念。
答:线性度指检测系统输入输出曲线与理想直线的偏离程度，即非线性误差。
直线拟合方法有最小二乘法、端点连线法、最佳直线法。
回程误差指检测系统在正行程和反行程的输入输出曲线不重合的程度。
分辨力指能够检测出的被测量的最小变化量，表征测量系统的分辨能力。
灵敏度指测量系统在稳态下输出量的增量与输入量的增量之比，即K=△Y/△X。
二、仪表的精确度等级是怎样规定的？写出计算公式。
某测温仪表的测温范围为0--600℃，准确度等级为2.5级；另一测温仪表的测温范围为0--1200℃，准确度等级为1.5级。
现欲测量温度为500℃的设备温度，问选哪种测温仪表会更好？计算说明为什么？答:精确度(精度)等级规定,仪器在规定条件下,其允许的最大绝对误差值△A与满量程输出Y F.S之比的百分数,用A表示，即:A=△A/Y F.S×100%。
表示测量结果的可靠程度。
第一台仪表的最大相对误差为（2.5%×600℃）/500℃=3%，第二台仪表的最大相对误差为（1.5%×1200℃）/500℃=3.6%，二者量程都满足测量要求，所以选第一种仪表。
三、（1）假设你开发一台称重仪，在实验室完成了传感器、放大电路和单片机系统的设计制作，但是没有条件施加标准砝码或标准力对传感器和你的系统进行实际标定，你只有一块可用来测量电压和电流的表(或万用表),在这种条件下你应该首先对仪器的那些指标进行测定?从误差的角度出发,你对你使用的表有何要求?（2）设传感器误差为0.1%；测量放大电路误差为0.03%；系统采用的A/D转换器为10位，试分析仪器最后能达到的最好精度等级是多少？答:（1）通过万用表可以首先对称重仪的零点漂移、重复性、再现性、回程误差几个指标进行测定。
光电技术 第4-3节 半导体结型光电器件
3、光电导器件的光电效应主要依赖于 非平衡载流子中多数载流子的产生与复合 运动，驰豫时间大，响应速度慢，频率响 应性能较差。而光伏器件主要依赖于结区 非平衡载流子中少数载流子的漂移运动， 驰豫时间短，频率特性好。 4、有些器件如APD（雪崩二极管）、 光电三极管等具有很大的内增益，不仅灵 敏度高，还可以通过较大的电流。 基于上述特点，PV探测器应用非常广 泛，多用于光度测量、光开关、图象识别、 自动控制等方面。
1、光电池的结构特点
光电池核心部分是一个PN结，一般作成 面积大的薄片状，来接收更多的入射光。 在N型硅片上扩散P型杂质（如硼），受 光面是P型层 或在P型硅片上扩散N型杂质（如磷）， 受光面是N型层
受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作 用和保护作用。
上电极做成栅状，便于更多的光入射。 由于光子入射深度有限，为使光照到PN 结上，实际使用的光电池制成薄P型或薄N型。
§3半导体结型光电器件
半导体结型光电器件是利用半导体PN结光生伏特效应来工作的光电探测器， 简称PV（photovoltall）探测器。按照对 光的敏感“结”的种类不同，又可分为 pn结型，PIN型，金属一半导体结型（肖 特基势垒型）和异质结型，最常用的光伏 探测器有光电池、光电二极管、光电三极 管、PIN管，雪崩光电二极管等。
开关测量（开路电压输出）。
线性检测（短路电流输出）
随着负载RL的增大，线性范围将越来越小。 因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时， 负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限 制在适当的光照范围内使用。
4、光电池的应用
（1）光电探测器件
利用光电池做探测器有频率响应高，光电
流随光照度线性变化等特点。
一、结型光电器件工作原理
1、平衡下的P-N结 由半导体理论可得： ①势垒高度
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当I 0，得到开路电压 Ip kT U oc ln( 1) q I0 当U 0，得到短路电流 I sc I p I sc与入射光强度成正比 开路电压与入射光强度的对数成正比
• 1.光电池工作原理
硅光电池是在 N型硅片中掺入 P型杂质形成一个大面 积的 PN结, 如图 2.4.1所示。光电池的结构类似于光电 二极管 , 区别在于硅光电池用的衬底材料的电阻率低 , 约为 0.1~0.01Ω·cm, 而硅光电二极管衬底材料的电阻 率约为 1000Ω·cm 。上电极为栅状受光电极 , 下电极为 衬底铝电极。栅状电极能减少电极与光敏面的接触电 阻 , 增加透光面积。其上还蒸镀抗反射膜 , 既减少反射 损失,又对光电池起保护作用。当光照射到PN结上时, 如果在两电极间串接负载电阻,则电路中便产生了电流, 如图2.4.2所示。
0 .3 0 .6
流 光 电 /mA
0 .2 2
0 .4 0 .2 0
0 .1
0
2 00 0 照度 / lx
4 00 0
图2.4.4 硅光电池的光照特性
V 光 生 电 /压
1
因此,光电池作为测量元件使用时,应利用短路 电流与照度有较好线性关系的特点,可当作电流 源使用,而不宜当作电压源使用。所谓短路电流 是指外接负载电阻远小于光电池内阻时的电流。 从实验可知 , 负载越小 , 光电流与照度之间的线 性关系越好 , 而且线性范围越宽。负载在 100Ω 以下,线性还是比较好的 , 负载电阻太大 ,则线性 变坏,如图2.4.5所示。
