光电子器件与技术实验实验1光电池特性测试一，实验目的1.了解光电池的工作原理和基本使用方法2.掌握光电池的光电特性和伏安特性及其测试方法。二，实验仪器设备光电探测原理实验箱一台连接导线若干三。实验要求1．预习教材中的相关内容。2.阅读并熟悉本次实验的内容。3.设计并正确连接电路。4.测量并记录实验数据。5．实验结束将仪器归位。四。实验任务1.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”。它实质是一个大面积的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，电子一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1.1为硅光电池原理图。其中（a）结构示意图；（b）等效电路。Sio,膜P型电极I硼扩散层1PN结N型硅片电极(b)(a)-图1.1硅光电池（a）结构示意图：（b）等效电路
1 光电子器件与技术实验 实验 1 光电池特性测试 一．实验目的 1. 了解光电池的工作原理和基本使用方法； 2. 掌握光电池的光电特性和伏安特性及其测试方法。 二. 实验仪器设备 光电探测原理实验箱 一台 连接导线 若干 三. 实验要求 1. 预习教材中的相关内容。 2. 阅读并熟悉本次实验的内容。 3. 设计并正确连接电路。 4. 测量并记录实验数据。 5. 实验结束将仪器归位。 四. 实验任务 1. 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”。它实质是一个大面积的 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 1.1 为硅光电池原理图。其中（a）结构 示意图；（b）等效电路。 (a) 图 1.1 硅光电池（a）结构示意图；（b）等效电路 PN 结 N 型硅片 硼扩散层 2 SiO 膜 P 型电极 A I 电极 A I (b)
2.光电池基本特性这里讨论光电池的光照特性，用入射光强-电流电压特性和入射光强-负载特性来描述。入射光强-电流电压特性描述的是开路电压和短路电流随入射光强变化的规律，如下图0.6所示0.6开路电压0.40.4短路电流0.20.2-0020004000光照度/lx图3.2硅光电池的光照电流电压特性Uoc随入射光强按对数规律变化，Isc与入射光强成线性曲线。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lic，它与入射光强不在成线性关系，1RL相对光电池内阻Ra越大，线性范围越小，如下图所示：Rt3R12RLR,>Rt2 >Rr3入射光强入射光强-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：输出电压UocIsc输出电流F输出功率负载R,2
2 2. 光电池基本特性 这里讨论光电池的光照特性，用入射光强-电流电压特性和入射光强-负载特性来描述。 入射光强-电流电压特性描述的是开路电压和短路电流随入射光强变化的规律，如下图 所示 UOC 随入射光强按对数规律变化， SC I 与入射光强成线性曲线。 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： 0 2000 4000 0 0.2 0.2 0.4 0.4 0.6 0.6 开路电压 短路电流 光照度/lx 光生电流/mA 光生电压/V 图 3.2 硅光电池的光照电流电压特性 入射光强 输出电流 RL1 RL2 RL3 RRR LL L 123 > > I SC I UOC 负载 RL 输出电压 输出电流 输出功率
当R<<Ra时，可近似看做短路，输出电流为'sc，与入射光强成正比，R越小，线性度越好，线性范围越大。当R为时，可近似看做开路，输出电压为Uoc。随着R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。实验注意事项：1.当电压表和电流表显示为“1”时说明超过量程，应更换为合适量程；2.连线之前要保证电源关闭。实验步骤：1.光电池照度-电流特性曲线实验装置原理框图如图3.3所示。照度计光电池电压源图3.3实验装置原理框图2.4k分别测出下表所示光照度和负载下的光生电流。作出光照度-电流特性曲线，并对曲线进行分析020光照度（Ix）406080100120140160R=0光生电流（UA）R=2.4kΩ光生电流（A）2、光电池照度-电压特性测试实验原理框图如下图照度计光电池电压源图3.4实验装置原理框图
3 当 R R L d << 时，可近似看做短路，输出电流为 SC I ，与入射光强成正比， RL 越小， 线性度越好，线性范围越大。 当 RL 为∞时，可近似看做开路，输出电压为UOC 。 随着 RL 的变化，输出功率也变化，当 R R L = M 时，输出功率最大， RM 称最佳负载。 实验注意事项： 1. 当电压表和电流表显示为“1_”时说明超过量程，应更换为合适量程； 2. 连线之前要保证电源关闭。 实验步骤： 1. 光电池照度-电流特性曲线 实验装置原理框图如图 3.3 所示。 分别测出下表所示光照度和负载下的光生电流。作出光照度-电流特性曲线，并对曲线进 行分析 光照度（lx） 0 20 40 60 80 100 120 140 160 R = 0 光生电流（ µA ） R k = Ω 2.4 光生电流（ µA ） 2、光电池照度-电压特性测试 实验原理框图如下图 图 3.4 实验装置原理框图 电压源 光源 照度计 光电池 ＋ － － ＋ V 图 3.3 实验装置原理框图 电压源 光源 照度计 光电池 ＋ － － ＋ A 2.4k
