研究光伏探測(cè)器的光電特性

1、研究光伏探測(cè)器的光電特性研究光伏探測(cè)器的光電特性班級(jí)：班級(jí)：電科電科132132姓名：高加慶姓名：高加慶學(xué)號(hào)：學(xué)號(hào)：1346121013461210研究光伏探測(cè)器的光電特性概述儀器簡(jiǎn)介技術(shù)指標(biāo)注意事項(xiàng)目的要求儀器用具實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容思考與討論一、概述FD-PPD-A光伏探測(cè)器光電特性實(shí)驗(yàn)儀光電二極管與光電池是根據(jù)光伏效應(yīng)制成的pn結(jié)光電器件，短路電流與入射光強(qiáng)成短路電流與入射光強(qiáng)成正比是其一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)，在精確測(cè)量光強(qiáng)時(shí)常用作探測(cè)器。光敏電阻是基于光電導(dǎo)效應(yīng)原理工作的半導(dǎo)體光電器件，靈敏度高，體積小，重量輕，常用于自動(dòng)化技術(shù)中的光控電路。FD-PPD-A型光伏探測(cè)器光電特性實(shí)驗(yàn)儀是上海復(fù)旦天欣科

2、教儀器有限公司專(zhuān)門(mén)針對(duì)全國(guó)中學(xué)生物理競(jìng)賽的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開(kāi)發(fā)的一款實(shí)驗(yàn)儀器。該儀器融合了“測(cè)量光敏電阻的光電特性”與“研究光伏探測(cè)器的光電特性”兩組實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，且概念清晰、穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度高。二、儀器簡(jiǎn)介FD-PPD-A型光伏探測(cè)器光電特性實(shí)驗(yàn)儀主要由光電二極管、光電池、光敏電阻、直流電源、小燈泡、數(shù)字萬(wàn)用表1塊、電阻箱、實(shí)驗(yàn)暗箱組成，如下圖1所示。三、技術(shù)指標(biāo)1.直流電源 0-4V連續(xù)可調(diào)，顯示分辨率0.01V；2.電阻箱 0-99999.9可調(diào)，分辨率0.1；3.數(shù)字萬(wàn)用表電流測(cè)量分辨率0.01A（20A檔）;4.光敏電阻暗電阻大于4m；5.小燈泡額定電壓6.3V，額定電流0

3、.1A。6.傳感器移動(dòng)范圍約17cm四、注意事項(xiàng)1.使用數(shù)字萬(wàn)用表電流檔前請(qǐng)務(wù)必檢查表是否正確插在電流測(cè)量的插座，否則易造成損壞；2.光電池加反向偏壓時(shí)，若串聯(lián)電阻箱阻值過(guò)小，則反向偏壓可能無(wú)法到達(dá)4V；3.當(dāng)代工藝下生產(chǎn)的光敏電阻暗電阻阻值一般都非常大，可能無(wú)法用數(shù)字萬(wàn)用表準(zhǔn)確測(cè)得暗電阻的阻值大小?！灸康囊蟆?.觀測(cè)光電二極管的光電特性；2.觀測(cè)光電池的光電特性。【儀器用具】光電二極管，光電池，直流電源，小燈泡（6V，0.15A），數(shù)字萬(wàn)用表2塊（其中一塊表有直流電流200A量程），電阻箱（電位器），實(shí)驗(yàn)暗箱等如下圖所示。【實(shí)驗(yàn)原理】1.光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)當(dāng)光照射在pn結(jié)上時(shí)，由光子所產(chǎn)生的

4、電子與空穴將分別向n區(qū)和p區(qū)集結(jié)，使pn結(jié)兩端產(chǎn)生 電動(dòng)勢(shì)。這一現(xiàn)象稱(chēng)為光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)，如圖2所示。利用半導(dǎo)體pn結(jié)光伏效應(yīng)可制成光伏探測(cè)器，常用的光伏探測(cè)器有光電池、光電二極管、光電三極管等。 光電池是根據(jù)光伏效應(yīng)制成的pn結(jié)光電器件。不需要加偏壓就可以把光能轉(zhuǎn)化為電能。光電池的用途，一是用作 ；二是作為太陽(yáng)能電池，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。光電池的結(jié)構(gòu)示意圖及應(yīng)用電路如圖3所示。光電池的光照特性主要有伏安特性、入射光強(qiáng)-電流（電壓）特性和入射光功率-負(fù)載特性。 光電池的結(jié)構(gòu)示意圖及應(yīng)用電路如圖3所示。2. 光照下的pn結(jié)特性 光照下pn結(jié)的伏安特性曲線如圖4所示。無(wú)光照時(shí)，pn結(jié)的伏安特性曲線

