3+光电池特性课程设计.docx
《3+光电池特性课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《3+光电池特性课程设计.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
3+光电池特性课程设计
课程设计任务书
1．设计目的：
针对电子信息科学与技术专业的综合要求，在前序验证性认知实验基础上，进行更高层次的命题设计实验，综合设计实验对于提高学生的电子工程素质和科学实验能力非常重要，是电子技术人才培养成长的必由之路。
目的是学生将课程中所学的理论与实践紧密结合，培养独立地解决实际问题的能力。
学生必须独立完成一个选题的设计任务。
2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：
设计要求：
1、学习光电池的基本工作原理，了解光电池的在不同偏置状态下的基本特性；
2、测试光电池在不同偏置状态下的典型特性参数；
3、测量光电池在反向偏置状态下的时间响应特性；
4、掌握应用光电池进行光电测量和控制技术的方法。
3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书（论文）、图纸、实物样品等〕：
1、课程设计说明书
2、设计原理
3、设计方案
4、设计结果
课程设计任务书
4．主要参考文献：
1、光电检测技术清华大学出版社曾光宇张志伟主编；
2、传感器原理与应用电子工业出版社孟立凡蓝金辉主编；
3、《半导体太阳能电池研发现状与发展趋势》[M]王占国，中科院院士。
5．设计成果形式及要求：
设计说明书及相关电路图
6．工作计划及进度：
2011年12月19日~2011年12月23日：
查资料
12月24日~12月31日：
在指导教师指导下设计方案
2012年1月1日~1月5日：
学生完成实验，指导教师辅导
完成课程设计说明书
1月6日：
答辩
系主任审查意见：
签字：
年月日
目录
一.实验目的2
二.实验内容2
三.实验仪器2
四.实验原理3
1、自偏置电路3
2、反向偏置电路4
3、零伏偏置电路4
五.实验步骤5
1、自偏置电路的输出特性与最佳负载电阻5
1.1、自偏置电路的输出特性5
1.2、测量最佳负载电阻6
2、硅光电池的零伏偏置电路6
2.1、零伏偏置电路的组成6
2.2、零伏偏置电路参数对光电转换特性的影响7
3、硅光电池的反向偏置电路7
4、测量硅光电池反向偏置状态下的时间响应9
六、心得体会9
七、参考文献10
实验五光电池的偏置与基本特性实验
一.实验目的
硅光电池常有3种偏置方式，即自偏置、零伏偏置与反向偏置。
在不同偏置的情况下硅光电池将表现出不同的特性（“光电技术”3.2.3节对其进行了详细的叙述），适用于不同的应用，因此，学习掌握硅光电池3种偏置的特性与正确应用硅光电池进行光电测量与控制技术是非常重要的。
本节实验就是通过典型光电池的各种偏置电路实验，掌握电路的特性。
二.实验内容
1、硅光电池在不同偏置状态下的基本特性；
2、测试硅光电池在不同偏置状态下的典型特性参数；
3、测量硅光电池在反向偏置下的时间响应；
三.实验仪器
1）GDS-Ⅱ型光电综合实验平台主机；
2）光电池实验装置及其夹持装置各一个；
3）LED光源及其夹持装置各一个；
4）磁性表座；
5）连接线20条；
6）示波器探头2条；
四.实验原理
硅光电池与光电二极管类似，具有光生伏特器件的特性，是典型的P-N结型光生伏特器件。
硅光电池与光电二极管的不同之处在于它的光敏面积较大，P、N结型材料的参杂浓度较高，内阻较小，便于向负载供电（参见“光电技术”的3.2.3节对硅光电池的讲述）。