分别测出下表所示光照度下的光生电压，作出光照度-开路电压特性曲线。0301050100200300光照度（Ix)光生电压（mV）3、入射光强-负载特性测试实验原理框图如下图。（1）按图连接线路，光照度取50lx，将电压表选择2V档，电流表选择200MA档。（2）分别测出负载电阻R为下表所示值的电流和电压。照度计光电池电压源图3.5实验装置原理框图10k100k(R)2.4k( R1)5.6k (R2)51k (R)负载(2)0(Rs)电流(HA)电压（mV）（3）作出501x光照度下光电池的光生电流、光生电压随负载变化的曲线。（4）光照度取100lx、200x、300lx，重复上述步骤。（5）作出100lx、2001x、3001x、501x光照度下光生电流、光生电压负载变化的曲线，比较四条曲线的不同，并加以分析。五．实验报告1.记录数据并进行数据处理。2.根据实验测试记录，在坐标纸上画出光照度-电流特性曲线图，光照度-开路电压特性曲线和光电池的光生电流、光生电压随负载变化的曲线，并分析实验现象。4
4 分别测出下表所示光照度下的光生电压，作出光照度-开路电压特性曲线。 光照度（lx） 0 10 30 50 100 200 300 光生电压（mV） 3、入射光强-负载特性测试 实验原理框图如下图。 （1）按图连接线路，光照度取 50lx，将电压表选择 2V 档，电流表选择 200 µA 档。 （2）分别测出负载电阻 R 为下表所示值的电流和电压。 负载（Ω ） 0 2.4k（ RL1） 5.6k（ RL2） 10k （ RL3 ） 51k（ R1） 100k（ R2 ） 电流（ µA ） 电压（ mV ） （3）作出 50lx 光照度下光电池的光生电流、光生电压随负载变化的曲线。 （4）光照度取 100lx、200lx、300lx，重复上述步骤。 （5）作出 100lx、200lx、300lx、50lx 光照度下光生电流、光生电压负载变化的曲线， 比较四条曲线的不同，并加以分析。 五. 实验报告 1．记录数据并进行数据处理。 2. 根据实验测试记录，在坐标纸上画出光照度-电流特性曲线图，光照度-开路电压特性 曲线和光电池的光生电流、光生电压随负载变化的曲线，并分析实验现象。 图 3.5 实验装置原理框图 电压源 光源 照度计 光电池 ＋ － － ＋ V － ＋ A R
3.比较光照度-开路电压和光照度-短路电流曲线的异同，并对两条曲线进行分析。实验2光电二极管特性测试一。实验目的1.了解光电二极管的工作原理和使用方法：2.掌握光电二极管的光照度特性及其测试方法3.加深对光电二极管的工作原理的理解；4.进一步熟悉光电二极管的基本应用；5.理解光电二极管的伏安特性并掌握其测试方法。二，实验仪器设备光电探测原理实验箱一台若干连接导线三。实验要求1.预习教材中的相关内容。2.阅读并熟悉本次实验的内容。3.设计并正确连接电路。4.测量并记录实验数据。5.实验结束将仪器归位。四．实验任务1.光生伏特效应：光生伏特效应是一种内光电效应。光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。对于不均匀半导体，由于同质的半导体不同的掺杂形成的PN结、不同质的半导体组成的异质结或金属与半导体接触形成的肖特基势垒都存在内建电场，当光照射这种半导体时，由于半导体对光的吸收而产生了光生电子和空穴，它们在内建电场的作用下就会向相反的方向移动和聚焦而产生电位差。这种现象是最重要的一类光生伏特效应。均匀半导体内没有内建电场，当光照射时，因光生载流子浓度梯度不同而引起载流子的扩散运动，且电子和空穴的迁移速率不相等，使两种载流子扩散速度的不同从而导致两种电荷分开，而出现光生电势。这种现象称为丹倍效应。此外，如果存在外加磁场，也可使得扩散中得两种载流子向相反方向偏转，从而产生光生电势。通常把丹倍5
5 3．比较光照度-开路电压和光照度-短路电流曲线的异同，并对两条曲线进行分析。 实验 2 光电二极管特性测试 一．实验目的 1.了解光电二极管的工作原理和使用方法； 2.掌握光电二极管的光照度特性及其测试方法； 3.加深对光电二极管的工作原理的理解； 4.进一步熟悉光电二极管的基本应用； 5.理解光电二极管的伏安特性并掌握其测试方法。 二. 实验仪器设备 光电探测原理实验箱 一台 连接导线 若干 三. 实验要求 1. 预习教材中的相关内容。 2. 阅读并熟悉本次实验的内容。 3. 设计并正确连接电路。 4. 测量并记录实验数据。 5. 实验结束将仪器归位。 四. 实验任务 1. 光生伏特效应： 光生伏特效应是一种内光电效应。光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半导体 中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。对于不均匀半导体，由于同质的半导体 不同的掺杂形成的 PN 结、不同质的半导体组成的异质结或金属与半导体接触形成的肖特基 势垒都存在内建电场，当光照射这种半导体时，由于半导体对光的吸收而产生了光生电子和 空穴，它们在内建电场的作用下就会向相反的方向移动和聚焦而产生电位差。这种现象是最 重要的一类光生伏特效应。均匀半导体内没有内建电场，当光照射时，因光生载流子浓度梯 度不同而引起载流子的扩散运动，且电子和空穴的迁移速率不相等，使两种载流子扩散速度 的不同从而导致两种电荷分开，而出现光生电势。这种现象称为丹倍效应。此外，如果存在 外加磁场，也可使得扩散中得两种载流子向相反方向偏转，从而产生光生电势。通常把丹倍