5、和普通二極管的一樣。有光照時(shí)，pn結(jié)吸收光能，產(chǎn)生反向光電流，光照越強(qiáng)，光電流越大。 光伏器件用作探測(cè)器時(shí)，需要加反偏壓加反偏壓或是不加偏壓不加偏壓。不加偏壓時(shí)，光伏器件工作在圖4的第四象限，稱(chēng)為光伏工作模式。加反偏壓時(shí)，光伏器件工作在圖4的第三象限。無(wú)光照時(shí)，電阻很大，電流很小，有光照時(shí)，電阻變小，電流變大，而且電流隨光照變化，光照特性類(lèi)似于光敏電阻，稱(chēng)作光電導(dǎo)工作模式。但是光伏器件和光敏電阻的工作機(jī)理不同，特性也有很大差別。光電池按照光伏模式工作在圖4的第四象限。有光照時(shí)光電池的電流為 （1）式中q為電子電荷量，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為結(jié)溫（單位為K），I為總電流，U為光電池的輸出電壓，Is

6、為反向飽和電流，IL為光電流。光生電流IL與光照有關(guān)，隨光照的增大而增大，呈線性關(guān)系。（1）一個(gè)一個(gè)R RL L負(fù)載電阻；負(fù)載電阻；V VA A-外接偏置電外接偏置電源源光伏探測(cè)器的等效電路如下圖光伏探測(cè)器的等效電路如下圖3. 光電池的開(kāi)路電壓和短路電流在pn結(jié)開(kāi)路時(shí)，總電流為零，光電池的輸出電壓稱(chēng)為開(kāi)路電壓Uoc。將I=0代入式（1），即可得到開(kāi)路電壓Uoc與光照E的對(duì)數(shù)成正比。如果將pn結(jié)短路，輸出電壓為零，將U=0代入式（1），即可得到短路電流Isc與入射光照度E成正比。從圖4的伏安曲線上也可以得到Uoc和Isc，伏安曲線與電壓軸的交點(diǎn)為開(kāi)路電壓Uoc，與電流軸的交點(diǎn)為短路電流Isc。短

7、路電流Isc與入射光強(qiáng)成正比是光電池的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)，因而在精確測(cè)量光強(qiáng)時(shí)常用光電池作為光探測(cè)器。實(shí)際測(cè)量時(shí)都要外接負(fù)載電阻RL，當(dāng)RL相對(duì)于光電池的內(nèi)阻很小時(shí)，可以認(rèn)為接近短路。顯然，負(fù)載愈小，光電流與照度之間的線性關(guān)系愈好，且線性范圍愈寬。 光電池的短路電流和開(kāi)路電壓與入射光照度的關(guān)系如圖5所示。4. 4. 光電池的輸出功率和負(fù)載特性光電池的輸出功率和負(fù)載特性 光電池作為電源使用時(shí)，其輸出功率與負(fù)載電阻RL有關(guān)。光電池工作在零偏壓下，因此其伏安曲線（圖6）是在某一光照下，取不同負(fù)載電阻RL測(cè)得的輸出電壓和輸出電流繪制而成。由輸出電壓和電流數(shù)據(jù)，可計(jì)算得到光電池的輸出功率P和負(fù)載電阻RL，作輸

8、出功率P與負(fù)載電阻RL的關(guān)系曲線，即可得到光電池的最大輸出功率Pmax及相應(yīng)的負(fù)載電阻RLmax。5. 光電二極管 光電二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，管子封裝在透明玻璃外殼中，它的pn結(jié)裝在管頂，便于接受光的照射。光電二極管的光照特性如前所述，沒(méi)有光照時(shí)，光電二極管的反向電阻很大，反向電流很小（一般為納安(nA)數(shù)量級(jí)），光電二極管處于截止?fàn)顟B(tài)；受光照時(shí)光電二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，光電流的方向與反向電流一致，光線越強(qiáng)，光電流越大。 光電二極管可以按光電伏型模式工作（即不加外偏壓），也可以按光電導(dǎo)型模式工作（外加反向偏壓）。硅光電二極管通常 用作檢測(cè)元件，工作在負(fù)偏壓下，其光電線性好，而且響應(yīng)快?；?/p>

9、本應(yīng)用電路如圖7所示?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】 1. 觀察光電二極管的光電特性。 （1） 用數(shù)字萬(wàn)用電表二極管測(cè)試檔確定光電二極管的正負(fù)極。 （2） 使用數(shù)字萬(wàn)用表直流電壓量程開(kāi)路電壓Uoc。改變光照條件，觀察Uoc的變化。用數(shù)字萬(wàn)用電表直流電流200A量程（200A檔內(nèi)阻約為1000）粗測(cè)光電流I。改變光照條件，觀察光電流I的變化。 2. 測(cè)量光電二極管處于光伏型模式的光電特性。 令光電二極管工作在零偏壓下，用電阻箱作為負(fù)載電阻，光源使用小燈泡（6.3V，0.15A）。固定小燈泡的工作電流，使燈泡的發(fā)光強(qiáng)度不變。改變小燈泡和光探測(cè)器的距離，利用照度與r2成反比的關(guān)系，測(cè)量光電二極管的光電線性（相對(duì)）。

