实验七、八__硅光电池实验.pdf
实验七实验七 光电池的光电特性及伏安特性光电池的光电特性及伏安特性一、实验目的一、实验目的1、了解硅光电池的光照特性，即短路电流及开路电压与光照的关系。2、了解光电池在照度一定得情况下，它的输出电流与电压随负载变化的关系。二、实验原理二、实验原理PNPN 结的形成及单向导电性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1 所示，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。由于 P 区有大量空穴（浓度大），而 N 区的空穴极少（浓度小），即 P 区的空穴浓度远远高于 N 区，因此空穴要从浓度大的P 区向浓度小的 N 区扩散，并与 N 区的电子复合，在交界面附近的空穴扩散到 N 区，在交界面附近一侧的 P 区留下一些带负电的三价杂质离子，形成负空间电荷区。同样，N 区的自由电子也要向 P 区扩散，并与 P 区的空穴复合，在交界面附近一侧的 N 区留下一些带正电的五价杂质离子，形成正空间电荷区。这些离子是不能移动的，因而在 P 型半导体和 N 型半导体交界面两侧形成一层很薄的空间电荷区，也称为耗尽层，这个空间电荷区就是PN 结。形成空间电荷区的正负离子虽然带电，但是它们不能移动，不参与导电。而在这个区域内，载流子极少，所以空间电荷区的电阻率很高。此外，这个区域内多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，所以空间电荷区有时称为耗尽层。正负空间电荷在交界面两侧形成一个电场，成为内电场，其方向从带正电的 N 区指向带负电的 P 区，如图 1 所示。由 P 区向 N 区扩散的空穴在空间电荷区将受到内电场的阻力，而由 N 区向 P 区扩散的自由电子也将受到内电场的阻力，即内电场对多数载流子（P 区的空穴和 N 区的自由电子）的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。空间电荷区的内电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，这是一个方面。但另一方面，内电场对少数载流子（P 区的自由电子和 N 区的空穴）则可推动它们越过空间电荷区，进入对方区域。少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。扩散和漂移是相互联系的，又是相互矛盾的。在开始形成空间电荷区时，多数载流子的扩散运动占优势，但在扩散运动进行过程中，空间电荷区逐渐加宽，内电场逐步加强。于是在一定条件下（例如温度一定），多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强。最后，载流子的扩散运动和漂移运动达到动态平衡，P 区的空穴（多数载流子）向右扩散的数量与 N 区的空穴（少数载流子）向左漂移的数量相等；对自由电子也是这样。达到平衡后，空间电荷区的宽度基本上稳定下来，PN 结就处于相对稳定的状态。上面讨论的是PN结在没有外加电压的情况，这时半导体中的扩散和漂移处于动态平衡。下面讨论在 PN 结上加外部电压的情况。若在 PN 结上加正向电压，即外电源的正极接 P 区，负极接 N 区，也称为正向偏置。此时外加电压在 PN 结中产生的外电场和内电场方向相反，扩散和漂移运动的平衡被破坏。外电场驱使 P 区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，同时N 区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷。于是整个空间电荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流（正向电流），PN 结处于导通状态。PN 结导通时呈现的电阻称为正向电阻，其数值很小，一般为几欧到几百欧。在一定范围内，外电场愈强，正向电流（由 P 区流向 N 区的电流）愈大，这时 PN 结呈现的电阻很低。正向电流包括空穴电流和电子电流两部分。空穴和电子虽然带有不同极性的电荷，但由于它们的运动方向相反，所以电流方向一致。外电源不断的向半导体提供电荷，使电流得以维持。若在 PN 结上加反向电压，即外电源的正极接 N 区，负极接 P 区，也称为反向偏置。此时外加电压在PN结中产生的外电场和内电场方向一致，也破坏了扩散和漂移运动的平衡。外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走，使得空间电荷增强，空间电荷区变宽，内电场增强，使多数载流子的扩散运动很难进行。但另一方面，内电场的增强也加强了少数载流子的漂移运动，在外电场的作用下，N 区中的空穴越过 PN 结进入 P 区，P 区中的自由电子越过 PN 结进入 N 区，在电路中形成反向电流（由N 区流向 P 区的电流）。由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，即PN 结呈现的反向电阻很高，可以认为PN 结基本上不导电，处于截至状态。此时的电阻称为反向电阻，其数值很大，一般为几千欧到十几兆欧。又因为少数载流子是由于价电子获得热能（热激发）挣脱共价键的束缚而产生的，所以温度变化时少数载流子的数量也随之变化。环境温度愈高，少数载流子的数量愈多，所以温度对反向电流的影响较大。由以上分析可知，PN 结具有单向导电性。在PN 结上加正向电压时，PN 结电阻很低，正向电流较大，PN 结处于正向导通状态；加反向电压时，PN 结电阻很高，反向电流很小，PN 结处于截至状态。零偏负偏正偏图 1半导体 PN 结在零偏负偏正偏下的耗尽区图 1 是半导体PN 结在零偏负偏正偏下的耗尽区，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 型材料电子多空穴少，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 PN 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 PN 结的单向导电性,电流方向是从 P 指向N。