《光电池实验总结》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电池实验总结（22页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划光电池实验总结硅光电池的线性响应【实验目的】1.了解光电池线性响应的实用意义；2.学习和掌握测定硅光电池线性工作范围的一种方法。【实验仪器】溴钨灯，尼科尔棱镜一对，硅光电池，灵敏电流计，电阻箱二只，直流稳压电源，聚光透镜，电键【实验原理】硅光电池是利用光生伏打效应设计的一种半导体光电探测器，其特点是不需要外加电源。硅光电池的结构如图1(a)所示。半导体硅受光照时，硅中形成电子空穴对，电子被结电压吸入半透明金属膜，因而结电压降低，金属膜变成负电势，金属基极对透明金属膜层为正电势，这个电
2、势差值与入射光通量有关。如果用导线接入电流计，就会产生光电流。如果光电流的大小与入射光通量有线性关系，则用光电池探测光信号强度，可进行客观、准确而不失真的测量。线性响应是光电探测器的重要性能指标之一，也是实际使用光电池时必须保持的正常工作条件。但是在测量各种光信号的强度时，信号强度变化幅度可能较为悬殊，因此使用光电池前，必须了解它的线性响应的强度范围。硅光电池的等效电路如图1(b)所示。它与电池一样有一个内阻R?，同时还相当于一个平板电容C，C与R?并联，R表示硅光电池的负载电阻，当入射光通量?照射到硅表面时，产生光电流为i，其中一部分i1流过R?，另一部分i2流过R，则i?i1?i2图1S?
3、i?而在外电路中测量到的光电流为i2，因光电池的积分灵敏度为因此可计算得i2?S?R?(R?R)由于半导体的特性，硅光电池的内阻R?随入射光通量?而变，?增大时，R?变小。严格地讲，i2与?无线性关系，而当R较小时，R?的变化对i2影响较小，i2与?接近线性关系。因此，在实际使用中，要选用低内阻的电流计作测量仪表，或用补偿平衡电路。如图2所示，平行光通过起偏棱镜N1后，形成强度为I0的平面偏振光，其偏振方向平行于棱镜的主截面，如果使该平面偏振光再通过检偏器棱镜N2，由马吕斯定律可知，通过N2的透射光强I为I?I0cos2?式中?为两偏振棱镜主截面之间的夹角。由式可见，透过N2的光强随?的不同而
4、变化。现将该透射光照射在光电池上，假设硅光电池的工作范围处于线性响应区域，则由硅光电池产生的光电流i应与入射光的强度I成正比，即i=c1I，将此关系代入式，得i?c2cos2?(c2?c1I0)将上式两侧取对数，则lgi?lgc2?2lgcos?即变量下，存在线性关系，电流值i,作线，但其中有一段应的电流变化范围，就是该硅光电池的线形工作区域。图2i?c1I和间在成立条件且斜率为2。测量不同?角时的lgi?lgcos?图线，一般它为曲是斜率为2的直线，该段直线对【实验内容】1.按图3安置实经透镜L后射出平行到待测硅光电池Pc上，值。图3验装置，光源S为溴钨灯，光，经过尼科尔棱镜，照射灵敏电流计
5、G显示出光电流2.由于半导体硅的固有特性，硅光电池的内阻随入射光强增大而减少，硅光电池产生的光电流除与入射光强有关外，还与外电路负载电阻有关。根据光电池的等效电路分析可知，外负载电阻愈小，光电池的线性响应愈高。若用灵敏电流计显示，则外负载电阻即电流计内阻Rg，所以应选用低内阻的灵敏电流计。在具体测量时，光电流变化范围较大，须改变电Rg流表的量程，为使量程改变时外接电阻总阻值不变，可采用图3所示的电路，即先将R1与串联，再和R2并联后接入光电池电路，当满足关系式R1?(n?1)Rg等。R2?nn?1Rg时，光电池外负载电阻总值不变。式中n为电流计量程的扩大倍数，一般选n=3,10,30,100,
6、1测定硅光电池的线性工作范围调节光路，使之共轴。转动尼科尔棱镜，使两棱镜N1和N2的主截面正交，这时灵敏电流计的指示应为零，但由于漏电流和背景杂散光的干扰，电流计的示值一般不为零，可通过改变电流计的零点扣除此项影响。固定光源的工作电压，保持一定的光照度。从消光位置开始，逐次改变?值，测出相应光电流i,作lgi?lgcos?曲线，确定斜率为2的直线段对应的电流变化范围。提高光源的工作电压，尽量扩大光强变化范围，再作lgi?lgcos?曲线。换用高内阻的电流计，再测lgi?lgcos?曲线，与步骤、结果比较，以观察外负载电阻对光电池线性响应的影响。用照度计测定光电池受光面处的光照强度，标定与光电池
7、线性工作范围对应的入射光照度的分布范围。【复习思考题】1.如测得光电探测器的lgi?lgcos?图线为一直线，则光电流即与入射光强成正比，这话对不对，为什么？2.光电探测器的线性响应在实际应用中有何重要性？第一章硅光电池综合实验仪说明一、内容简介光电池是一种不需外加偏置电压，就能将光能直接转换成电能的PN结光电器件。按光电池的用途可分为两大类：太阳能光电池和测量光电池。太阳能光电池主要用做电源，对它的要求是效率高、成本低。由于它具有结构简单、体积小、质量轻、可靠性高、寿命长、能直接利用太阳能转换成电能的特点，因而它不仅成为航天工业上的重要电源，还被广泛地应用于供电困难的场所和人们的日常生活中。
