硅光电池特性研究.doc

KGD- Ⅱ型硅光电池特性实验仪使用说明书西安超凡光电设备有限公司联系电话:( 029 ) 82221022 1 西安超凡光电设备有限公司 KGD- Ⅱ型硅光电池特性实验仪一、实验目的 1 .了解和研究硅光电池的主要参数和基本特性,自己设计、连接光路和电路进行实验操作。 2. 研究硅光电池在光照下产生的光电流, 光伏电压与输入光信号的关系。 3 .研究硅光电池的输出特性。 4 .测定硅光电池的频率响应。二、仪器组成实验仪由发光二极管的驱动和调制电路, 发送光强度指示, 硅光电池及 I/V 转换模块、接收光强度指示、电阻箱等组成。 KGD- Ⅱ型在Ⅰ型的基础上增加了函数信号发生器,将实验配套设备减少到只需一台双踪示波器。三、实验原理 1 、引言硅光电池是一种能量转换器,它能直接把光能转换为电能。它也是一种将变化的光信号直接转换成相应变化的电信号的光电转换器件。硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元。硅光电池具有光电转换效率高、性能稳定、使用寿命长、重量轻、耐高温辐射、光谱范围宽、频率响应好、使用方便等优点。在数码摄像、光通信、太阳能电池等领域得到广泛应用, 在现代科学技术中占有十分重要的地位。 2 、硅光电池的工作原理光电转换器件主要是利用物质的光电效应。当光照射金属、金属氧化物或半导体材料的表面时, 会被这些材料内的电子所吸收, 如果光子的能量足够大, 吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而产生电子——空穴对。图 1 是普通 N/P 型硅光电池结构示意图。当半导体 PN 结处于零偏或负偏时,它们的结合面耗尽区存在一内电场。当没有光照射时, 光电二极管相当于普通的二极管。其伏安特性是西安超凡光电设备有限公司联系电话:( 029 ) 82221022 2 ????????????????????????1 exp 1 KT eV IeII s kT evs (1) 式( 1 )中 I 为流过二极管的总电流, I s 为反向饱和电流, e 为电子电荷, k 为波尔兹曼常量,T 为工作绝对温度,V 为加在二极管两端的电压。对于外加正向电压, I随V 指数增长,称为正向电流;当外加电压反向时,在反向击穿电压之内,反向饱和电流基本上是个常数。图1 光电池结构示意图当有光照时, 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,从而产生光伏电压。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( 2 )确定: P sP kT evsI KT eV IIeII??????????????????????????1 exp 1 (2) 此式表示硅光电池的伏安特性。式(2)中,I p 为产生的反向光电流。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; 当光电池处于负偏时( 例如取 V=-5V ), 流过 PN 结的电流 I=I p +I SO。因此, 当光电池用作光电转换器件时, 光电池必须处于零偏或负偏状态。比较(1) 式和(2) 式可知, 硅光电池的伏安特性曲线相当于把普通二极管的伏安特性曲线向下平移。硅光电池的伏安特性曲线如图 2 所示。当电池不受光照时,起一个二极管的作用, 外加电压与电流间的关系称为光电池的暗特性。光电池的正向电阻