实验四硅光电池特性测试及其变换电路模板.docx

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实验四硅光电池特性测试及其变换电路模板

西南交通大学光电专业实验报告

学号：

2015114XXX姓名:

XXX班级:

光电X班组号:

X同组人（姓名/学号）:

实验名称：

硅光电池特性测试及其变换电路本次实验是本学期你所做的第X个实验

实验日期：

2018年6月X日讲指导教师/报告箱号：

实验目的：

1、学习掌握硅光电池的工作原理

2、学习掌握硅光电池的基本特性

3、掌握硅光电池基本特性制试方法

4、了解硅光电池的基本应用

实验仪器：

1、光电器件和光电技术综合设计平台

1台

2、光源驱动模块

1个

3、负载模块

1个

4、光通路组件

1套

5、硅光电池及封装组件

1套

6、2#迭插头对（红色，50cm）

10根

7、2#迭插头对（黑色，50cm）

10根

8、示波器

1台

实验原理/实验电路图：

光电三极管与光电二极管的工作原理基本相冋，工作原理都是基于内光电效应，

和光敏

电阻的差别仅在于光线照射在半导体

1、硅光电池的基本结构

PN结上，PN结参与了光电转换过程。

目前半导体光电探测器在数码摄像、

光通信。

太阳能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兀，

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、光电效应和光伏电池产生机理。

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图4-1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型材料电子多空六少，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，当界结正偏时，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，此即为所结的单向导电性，电流方向是从P

指向No

2、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，它被设计用于把入时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4-2，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漂移到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。

流过所结两端的电流可由式1确定：

占i

—OO

■

二二二一墓二-J

Mg归

oA

感K光电兀廉构云馬闻

式⑴中IS为饱和电流。

V为PN结两端电压，T为绝对温度，IP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=IP;当光电池处于反偏时（在

本实验中取V=-5V），流过PN结的电流上I=IP-IS，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IP与输入光

功率Pi有以下关系：

⑵

式⑵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=1.1um，在短波长处也由于材料有较大吸收系数使R值很小。

3、硅光电池的基本特性

⑴短路电流

如图4-3所示，不同的光照作用下，毫安表若显示不同的电流值，那硅光电池短路时的

电流值也不同，此即为硅光电池的短路电流特性。

（2）开路电压

如图4-4所示，不同的光照的作用下，电压表若显示不同的电压值。

那硅光电池开路时

的电压也不同，此即为硅光电池的开路电压特性。

（3）光照特性

光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性，如图4-5所示即为硅光电池光生电流和光生电压与光照度的特性曲线。

在不同的偏压的

作用下，硅光电池的光照特性也有所不同。

（4）伏安特性

如图4-6，硅光电池输入光强度不变，负载在一定的范围内变化时，光电池的输出电压

及电流随负载电阻变化关系曲线称为硅光电池的伏安特性。

其特性曲线如下图4-6所示:

F'L.3

光生电压（nV）副P硅尤瑕池优安舸

检测电路图如下图4-7所示:

（5）负载特性（输出特性）

图4-7硅光电池的伏安特性测试

光电池作为电池使用，如图4-8所示。

在内电场作用下，入射光于由于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，

当负载很大时，电流较小而电压较大；当负载很小时，电流较大而电压较小。

实验时可改

变负载电阻R的值来确定硅光电池的负载特性。

在线性测量中，光电池通常以电流形式使用，故短路电流与光照度（光能量）呈线性关系，是光电池的重要光照特性。

实际使用时都接有负载电阻RL,输出电流IL随照度（光通量）的

增加而非线性缓慢地增加，并且随负载RL的增大线性范围也越来越小。

因此，在要求输出

的电流与光照度呈线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在光照范围

内使用。

光电池光照与负载特性曲线如图4-9所示。

（6）光谱特性

一般在光电池的光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下，硅光电池所产生光

电流/电压与入射光波长之间的关系。

（7）时间响应特性

表示时间应特性的方法主要有两种，一种是脉冲特性法，另一种是幅频特性法。

脉冲响应

光敏晶体管受调制光照射时，相对灵敏度与调制频率的关系称为频率特性。

减少负载电

阻能提高响应频率，但输出降低。

一般来说，光敏三极管的频响比光敏二极管差得多，锗光敏三极管的频响比硅管小一个数量级。

实验步骤：

1硅光电池短路电流特性测试

实验装置原理框图如图4-10所示。

（1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负

极），将光源驱动及信号处理模块上J2与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。

（2）将开关S2拨到“静态”。

（3）按图4-10所示的电路连接电路图。

⑷打开电源，顺时针调节光照度调节旋钮，使照度依次为表1所列值，分别读出电流

表读数，填入表1,关闭电源。

（5）将“光照度调节”旋钮逆时针调节到最小值位置后关闭电源。

（6）表1中所测得的电压值即为硅光电池在相应光照度下的短路电流。

（7）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。

2、硅光电池开路电压特性测试

实验装置原理框图如图4-11所示。

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（1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负

