实验二Si光电池开短路测量实验一、光电池的结构原理光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”的，它实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。图2.1为硅光电池原理图，其中（a）结构示意图；（b）等效电路。Si0PNENTH电板a(b)图2.1硅光电池原理二、光电池的特性参数入射光强-电流电压特性描述的是开路电压Voc和短开路电流Isc随入射光强变化的规律，如下图所示。IscVocVo光照度图2.2光电池的光照特性曲线Voc随入射光强按对数规律变化，Isc与入射光强成线性关系。三、实验步骤实验时，为了得到光电池的开路电压Voc和短路电流Isc，依次分别将电压表和4
4 实验二 Si 光电池开短路测量实验 一、光电池的结构原理 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就 是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。 光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”的，它实质上是一个大面积的 PN 结， 当光照射到 PN 结的一个面，例如 P 型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度， 那么 P 型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅 速扩散， 在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。 图 2.1 为硅 光电池原理图，其中（a) 结构示意图； (b) 等效电路。 二、光电池的特性参数 入射光强-电流电压特性描述的是开路电压 VOC和短开路电流 ISC随入射光强变化 的规律，如下图所示。 VOC随入射光强按对数规律变化，ISC与入射光强成线性关系。 三、实验步骤 实验时，为了得到光电池的开路电压 Voc 和短路电流 Isc，依次分别将电压表和
电流表接入电路来测量数据。实验原理框图如下。照度讯光阳电压源图2.3光电池短路电流测图2.4光电池开路电压测量1.将光电检测实验箱、所需仪表及测试附件有序地放置于实验桌上。连接好实验箱所需的AC电压（220V），打开交流电源，打开实验箱电源开关。2.有源模块中Si光电池的两个输出端为TP1和TP2，将TP1连接到直流电流表的TP1+，TP2连接到直流电流表的TP2-。3.光照度计的探测头置于箱子的左侧指定的位置，以便测光照度。（1）对Si光电池短路电流I.测量，调节光照度调节旋钮，测量光照度值，同时观察电流表的显示结果。（2）将TP1连接到直流电压表的TP1t，TP2连接到直流电压表的TP2-，对Si光电池开路电压Voc测量，调节光照度调节旋钮，测量光照度值，同时观察电压表的显示结果。测量得到的开路电压、短路电流数据填入下表中，并画出光照特性曲线图。5101002004006008001000110012000强度(Lx)电流(uA)电压(mV)Voc(mv)Is(mA)01200Lux硅光电池开路电压短路电流实验特性图5
5 电流表接入电路来测量数据。实验原理框图如下。 1．将光电检测实验箱、所需仪表及测试附件有序地放置于实验桌上。连接好实 验箱所需的 AC 电压（220V），打开交流电源，打开实验箱电源开关。 2．有源模块中 Si 光电池的两个输出端为 TP1 和 TP2，将 TP1 连接到直流电流表 的 TP1＋，TP2 连接到直流电流表的 TP2－。 3．光照度计的探测头置于箱子的左侧指定的位置，以便测光照度。 （1）对 Si 光电池短路电流 Isc测量，调节光照度调节旋钮，测量光照度值，同 时观察电流表的显示结果。 （2）将 TP1 连接到直流电压表的 TP1＋，TP2 连接到直流电压表的 TP2－，对 Si 光电池开路电压 Voc 测量，调节光照度调节旋钮，测量光照度值，同时观察电压表的 显示结果。 测量得到的开路电压、短路电流数据填入下表中，并画出光照特性曲线图。 强度（Lx） 0 5 10 100 200 400 600 800 1000 1100 1200 电流（uA） 电压（mV） Voc(mv) Isc(mA) 0 1200 Lux 硅光电池开路电压 短路电流实验特性图
实验三Si光电池负载特性实验一、光电池的特性参数光电池用作探测器时，通常是以电流源形式使用，总要接负载电阻R，这时电流记作Iic，它与与入射光强不在成线性关系，R,相对光电池内阻R越大，线性范围越小，如下图所示：RL4RL3RL2RL1RL1>RL2>RL3>RL4光照度图3.1光电池电流随负载变化曲线入射光强一负载特性描述的是在相同照度下，输出电压、输出电流、输出功率随负载变化的规律。如下图所示：AV输出电压VocIso输出功率输出电流Rx负载RL图3.2光电池负载特性曲线当R《Rd时，R~0，可近似看作短路，输出电流为Isc，与入射光强成正比，R越小，线性度越好，线性范围越大。当R》》Rd时，R~o，可近似看作开路，输出电压为Voc。随着R的变化，输出功率也变化，当R，=R,时，输出功率最大，Ru称最佳负载。二、实验步骤实验原理框图如下。6