10、（1） 測(cè)量光電二極管的短路電流與入射光照度的關(guān)系。 （2） 測(cè)量光電二極管的開(kāi)路電壓與入射光照度的關(guān)系。 3. 測(cè)量光電二極管處于光電導(dǎo)模式的光電特性。 連接電路如圖7。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，測(cè)量光電二極管的光電特性。使用數(shù)字萬(wàn)用表直流電壓量程開(kāi)路電壓Uoc。改變光照條件，觀察Uoc的變化。電路連接圖如下所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)處理：用數(shù)字萬(wàn)用電表直流電流200A量程（200A檔內(nèi)阻約為1000）粗測(cè)光電流I。改變光照條件，觀察光電流I的變化。電路連接圖如下所示。數(shù)據(jù)如表一所示：P/mWU/VI/AP/mWU/VI/A00.2240.263.00.2240.260.5 0.2240.263.50.224

11、0.261.0 0.2240.264.00.2240.261.5 0.2240.264.50.2240.262.0 0.2240.265.00.2240.262.5 0.2240.26X=15cm，只改變P的大小時(shí)，開(kāi)路電壓和短路電流的數(shù)據(jù)如下：表一數(shù)據(jù)關(guān)系曲線分別如下：電流與電源功率變化的關(guān)系曲線圖結(jié)論:光電二極管的電流變化與電源功率無(wú)關(guān)。0246-0.50.00.51.0U (V)P (mW) Ud e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m o

12、d e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m o電壓與電源功率變化的關(guān)系曲線圖結(jié)論:光電二極管的電壓變化與電源功率無(wú)關(guān)。P=2.50mW，只改變小燈泡和光探測(cè)器的距離X時(shí)，數(shù)據(jù)如表二所示：表二數(shù)據(jù)關(guān)系曲線分別如下：結(jié)論:短路電流Isc與入射光強(qiáng)近似呈二次函數(shù)關(guān)系，距離X越遠(yuǎn)，電流越大；電流在X為20cm之前，在變化不明顯，X20cm時(shí)呈二次函數(shù)關(guān)系增大

13、，電流變化越明顯。光強(qiáng)即是光電二極管到電源的距離X。X/cm短路電流與入射光強(qiáng)的關(guān)系曲線圖X/cm開(kāi)路電壓與入射光強(qiáng)的關(guān)系曲線圖結(jié)論：開(kāi)路電壓與入射光強(qiáng)呈二次函數(shù)關(guān)系，光電二極管離電源的距離越大，電壓越大。（1） 測(cè)量光電二極管的短路電流與入射光照度的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)電路圖如下所示。（2） 測(cè)量光電二極管的開(kāi)路電壓與入射光照度的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)電路圖如下所示。當(dāng)P=3.00mW，X=24cm時(shí)，測(cè)量光電二極管的光電線性，數(shù)據(jù)如表三所示：表三數(shù)據(jù)關(guān)系曲線分別如下：結(jié)論：在發(fā)光的條件不變的情況下，通過(guò)改變負(fù)載電阻RL的大小，負(fù)載電阻RL越大，電流I越小，兩者成反比的關(guān)系，I=U總/(r+RL),其中r為萬(wàn)用電

14、表的內(nèi)置電阻。負(fù)載電阻RL與電流I的關(guān)系曲線圖結(jié)論：在發(fā)光的條件不變的情況下，通過(guò)改變負(fù)載電阻RL的大小，負(fù)載電阻RL越大，電壓U越大，兩者近似成正比的關(guān)系，U=U總-U總*r/(r+RL)其中r為萬(wàn)用電表的內(nèi)置電阻。負(fù)載電阻RL與電壓U的關(guān)系曲線圖負(fù)載電阻RL變化時(shí)電壓U與電流I的關(guān)系曲線圖結(jié)論：在發(fā)光的條件不變的情況下，通過(guò)改變負(fù)載電阻RL的大小，電壓越來(lái)越大，電流越來(lái)越小。負(fù)載電阻RL與功率的關(guān)系曲線圖結(jié)論：在發(fā)光的條件不變的情況下，通過(guò)改變負(fù)載電阻RL的大小，光電二極管的電功率P隨著負(fù)載電阻RL的增大而增大。前期呈正比變化，越大變化趨勢(shì)逐漸減小。當(dāng)負(fù)載電阻RL=5K且P=3.00mW時(shí)

15、，改變小燈泡與光電二極管之間的距離，測(cè)得的數(shù)據(jù)如表4所示：X/cm I/A U/mVX/cm I/A U/mVX/cm I/A U/mVX/cm I/A U/mVX/cm I/A U/mV10.061.560.082.1110.143.6160.317.9211.1128.220.061.670.092.3120.164.1170.389.7221.6842.730.061.780.12.6130.194.8180.4811.9232.7369.640.071.890.112.9140.225.6190.615.7245.48 133.850.071.9100.123.2150.266.6200.8121258