极），将光源驱动及信号处理模块上J2与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。

（2）将开关S2拨到“静态”。

⑷打开电源，顺时针调节光照度调节旋钮，使照度依次为表2所列值，分别读出电流

表读数，填入表2，关闭电源。

（5）将“光照度调节”旋钮逆时针调节到最小值位置后关闭电源。

（6）表2中所测得的电压值即为硅光电池在相应光照度下的开路电压。

（7）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。

3、硅光电池光照特性

根据实验1和2所测试的实验数据，作出如图4-5所示的硅光电池的光照电流电压特性曲线。

4、硅光电池伏安特性

实验装置原理框图如图4-12所示。

（1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负

极），将光源驱动及信号模块上J2与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。

（2）将开关S2拨到“静态”。

（3）电压表档位调节至2V档，电流表档位调至200uA档，将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。

⑷按图4-12所示的电路连接电路图，R取值为200欧，打开电源，顺时针调节照度调

节旋钮，增大光照度值至5001x.记录下此时的电压表和电流表的读数填入表3。

（5）关闭电源，将R分别换为510，750,1K,2K,5.1K，7.5K，10K,20K重复上述步骤，

并记录电流表和电压表的读数，填入表3。

（6）改变光照度为300Lx、100LX重复上述步骤，将实验结果填入表4,5。

（7）根据上述实验数据，在同一坐标轴中作出三种不同条件下的伏安特性曲线，并进行分析。

（8）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。

5.硅光电池负载特性测试实验

（1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负

极），将光源驱动及信号处理模块上J2与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。

（2）将开关S2拨到“静态”。

（3）电压表档位调节至2V档，电流表档位调至200uA档，将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。

⑷按图4-13所示的电路连接电路图，R取值为RL2=100欧。

（5）打开电源，顺时针调节“光照度调节”旋钮，从OLx逐渐增大光照度至1OOLx,200LX,

300Lx，400Lx，500Lx，600Lx分别记录电流表和电压表读数，填入表6。

（6）关闭电源，将R分别换为510欧，1K,5.1K，10K重复上述步骤，分别记录电流表和电压表的读数，填入表7,8,9,10。

（7）根据上述实验所测试的数据，在同一坐标轴上描绘出硅光电池的负载特性曲线，并进行分析。

6、硅光电池光谱特性测试

当不同波长的入射光照到硅光电池上，硅光电池就有不同的灵敏度。

本实验仪采用高亮

度LED（白、红、橙、黄、绿、蓝、紫）作为光源，产生400〜630nm离散光谱。

光谱响应度是光电探测器对单色入射辐射的响应能力。

定义为在波长为的单位入射功

率的照射下，光电探测器输出的信号电压或电流信号。

即为或

式中，P（）为波长为时的入射光功率：

P（）为光电探测器在入射光功率P（）作用下的

输出信号电压：

1（）则为输出用电流表示的输出信号电流。

本实验所采用的方法是基准探测器法，在相同光功率的辐射下，则有

式中，Uf为基准探测器显示的电压值，K为基准电压的放大倍数,响应度。

取在测试过程中，Uf取相同值，则实验所测试的响应度大小由定。

下图为基准探测器的光谱响应曲线。

（1）

（红为正极，黑为负

组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连

极），将光源驱动及信号处理模块上J2与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。

⑵按如图4-14连接电路图。

（3）打开电源，缓慢调节光照度调节电位器到最大，通过左切换和右切换开关，将光源

输出切换成不同颜色，记录照度计所测数据，并将最小值“E”为参考。

（4）分别测试出红光、橙光，黄光，绿光，蓝光，紫光在光照度E下时电压表的读数，

填入表11。

（5）根据所测试得到的数据，绘出硅光电池的光谱特性曲线。

7、硅光电池时间响应特性测试

（1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负

极），将光源驱动及信号处理模块上J2与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。