6 实验三 Si 光电池负载特性实验 一、光电池的特性参数 光电池用作探测器时，通常是以电流源形式使用，总要接负载电阻 RL，这时电流 记作 LC I ，它与与入射光强不在成线性关系， RL 相对光电池内阻 Rd 越大，线性范围 越小，如下图所示： 入射光强-负载特性描述的是在相同照度下，输出电压、输出电流、输出功率随 负载变化的规律。如下图所示： 当 RL Rd 时， RL 0，可近似看作短路，输出电流为 ISC，与入射光强成正比， RL越小，线性度越好，线性范围越大。 当 RL Rd 时， RL ∞，可近似看作开路，输出电压为 VOC。 随着 RL的变化，输出功率也变化，当 RL RM 时，输出功率最大，RM称最佳负载。 二、实验步骤 实验原理框图如下
光电池光照度图3.3Si光电池负载特性电1.将光电检测实验箱、所需仪表及测试附件有序地放置于实验桌上。连接好实验箱所需的AC电压（220V），打开交流电源，打开实验箱电源开关。2.将光照度调节旋钮置于最大位置。光电池输出端TP1接电阻的一端，电阻的另一端接电流表的TP1+，电流表的TP2-接光电池的TP2，电压表的TP1+、TP2-分别接在电阻的两端。注意测出的电压大小，并根据此来判断电流的方向。3.将光电池接不同的负载电阻：10Q、100Q、1KQ、10KQ、100KQ、1MQ，测量输出电流值和电压值。注也可以通过电位器选择不同的电阻。测量不同负载情况下得到的电压、电流数据填入下表中，并画出负载特性曲线图。根据负载特性曲线图求出最佳负载Ropt表31K102100210K20K30K40K电阻(α)电流（μA)电压 (mV)1M电阻()50K60K70K80K90K100K电流(μA)电压 (mV)注意：画负载特性曲线图时10Q、100Q和1M的数据不考虑
7 1．将光电检测实验箱、所需仪表及测试附件有序地放置于实验桌上。连接好实验箱 所需的 AC 电压（220V），打开交流电源，打开实验箱电源开关。 2．将光照度调节旋钮置于最大位置。光电池输出端 TP1 接电阻的一端，电阻的另 一端接电流表的 TP1＋，电流表的 TP2－接光电池的 TP2，电压表的 TP1＋、TP2－分别接 在电阻的两端。注意测出的电压大小，并根据此来判断电流的方向。 3．将光电池接不同的负载电阻：10Ω、100Ω、1KΩ、10KΩ、100KΩ、1MΩ，测 量输出电流值和电压值。注也可以通过电位器选择不同的电阻。 测量不同负载情况下得到的电压、电流数据填入下表中，并画出负载特性曲线图。 根据负载特性曲线图求出最佳负载 Ropt 表 3 电阻（Ω） 10Ω 100Ω 1K 10K 20K 30K 40K 电流（μA） 电压（mV） 电阻（Ω） 50K 60K 70K 80K 90K 100K 1M 电流（μA） 电压（mV） 注意：画负载特性曲线图时 10Ω、100Ω和 1M 的数据不考虑
实验四Si光电池伏安特性实验一、光电二极管的特性参数1.伏安特性光电二极管（PD）就是一个p-n结，根据固体物理对p-n结的研究，无光照时，p-n结上的电压V和通过它的电流的伏安关系为(1)Ip =Iso(egVIKT -1)式中Iso为p-n结的反向饱和电流，k=1.381×10-23J/K为波尔兹曼常数，T为热力学温度，9为电子电荷量。有光照时，产生光生电流IsP(2)Is=qnhy式中n为量子效率，P为光功率。这两部分电流方向相同，则总电流I为I = Iso(egVIKT -1)+Is(3)下图表示光照P一N结的伏安特性AIL1+V无光照Fy开路光电压有光照P2短路光电流P2P,图4.1P-N结的伏安特性有光照时，相对于无光照曲线向下平移，光照越强，曲线愈往下平移，光电流越大。图中第一象限为P一N结加正偏压状态，此时P一N结暗电流I，远大于光生电流，做为探测器工作在这个区域是没有意义的。第三象限为P一N结加反偏压状态，此时P一N结暗电流I,=Iso，数值很小，远小于光生电流Is，光伏探测器输出的总电流I=1so+Is~Is，光伏探测器多工作在这个区域。由图可见，在低反压下电流随电压变化比较明显，这是因为反向偏压增加使耗尽层加宽，结电场增强，使结区光的吸收率和光生载流子的收集效率增大。当反向偏压进一步增加，光生载流子的收集已达极限，光电流趋于饱和。这时，光电流与外加反8
8 实验四 Si 光电池伏安特性实验 一、光电二极管的特性参数 1．伏安特性 光电二极管（PD）就是一个 p-n 结，根据固体物理对 p-n 结的研究，无光照时， p-n 结上的电压 V 和通过它的电流的伏安关系为 ( 1) / qV KT D SO I I e （1） 式中 SO I 为 p-n 结的反向饱和电流， k 1 381 10 J / K 23 为波尔兹曼常数，T 为 热力学温度，q 为电子电荷量。 有光照时，产生光生电流 IS h P I S q （2） 式中 为量子效率， P 为光功率。 这两部分电流方向相同，则总电流 I 为 S qV KT SO I I (e 1) I / （3） 下图表示光照 P—N 结的伏安特性 有光照时，相对于无光照曲线向下平移，光照越强，曲线愈往下平移，光电流越 大。图中第一象限为 P—N 结加正偏压状态，此时 P—N 结暗电流 ID远大于光生电流， 做为探测器工作在这个区域是没有意义的。第三象限为 P—N 结加反偏压状态，此时 P—N 结暗电流 ID=ISO，数值很小，远小于光生电流 IS，光伏探测器输出的总电流 SO S S I I I I ，光伏探测器多工作在这个区域。 由图可见，在低反压下电流随电压变化比较明显，这是因为反向偏压增加使耗尽 层加宽，结电场增强，使结区光的吸收率和光生载流子的收集效率增大。当反向偏压 进一步增加，光生载流子的收集已达极限，光电流趋于饱和。这时，光电流与外加反