光伏探测器光电特性实验讲义

光伏探测器光电特性实验

光电二极管与光电池是根据光伏效应制成的pn 结光电器件，短路电流与入射光强成正比是其一个突出优点，在精确测量光强时常用作光探测器。光敏电阻是基于光电导效应原理工作的半导体光电器件，灵敏度高，体积小，重量轻，常用于自动化技术中的光控电路。

【实验目的】

1. 观测光电二极管的光电特性；

2. 观测光电池的光电特性。

【仪器仪器】

光电二极管，光电池，直流电源，小灯泡（6V ，0.15A ），数字万用电表两块（其中一块表有直流电流200A μ量程），电阻箱，实验暗箱等。如图1所示。

图1 光伏探测器光电特性实验仪实验装置

技术指标

1．直流电源 0-4V 连续可调，显示分辨率0.01V ； 2．电阻箱

0-99999.9Ω可调，分辨率0.1Ω； 3．数字万用表 电流测量分辨率0.01A μ（20A μ档）； 4．光敏电阻 暗电阻大于4M Ω；

5．小灯泡

额定电压6.3V ，额定电流0.1A 。

6. 传感器移动范围 约17cm

【实验原理】

1. 光伏效应

当光照射在pn 结上时，由光子所产生的电子与空穴将分别向n 区和p 区集结，使pn 结两端产生

电动势。这一现象称为光伏效应，如图2所示。利用半导体pn 结光伏效应可制成光伏探测器，常用的光伏探测器有光电池、光电二极管、光电三极管等。

光电池是根据光伏效应制成的pn 结光电器件。不需要加偏压就可以把光能转化为电能。光电池的用途，一是用作

探测器；二是作为太阳能电池，将太阳能转化为电能。光电池的结构示意图及应用电路如图3所示。

光电池的光照特性主要有伏安特性、入射光强-电流（电压）特性和入射光功率-负载特性。 2.

光照下的pn 结特性 光照下pn 结的伏安特性曲线如图4所示。无光照时，pn 结的伏安特性曲线和普通二极管的一样。有光照时，pn 结吸收光能，产生反向光电流，光照越强，光电流越大。

光伏器件用作探测器时，需要加反偏压或是不加偏压。不加偏压时，光伏器件工作在图4的第四象限，称为光伏

图2 pn 结光伏效应原理图

（b ）

（a ）

图3 光电池的结构示意图（a ）及基本应用电路（b ）

图4 光伏探测器的伏安特性曲线

工作模式。加反偏压时，光伏器件工作在图4的第三象限：无光照时电阻很大，电流很小，有光照时，电阻变小，电流变大，而且电流随光照变化，光照特性类似于光敏电阻，称作光电导工作模式。但是光伏器件和光敏电阻的工作机理不同，特性也有很大差别。

光电池按照光伏模式工作在图4的第四象限。有光照时光电池的电流为

/(1)qU kT L s I I I e =--，

（1）

式中q 为电子电荷量，k 为玻尔兹曼常数，T 为结温（单位为K ），I 为总电流，U 为光电池的输出电压，I s 为反向饱和电流，I L 为光电流。光生电流I L 与光照有关，随光照的增大而增大，呈线性关系。

3. 光电池的开路电压和短路电流

在pn 结开路时，总电流为零，光电池的输出电压称为开路电压U OC 。将0I =代入式（1），即可得到开路电压U OC 与光照E 的对数成正比。如果将pn 结短路，输出电压为零，将0U =代入式（1），即可得到短路电流I sc 与入射光照度E 成正比。从图4的伏安曲线上也可以得到U OC 和I sc ，伏安曲线与电压轴的交点为开路电压U OC ，与电流轴的交点为短路电流I sc 。光电池的短路电流和开路电压与入射光照度的关系如图5所示。

短路电流I sc 与入射光强成正比是光电池的一个突出优点，因而在精确测量光强时常用光电池作为光探测器。实际测量时都要外接负载电阻R L ，当R L 相对于光电池的内阻很小时，可以认为接近短路。显然，负载愈小，光电流与照度之间的线性关系愈好，且线性范围愈宽。

4. 光电池的输出功率和负载特性

光电池作为电源使用时，其输出功率与负载电阻R L 有关。光电池工作在零偏压下，因此其伏安

图6 硅光电池的光照伏安特性曲线

图5 光电池的开路电压、短路电流与入射光强的关系

曲线（图6）是在某一光照下，取不同负载电阻R L 测得的输出电压和输出电流绘制而成。

由输出电压和电流数据，可计算得到光电池的输出功率P 和负载电阻R L ，作输出功率P 与负载电阻R L 的关系曲线，即可得到光电池的最大输出功率P max 及相应的负载电阻R L ，max 。

5. 光电二极管

光电二极管的结构与一般二极管相似，管子封装在透明玻璃外壳中，它的pn 结装在管顶，便于接受光的照射。光电二极管的光照特性如前所述，没有光照时，光电二极管的反向电阻很大，反

向电流很小（一般为纳安数量级），光电二极管处于截止状态；受光照时光电二极管处于导通状态，光电流的方向与反向电流一致，光线越强，光电流越大。

光电二极管可以按光电伏型模式工作（即不加外偏压），也可以按光电导型模式工作（外加反向偏压）。硅光电二极管通常

用作检测元件，工作在负偏压下，其光电线性好，而且响应快。基本应用电路如图7所示。

【实验内容】

1. 观察光电二极管的光电特性。

（1） 用数字万用电表二极管测试档确定光电二极管的正负极。

（2） 使用数字万用表直流电压量程开路电压U OC 。改变光照条件，观察U OC 的变化。用数字万用电表直流电流200A μ量程（200A μ档内阻约为1000Ω）粗测光电流I 。改变光照条件，观察光电流I 的变化。

2. 测量光电二极管处于光伏型模式的光电特性。

令光电二极管工作在零偏压下，用电阻箱作为负载电阻，光源使用小灯泡（6.3V ，0.15A ）。固定小灯泡的工作电流，使灯泡的发光强度不变。改变小灯泡和光探测器的距离，利用照度与2

r 成反比的关系，测量光电二极管的光电线性（相对）。

（1） 测量光电二极管的短路电流与入射光照度的关系。 （2） 测量光电二极管的开路电压与入射光照度的关系。 3. 测量光电二极管处于光电导模式的光电特性。

连接电路如图7。设计实验方案，测量光电二极管的光电特性。

图7 光电二极管基本应用电路