8、测量光电池的主要功能是作光电检测用，即可在不加偏置电压的情况下将光信号转换成电信号，对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好和寿命长，因而它被广泛应用在光度、色度、光学精密计量和测试中。GCSIDC-B型硅光电池综合实验仪从了解和熟悉硅光电池的角度出发，讨论关于硅光电池的主要技术问题，主要研究硅光电池的基本特性，如短路电流、光电特性、光谱特性、伏安特性、及时间响应特性等等，以及硅光电池的简单应用。本实验仪电路PCB板与光通路组件各占一部分置于箱体内，这样不仅可以让学生对整个实验系统的光通路一目了然，增强学生对系统的理解，而且外观美观大方，携带存放方便。在电路PCB板部分，模块化
9、设计，配有独立的电压表、电流表和独立照度计，各表头显示单元和各种调节单元都放在面板上，学生做实验时只需要简单连线即可实现相应的功能。连线、调节、观察和记录都很方便。实验箱还配备有200欧至500千欧不同阻值的电阻，可供学生配合其它元件自己动手搭建实验之用，提高学生动手动脑能力。二、实验仪说明1、电子电路部分结构分布说明：电压表：独立电压表，可切换三档，200mV，2V，20V，通过拨段开关进行调节，白色所指示的位置即为所对应的档位。“+”“-”分别对应电压表的“正”“负”输入极。电流表：独立电流表，可切换四档，200uA，2mA，20mA，200mA通过拨段开关进行调节，白色所指示的位置即为所
10、对应的档位。“+”“-”分别对应电流表的“正”“负”输入极。照度计电源：红色为照度计电源正极，黑色为照度计电源负极。2、光通路组件光调制控制输入端图2硅光电池光通路组件功能说明：分光镜：50%透过50%反射镜，将平行光一半给照度计探头，一半给待测光器件，实验测试方便简单，照度计可实时检测出待测器件所接收的光照度。光器件输出端：红色硅光电池“+”极黑色硅光电池“-”极第二章实验指南一、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测试方法4、了解硅光电池的基本应用二、实验内容1、硅光电池短路电流测试实验2、硅光电池开路电压测试实验3、硅光电池光电特性
11、测试实验4、硅光电池伏安特性测试实验5、硅光电池负载特性测试实验6、硅光电池时间响应测试实验7、硅光电池光谱特性测试实验设计实验1：硅光电池光控开关电路设计实验设计实验2：简易光照度计设计实验三、实验仪器1、硅光电池综合实验仪1个2、光通路组件1只3、光照度计1台4、2#迭插头对10根5、2#迭插头对10根6、三相电源线1根7、实验指导书1本8、20M示波器1台四、实验原理1、硅光电池的基本结构目前半导体光电探测器在数码摄像光通信太阳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元，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结原理光电效应理论和光伏电池产生
12、机理。零偏反偏正偏图2-1.半导体PN结在零偏反偏正偏下的耗尽区图2-1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型材料电子多空穴少，因此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
13、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。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2-2，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，入射光子将把处于价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PN结两端的电流可由式1确定图2-2.光电池结构示意图I=Is
14、(e-1)+Ip式中Is为反向饱和电流，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，流过PN结的电流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：eVkTIp=RPi(2)3、硅光电池的基本特性(1)短路电流电极(a)(b)图2-3硅光电池短路电流测试如图2-3所示，不同的光照的作用下，毫安表如显示不同的电流值。即为硅光电池的短路电流特性。(2)开路电压SiO2膜电极(a)(b)图2-4硅光电池开路电压测试如图2-4所示，不同的光照的作用下，电压表如显示不同的电压值。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2-5。电信学院光电池的制备方法与应用系部：电子信息工程系专业：光电子技术班级：光电09303设计者：彭超指导教师：宋露露日期：XX年3月光电池的制备方法与应用摘要：光电池又名太阳能电池。