1、自偏置电路
硅光电池的自偏置电路的实验电路如图5-1（a）所示，用数字电压表测量硅光电池两端的电压，用微安表测量流过硅光电池的电流。
显然，加在硅光电池两端的偏置电压由光生电流
在负载电阻上产生的压降提供。
因此，称其为自偏置电路。
在自偏置情况下，硅光电池的电流方程为
==
Φe,λ-----
（
-----1）（5-1）
式中，电压U=IpRL，为自偏置电压。
流过光电二极管的电流由两部分组成，一部分与入射辐射有关，另一部分与偏置电压（或负载电阻RL）成指数关系。
由此可以得到Ip与RL间的关系和如图5-1（b）所示关系曲线，它应该位于第4象限，为方便分析与计算将其旋转到第1象限。
当RL=0时，U=0时，相当于硅光电池处于短路工作状态；短路状态下，流过硅光电池的电流为短路电流Isc，它与入射辐射通量φe,λ的关系为
==
==
Φe,λ
（5-2）
短路状态下硅光电池的输出功率为零。
为自偏置电路的特殊状态（RL=0），工作点位于直角坐标的纵轴上。
另一个特殊状态为RL→∞，即开路状态。
此时，流过硅光电池的电流为零（Ip=0），可以推导出开路电压为
==
ln（
）（5-3）
显然，它应该位于横轴上，它是对数函数，与光电流及暗电流成对数关系。
同样，开路状态下的输出功率也为零。
但是，0＜RL＜∞时，输出功率PL＞0。
RL取何值使硅光电池的输出功率最大是利用硅光电池做电源向负载供电的关键技术。
通过实验可以找到获得最大输出功率的最佳负载电阻Ropt是硅光电池自偏置电路的关键问题。
2、反向偏置电路
硅光电池的反向偏置电路与光电二极管的反向偏置电路类似，PN结所加的外电场方向与内建电场方向相同，使PN结区加宽，更有利于漂移运动的光生电子与空穴的运动。
只要外加电场足够大，光电流Ip只与光度量有关而与外加电压的幅度无关（如图5-1所示）。
显然，反向偏置下的硅光电池不会对负载输出功率，只能消耗供电电源的功率。
3、零伏偏置电路
硅光电池在零伏偏置状态下具有良好的光电响应特性，它的暗电流为零。
这是硅光电池零伏偏置的最大特点。
真正绝对零伏偏置的电路是不存在的，但是，可以制作出近似的零伏偏置电路。
如图5-2所示的电路为典型的硅光电池零伏偏置电路。
图中，用高增益的高阻抗运算放大器构成闭环放大电路具有对硅光电池的等效输入电阻Ri接近于零，使电路近似为硅光电池的零伏偏置电路。
五、实验步骤
1、自偏置电路的输出特性与最佳负载电阻
1.1、自偏置电路的输出特性
首先将硅光电池装置和LED光源装置牢靠地安装到光学台上，使LED光源发出的光能够射入硅光电池上，再按照图5-1所示的电路连接成自偏置电路。
然后，再进行下面的实验。
将实验仪的开关打开，先调整硅光电池光敏面上的照度，使其为期望值，并锁定。
用不同阻值的负载电阻接入电路。
记录流过硅光电池的电流Ip，计算输出功率P，将Ip与P填入表5-1；再改变硅光电池光敏面上的照度Ev，再测一组流过硅光电池的电流Ip和对应的输出功率P，填入表5-1。
照度的改变很方便，可以通过改变流过发光管（LED）的电流进行改变，也可以通过改变发光管与硅光电池间的距离来改变照度。
而负载电阻RL的改变可直接选用实验平台上不同阻值的电阻或用平台上的电位器进行改变。
当选用电位器时，要用数字电压表测量电位器两端的电压以方便地计算出电位器的阻值。
表5-1硅光电池自偏置电路的测量数据
照度Ev=50lx
次数
1
2
3
4
5
6
7
8
RL（kΩ
0
0.51
1.5
2.7
5.1
200
510
1000
Ip（μA）
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.1
输出功率P（W）×
0
0.0204
0.06
