硅光电池特性研究
硅光电池特性研究
【实验目的】
1． 掌握PN结形成原理及其工作原理；
2． 了解LED发光二极管的驱动电流和输出功率的关系； 3． 掌握硅光电池的工作原理及其工作特性。
【实验原理】
1． 半导体PN结原理
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机理。
零偏
W
W
反偏 正偏
图17-1. 半导体PN结在零偏、反偏、正偏下的耗尽区
图17-1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，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组织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，使势垒削弱，使载流子扩散运动继续形成电流，这就是PN结的单向导电性，电流方向是从P指向N。 2． LED工作原理
当某些半导体材料形成的PN结加正向电压时，空穴与电子在PN结复合时将产生特定波长的光，发光的波长与半导体材料的能级间隙Eg有关。发光波长λp可由下式确定：
λp=hc/Eg （17-1） 式（17-1）中的h为普朗克常数，c为光速。在实际的半导体材料中能级间隙Eg有一个宽度，因此发光二极管发出光的波长不是单一的，其发光波长半宽度一般在25~40nm左右，随半导体材料的不同而有差别。发光二极管输出光功率P与驱动电流I的关系由下式决定：
p=ηEpI/e （17-2）
式中η为发光效率，Ep是光子能量，e是电荷常数。
输出光功率与驱动电流呈线性关系，当电流较大时由于PN结不能及时散热，输出光功率可能会趋向饱和。本实验用一个驱动电流可调的红色超高亮度发光二极管作为实验用光源。系统采用的发光二极管驱动和调制电路如图17-2所示。信号调制采用光强度调制的方法，
图17-2. 发送光的设定、驱动和调制电路框图
发送光强度调节器用来调节流过LED的静态驱动电流，从而改变发光二极管的发射光功率。设定的静态驱动电流调节范围为0~20毫安，对应面板上的光发送强度驱动显示值为0~2000单位。正弦调制信号经电容、电阻网络及运放跟随隔离后耦合到放大环节，与发光二极管静态驱动电流迭加后使发光二极管发送随正弦波调制信号变化的光信号，如图17-3所示，变化的光信号可用于测定光电池的频率响应特性。 3． 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4，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飘移到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结两端可由式（17-3）确定
I=Is(e
eVkT
-1)+Ip （17-3）
式（17-3）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的电流I0=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I反=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。
图17-3. LED发光二极管的正弦信号调制原理
图17-4. 光电池结构示意图
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：
Ip=RPi （17-4）
式（17-4）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λc=1.1μm，在短波长处也由于材料有较大吸收系数使R值很小。
图17-5.光电池光电信号接收框图
图17-5是光电信号接收端的工作原理框图，光电池把接收到的光信号转变为与之成正比的电流信号，再经电流电压转换器把光电信号转换成与之成正比的电压信号。比较光电池零偏和反偏时的信号，就可以测定光电池的饱和电流Is。当发送的光信号被被正弦信号调制时，则光电池输出电压信号中将包含正弦信号，据此可通过示波器测定光电池的频率响应特性。
4． 光电池的负载特性
光电池作为电池使用如图17-6所示。在内电场的作用下，入射光子由于内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RL的值来测定光电池的伏安特性。
L
图17-6. 光电池伏安特性的测定
【仪器设备】
TKGD-1型硅光电池特性实验仪、信号发生器、双踪示波器
【实验内容与步骤】
1． 硅光电池光电流与输入光信号关系特性测定
打开仪器电源，调节发光二极管静态驱动电流，其调节范围0~20mA（相应于发光强度指示0~2000），将偏置电压切换分别打到零偏和负偏，将硅光电池输出端连接到I/V转换模块的输入端，将I/V转化模块的输出端连接到接收光强度指示的输入端，分别测定光电池在零偏和反偏时光电流与输入光信号关系。记录数据，并在同一张坐标纸上作图，比较光电池在零偏和反偏时两条曲线关系，求出光电池的饱和电流Is。 2． 硅光电池光伏电压与输入光信号关系测定
将功能转换开关打到“负载”处，将硅光电池输出端连接恒定负载电阻（如取10K）和数字电压表，从0~20mA（指示为0~2000）调节发光二极管静态驱动电流，实验测定光电
池输出电压随输入光强度的关系，记录数据，并绘制曲线。 3． 硅光电池伏安特性测定
在硅光电池输入光强度不变时（取发光二极管静态驱动电流为10mA），测量当负载从0~10K 的范围内变化时，光电池的输出电压随负载电阻变化关系，记录数据，并绘制曲线。 4． 硅光电池的频率响应
将功能转换开关分别打到“零偏”和“负偏”处，将硅光电池的输出连接到I/V转换模块的输入端。令LED偏置电流为10mA(显示为1000），在信号输入端加正弦调制信号，使LED发送调制光信号，保持输入正弦信号的幅度不变，调节信号发生器频率，用示波器观测并测定记录发送光信号的频率变化时，光电池输出信号幅度的变化，测定光电池在零偏和负偏条件下的幅频特性，记录数据，绘制幅频特性曲线，并测定其截止频率ft。
【数据处理】
【思考题】
1． 光电池在工作时为什么要处于零偏或反偏？
2． 光电池用于线形光电探测器时，对耗尽区的内部电场有何要求？ 3． 光电池对入射光的波长有何要求？
4． 当单个光电池外加负载时，其两端产生的光伏电压为何不会超过0.7伏？