硅光电池的工作原理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，即当物质在一定频率的照射下，释放出光电子的现象。当光照射金、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溢出材料表面，这种电子称为光电子，这种现象称为光电子发射，又称为外光电效应。有些物质受到光照射时，其内部原子释放电子，但电子仍留在物体内部，使物体的导电性增强，这种现象称为内光电效应。光电二极管是典型的光电效应探测器，具有量子噪声低、响应快、使用方便等优点，广泛用于激光探测器。外加反偏电压与结内电场方向一致，当PN结及其附近被光照射时，就会产生载流子（即电子-空穴对）。结区内的电子-空穴对在势垒区电场的作用下，电子被拉向N区，空穴被拉向P区而形成光电流。同时势垒区一侧一个扩展长度内的光生载流子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场的作用下也参与导电。当入射光强度变化时，光生载流子的浓度及通过外回路的光电流也随之发生相应的变化。这种变化在入射光强度很在的动态范围内仍能保持线性关系。硅光电池是一个大面积的光电二极管，它被设计用于把入射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2所示，当半导体PN结处于零偏或负偏时，在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I Is(eeVkTeV 1)Isexp1（1）kT图2光电池结构示意图下图为硅光电池在一定光照度下，硅光电池的伏安特性呈非线性。图 3硅光电池的光照特性曲线*图 3 中 1：开路电压 2：短路电流当光照射硅光电池的时候，将产生一个由 N 区流向 P 区的光生电流Iph；同时由于 PN 结二极管的特性，存在正向二极管管电流ID，此电流方向与光生电流方向相反。所以实际获得的电流为：eVI Iph ID Iph I0expnkBT1（2）式中 V 为结电压，I0为二极管反向饱和电流，n 为理想系数，表示 PN 结的特性，通常在 1 和 2 之间，kB为波尔兹曼常熟，T 为绝对温度。短路电流是指负载电阻相对于光电池的内阻来讲是很小的时候的电流。在一定的光照度下，当光电池被短路时，结电压在一定的光照度下，当光电池被短路时，结电压V V 为为 0 0，从，从而有：而有：ISC Iph（3）负载电阻在 20 欧姆以下时，短路电流与光照有比较好的线性关系，负载电阻过大，则线性会变坏。开路电压则是指负载电阻远大于光电池的内阻时硅光电池两端的电压，而当硅光电池的输出端开路时有I 0，由（2）（3）式可得开路电压为：VOCnkBT ISCln1（4）qI0图 3 为硅光电池的光照特性曲线。开路电压与光照度之间为对数关系，因而具有饱和性。因此，把硅光电池作为敏感元件时，应该把它当作电流源的形式使用，即利用短路电流与光照度成线性的特点，这是硅光电池的主要优点。硅光电池的负载特性：硅光电池的负载特性：光电池作为电池使用如图光电池作为电池使用如图4 4所示。在内电场作用下，入射光子由所示。在内电场作用下，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，在光电池两端加一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，在光电池两端加一个负载就会有电流流过，当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，电流较大个负载就会有电流流过，当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。实验时可改变负载电阻而电压较小。实验时可改变负载电阻R RL L的值来测定硅光电池的伏安特性。的值来测定硅光电池的伏安特性。图4 硅光电池伏安特性的测定下图为硅光电池的伏安特性曲线：图 5 硅光电池的伏安特性曲线三、实验仪器三、实验仪器CSYG 型光电传感器试验仪、光电池实验模块四、实验步骤四、实验步骤见讲义见讲义五、实验结果五、实验结果1 1、硅光电池的光电特性测试、硅光电池的光电特性测试先将可调光源和样阻调至一定的值下，测出此情况下硅光电池的开路电压和短路电流数据，以后逐步改变可调光源的照度（810 次），重复测出开路电压和短路电压。表 1 硅光电池的光电度特性测试照度(Lx)U（V）I（mA）0根据实验数据画出硅光电池的光照特性曲线为：2 2、硅光电池的伏安特性测试、硅光电池的伏安特性测试先将可调光源的光强调至一定的照度，每次在一定的照度下，取不同样电阻 RL，测出电压及光电流，这里要求至少测出 9 个数据点，以绘出完整的伏安特性曲线。,以后逐步选择不同的光照度（至少 2 个），重复上述实验。表 2 硅光电池伏安特性测试数据表（照度：）RL（欧姆）U（V）I（mA）根据实验数据画出硅光电池的伏安特性曲线为：表 3 硅光电池伏安特性测试数据表（照度：）RL（欧姆）U（V）I（mA）根据实验数据画出硅光电池的伏安特性曲线为：实验八实验八 光电池的光谱响应特性光电池的光谱响应特性一、实验目的一、实验目的了解硅光电池的对于不同波长的入射光具有不同的响应灵敏度。二、实验原理二、实验原理光电器件的灵敏度是入射辐射波长的函数。以功率相等的不同波长的单色辐射入射于光电器件，其光电信号与辐射波长的关系为光电器件的光谱响应。三、实验仪器三、实验仪器CSYG 型光电传感器试验仪、光电池实验模块四、实验步骤四、实验步骤见讲义见讲义五、实验结果五、实验结果硅光电池的光谱响应特性测试硅光电池的光谱响应特性测试先将可调光源的光强和电阻 RL调至一定值，每次在一定的照度下，测出不同波长的入射光下的响应电压，这里要求至少测出8 个数据点，以绘出完整的响应特性曲线。,以后逐步选择不同的光照度（至少2 个），重复上述实验。表 1 硅光电池伏安特性测试数据表（照度：）波长红外光0.78电压红光0.78-0.622根据实验数据画出硅光电池的波长与电压响应曲线为：表 2 硅光电池伏安特性测试数据表（照度：）波长红外光0.78电压红光0.78-0.622根据实验数据画出硅光电池的波长与电压响应曲线为：