0.108
0.204
8
20.4
10
100lx
RL（kΩ
0
0.51
1.5
2.7
5.1
200
510
1000
Ip（μA）
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.4
0.2
输出功率P（W）×
0
0.1275
0.375
0.675
1.275
50
81.6
40
200lx
RL（kΩ
0
0.51
1.5
2.7
5.1
200
510
1000
Ip（μA）
0.7
0.7
0.7
0.7
0.7
0.7
0.4
0.2
输出功率P（W）×
0
0.2499
0.735
1.323
2.499
98
81.6
40
500lx
RL（kΩ）
0
0.51
1.5
2.7
5.1
200
510
1000
Ip（μA）
2.0
2.0
2.0
1.9
1.2
0.5
0.2
0.1
输出功率P（W）×
0
2.04
6.0
9.747
7.344
50
20.4
10
填完表之后，可以将表5-1中的值在图5-3所示的直角坐标系上找到相应的点，并将各点连接起来形成如图5-1（b）所示的特性曲线。
显然，上述为常规的测量方法。
现在，我们已经具有了能够自动测量硅光电池的基本条件，如何实现呢？
作为一个问题写在这里，光电二极管伏安特性的自动测量方法可以供读者作为参考，请自行设计硅光电池自偏置状态下测量伏安特性曲线的方法和测量步骤。
1.2、测量最佳负载电阻
从表5-1中可以看出，硅光电池在某照度下输出的功率P随负载电阻RL的变化而变化；而且，总存在这样的负载电阻RL，它所对应的输出功率为最大，该负载电阻常被称为最佳负载电阻，记为Ropt。
对应不同照度下的最佳负载电阻Ropt的阻值不同，通过实验可以找到最佳负载电阻Ropt与入射辐射的关系。
利用GDS-Ⅱ型光电实验平台所提供的测量软件，并将负载电阻RL用电位器代替，重复自偏置电路的实验，测量出不同负载电阻下的输出功率，找到输出功率最大时的电阻值即为最佳负载电阻。
当然也可以先测出硅光电池的伏安特性曲线，并利用测量软件测出最佳负载电阻Ropt。
2、硅光电池的零伏偏置电路
2.1、零伏偏置电路的组成
在GDS-Ⅱ型光电综合实验平台中找到任意一个放大器和反馈电阻Rf，将其连接成如图5-4所示的零伏偏置电路。
将相应的测量仪表也连接好。
自行检查，无误后，打开光电综合实验平台的电源，将LED照明光源与硅光电池装成一对，可将已知照度的光投射到硅光电池光敏面上。
用实验平台提供的数字电压表测量零伏偏置电路的输出电压Uo，用数字电流表测量光源LED的发光电流ILED，通过改变ILED改变硅光电池光敏面上的照度，测出输出电压与入射照度的关系。
将所测得的输出电压Uo与入射照度（或ILED）的关系画在如图5-5所示的直角坐标系上。
电（V）
电流（mA）
6
9
10.8
14.2
25.7
30
I
3.7
6.6
8.3
13.1
16.8
18.9
2.2、零伏偏置电路参数对光电转换特性的影响
硅光电池零伏偏置电路的主要参数是反馈电阻Rf，实验时用不同阻值的反馈电阻Rf，测量其光电灵敏度，观测硅光电池的光电灵敏度与电阻Rf的关系。
3、硅光电池的反向偏置电路
从GDS-Ⅱ实验平台备件箱中取出装有硅光电池的探头，按如图5-6所示的电路连接由于加在硅光电池两端的电场与硅光电池PN结的内建电场的方向相同，阻挡扩散电荷的运动而有利于漂移运动，因此称其为反向偏置电路。
将LED光源与硅光电池探头按如图5-7所示的结构稳固地安装在光学平台上。
并用实验平台上的数字电压表测量输出电压Uo。
如果反向偏置电路如图5-6（b）所示，输出电压Uo应为电源电压Ubb与光生电流IP在负载电阻RL两端产生的压降IpRL之差，即