• 半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结 短路，则会出现电流（光生电流）。
光电池的结构特点
• 光电池核心部分是一个PN结，一般作成面积 大的薄片状，来接收更多的入射光。
• 在N型硅片上扩散P型杂质（如硼），
受光面是P型层
• 或在P型硅片上扩散N型杂质（如磷），
受光面是N型层
光电池的结构特点
光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光 生电动势。 短路电流在很大范围内与光强成线性关系。 开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在 2000lx时趋于饱和。
硅光电池的光照特性,如图2.4.4所示。 开路电压输出：非线性(电压---光强)，灵敏度高 短路电流输出：线性好(电流---光强) ，灵敏度低 开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输 出）
2 .0
1.7
光电流 / mA
1 .0
0 0 2 50 0
10 00
0
2 00 4 00 6 00 8 00 1 00 0 照度 / lx
图2.4.5 硅光电池光照特性与负载的关系
10 0
3) 频率特性 光电池的频率特性是指相对输出电流与光的 调制频率之间的关系。所谓相对输出电流是指 高频输出电流与低频最大输出电流之比。图 2.4.6是光电池的频率特性曲线。在光电池作为 测量、计算、接收器件时,常用调制光作为输入。 由图可知硅光电池具有较高的频率响应（曲线 2 ） , 而硒光电池则较差（曲线 1 ）。因此 , 在高 速计数的光电转换中一般采用硅光电池。 总结： 硅光电池频率特性好 硒光电池频率特性差
100 50 Se Si Ge
相对灵敏度 / %
硅光电池 响应波长0.4-1.1微米， 峰值波长0.8-0.9微米。 硒光电池 响应波长0.34-0.75微米， 峰值波长0.54微米。
0 0.4
0.8
1 波 长 /m
1.5
2
图2.4.3 光电池的光谱特性
2)光照特性
连接方式：开路电压输出---(a) 短路电流输出---(b)
4) 温度特性 光电池的温度特性是指开路电压 Uoc 和 短 路 电 流 Isc 随 温 度 变 化 的 关 系 。 图 2.4.7 为硅光电池在照度为 1000lx 下的温 度特性曲线。由图可知 ,开路电压随温度 上升下降很快 ,但短路电流随温度的变化 较慢。 温度特性影响应用光电池的仪器设备 的温度漂移 , 以及测量精度或控制精度等 重要指标。当其用作测量器件时 ,最好能 保持温度恒定或采取温度补偿措施。
硅光电池是目前使用最广泛的光电池
1 00
2
Ir / %
80 60 40 20 0 1 50 0 3 00 0 4 50 0 6 00 0 f / Hz 1
图2.4.6 光电池的频率特性曲线
• 要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻RL； • 光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面 积越大则结电容Cj越大，在给定负载时，时间常 数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面 积光电池。
上电极（透明导电膜）
SiQ2 抗反射模
P N
P—N 结
下电极
图2.4.1 硅光电池结构示意图
光照 ＋ P ＋ ＋ RL － － －
＋
N
－
mA
V池的基本特性 1)光谱特性 光电池的光谱特性如图2.4.3所示。从图中可知,不 同材料的光电池,峰值波长不同。
2.4 硅光电池
光电池的结构特点
光电池的基本原理
光电池的基本特性
电路分析和计算
应用举例
光电池
• 光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转换成 电能的一种器件。
• PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射 PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），光 生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于PN 结上加一个正电压。
Uo c / mV 6 00 4 00 2 00 Uo c Isc
Isc / mA 60 40 20 T/ ℃
• 受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和 保护作用
• 上电极做成栅状，为了更多的光入射
• 由于光子入射深度有限，为使光照到PN结上，
实际使用的光电池制成薄P型或薄N型。
光电池等效电路
q I L I p I 0 {exp[ (U I L Rs )] 1} kT I p为光电池等效电路中的恒流源 I 0为光电池等效二极管反向饱和电流, q为电子电荷量 U 为光电池输出电压 Rs为光电池等效电路中串联电阻，Rs 很小，可以忽略 qU I L I p I 0 [exp( ) 1] kT