硅光电池特性研究

硅光电池特性研究

[研究对象]光电池光电转换元件，光能转换成电能常见：硒、锗、硅、砷化镓、氧化铜等用途：光辐射探测器件，用于气象、农业、林业等；光电自动控制和测量装置……原理：光生伏特效应[实验目的]掌握PN结形成原理及其单向导电工作机理；学习发光二极管LED的工作原理，输出光功率与驱动电流的关系；掌握硅光电池的工作原理、伏安特性、负载特性等基本特性。[实验仪器]TKGD—1型硅光电池特性实验仪[PN结的形成及单向导电性]正偏零偏反偏空间电荷区耗尽区无可动载流子势垒高阻抗宽度约为：几微米~几十微米导通LED发光机理零偏当P型和N型半导体材料结合时，即没有外加电压的零偏时，由于P型材料多数载流子为空穴（带正电荷，Positivecharge），而N型材料多数载流子为电子（带负电荷，Negativecharge），结果各自的多数载流子向对方扩散，扩散的结果使得电子与空穴在结合区复合，则两侧的P型区出现负电荷，N型区带正电荷，形成一个势垒（对于硅，约为0.7V），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。

反偏当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，更加不利于多数载流子的扩散运动，但有利于由于温度效应被激发的少数载流子的漂移运动，导致极小的反向电流。若干反向电压足够大，则该反向电流将达到一个饱和电流IS(<1μA)；正偏当PN结正偏时（图1c），外加电场与内电场方向相反，耗尽区在外电场作用下变窄，使势垒削弱。当外加电压大于开启电压（对于硅，约为0.5V），势垒将被消除，多数载流子的扩散运动将持续进行，形成P→N方向的正向电流I，这就是PN结的单向导电性。[LED工作原理]当PN结加正向电压时，孔穴与电子在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Eg有关，λp=hc/Eg。

发光二极管输出光功率与驱动电流的关系，

P=ηEpI/e，η为发光效率，Ep为光子能量。

式中η为发光效率，Ep是光子能量，e是电荷常数硅光电池的工作原理光电转换器件主要是利用光电效应（当物质在一定频率的照射下，释放出光电子的现象）：

a.光电子发射或者外光电子效应

b.内光电子效应c.光生伏特效应光电二极管是典型的光电效应探测器。

没有光照时

（3）其中IS为没有光照射时的反向饱和电流，V为PN结两端电压，T为绝对温度，k为玻尔兹曼常数。

流过PN结两端的电流I可由式（3）确定：

（3）其中IS为没有光照射时的反向饱和电流，V为PN结两端电压，T为绝对温度，k为玻尔兹曼常数，IP为产生的光电流。

当有光照时室温300K下，e/kT=26mV。从式中可以看到，当光电二极管处于零偏时，V=0V，流过PN结的电流I=IP；当光电二极管处于反偏时（本实验取–5V），流过PN结的电流I=IP–IS。因此，当光电二极管光电池用作光电池时，光电二极管必须处于零偏，而用作一般的光电转换器时，必须处于零偏或反偏状态。光电池SPC处于零偏或反偏状态时，产生的光电流IP与输入光功率Pi有以下关系：

（4）式中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Eg，以保证处于价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λT=1.1μm，在短波长处也由于材料有较大紫外吸收系数使R值很小

左部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(μA级)，再经电流电压转换器(I/V转换器)把光电信号转换成与之成正比的电压信号(mV级)。比较光电池零偏和反偏时的信号，就可以测定光电池的IS。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。光电池的负载特性光电池作为电池使用如图4右部所示。在内电场的作用下，入射光子由于内光电效应把处于价带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压VP，在光电池两端加一个负载RL就会有电流流过，当负载电阻RL很大时，电压较大；当负载电阻RL很小时，电压较小。实验时可改变负载电阻RL的值来测定光电池的负载特性，进而可以得到光电池的伏安特性。

一、

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

将硅光电池输出端连接到I/V转换模块输入端，将I/V转换模块输出端连接到数字电压表头的输入端，调节发光二极管静态驱动电流，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。在0~20mA内等间距各测10组数据。比较零偏和反偏时的两条曲线，求出光电池的饱和电流Is。实验内容二、硅光电池池输出拉接恒定负载时产出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（R取10KΩ）和数字电压表，从0~20mA调节发光二极管静态驱动电流，测定光电池输出电压随输入光强度的关系曲线。

三、硅光电池伏安特性测定

输入光强度不变时（驱动电流取15mA），测定当负载在0kΩ～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。四.硅光电池的频率响应特性测定

打开信号发生器、双踪示波器电源，将功能转换开关打到“零偏”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，在信号输入端加正弦调制信号，使LED发送调制光信号，保持输入正弦信号的幅度(VPP=5V)不变，调节信号发生器频率（1,10,20KHz，然后20KHz/步），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(交流成份的峰－峰值)uPP(mV)的变化，测定光电池在零偏条件下的幅频特性，记录数据，绘制幅频特性uP–f曲线，并估出其截止频率fT(10KHz处幅度的70.7%，估计精确到10KHz)。发光强度/I光电流/mA零偏负偏0200………160018001.硅光电池零偏和反偏时光电流与输入光信号关系特性测量[数据记录及处理]2.硅光电池输出连接恒定负载时产生的光伏电压与输入光信号关系测量负载电阻静态驱动电流/mA光伏电压/mV10kΩ03.硅光电池伏安特性测量静态驱动电流/mA负载电阻光伏电压/mV154.SPC频率响应特性信号频率f(KHz)11020信号幅度uPP(mV)

截止频率fT