Uo==
---Ip
==
---
SIφλvλ（5-4）
式中RL为负载电阻；由式（5-4）可见，输出电压与入射辐射φe，λ的变化方向相反。
实验时，先打开光电实验平台的电源，然后调整光源的电流ILED，使入射的光通量φv，λ或照度Ev，λ为适当值，测出此时的光电流Ip与输出电压Uo值，填入表5-2中；再改变LED光源的电流值，测得另一组数据，再填入表5-2。
最终测得5组数据，根据所测数据，可以在直角坐标系上画出不同的光照特性曲线。
表5-2为在一定电源电压下确定光通量的伏安特性曲线
电压
电流
U1
22U2
U3
U4
U5
U6
5.1
9.1
9.1
9.6
10.2
10.8
11.2
17.4
17.5
17.8
18.2
18.5
20
23.9
24.1
24.6
24.8
25.2
25.8
32.2
32.4
32.7
33.1
33.4
34.7
39.2
39.3
39.4
39.6
39.9
将表中的数据用坐标表示，便画出如图5-8所示的特性曲线，曲线中，负载电阻值直接影响输出电压的变化量，影响电路的电压灵敏度。
GDS-Ⅱ光电综合实验平台提供对硅光电池反向偏置电路进行实验的相关软硬件，使学生很方便地完成硅光电池反偏特性曲线的试。
测试时电源用锯齿波提供，入射到光电池上的光有LED光源提供阶梯光输入端，软件菜单上选定好阶梯的步长，执行特性曲线测量软件，便可直接在计算机显示屏幕上观测到硅光电池反向偏置下的特性曲线。
由特性曲线可以方便地测出硅光电池的电流灵敏度SI，电压灵敏度SV等参数。
4、测量硅光电池反向偏置状态下的时间响应
测量硅光电池反向偏置状态下的时间响应的电路如图5-6与5-7所示，将光电二极管接到方波脉冲输入端口，执行光电实验平台提供的时间响应测量软件，
显示器提醒你选择输入频率，你可选择频率为100kHz，即光源为100kHz的方波脉冲。
在100kHz的方波光脉冲的作用下，硅光电池将输出相应的脉冲信号。
但是，由于硅光电池具有较大的时间响应特性，使它上升时间ton与下降时间toff均较大。
用光电综合试验平台提供的“示波软、硬件”可以利用计算机显示屏观测它的上升时间ton与下降时间toff，即观测硅光电池的时间响应特性。
（a）入射光脉冲方波（b）响应时间
六、心得体会
在做硅光电池的实验前,我以为不会难做,就像以前做实验一样,做完实验,然后两下子就将实验报告做完.直到做完测试实验时,我才知道其实并不容易做,但学到的知识与难度成正比,使我受益匪浅.
在实验过程中我受易非浅，它让我深刻体会到实验前的理论知识准备，也就是要事前了解将要做的实验的有关质料，如：
实验要求，实验内容，实验步骤，最重要的是要记录什么数据和怎样做数据处理，等等。
虽然做实验时，指导老师会讲解一下实验步骤和怎样记录数据，但是如果自己没有一些基础知识，那时是很难作得下去的，惟有胡乱按老师指使做，其实自己也不知道做什么。
在这次实验中，我学到很多东西，加强了我的动手能力，并且培养了我的独立思考能力。
特别是在做实验报告时，因为在做数据处理时出现很多问题，如果不解决的话，将会很难的继续下去。
还有画图时，也要用软件画图，这也要求懂得excel软件的插入图表命令。
当然不只学到了这些，能力是靠自己亲自动手，亲自开动脑筋，亲自去请教别人才能得到提高的。
还有动手这次实验，使光电检测技术这门课的一些理论知识与实践相结合，更加深刻了我对光电检测技术这门课的认识，巩固了我的理论知识。
七、参考文献
1、光电检测技术清华大学出版社曾光宇张志伟主编；
2、传感器原理与应用电子工业出版社孟立凡蓝金辉主编；
3、《半导体太阳能电池研发现状与发展趋势》[M]王占国，中科院院士。
升级会员 