大学物理实验实验31 硅光电池实验马红

实验目的
1．掌握PN结的形成原理及其工作机理；
2．了解LED发光二极管的驱动电流和输出 光功率的关系；
3．掌握硅光电池的工作原理及其工作特性。
实验仪器
1. TKGD-1硅光电池特性 实验仪 2. 信号发生器 3. 示波器
仪器介绍
• TKGD－1型硅光电池特性实验仪

TKGD－1型硅光电池特性实验仪
实验背景
光电池是一种光电转换元件，它不需外加电 源而能直接把光能转换为电能硅光电池是根据光 生伏特效应而制成的光电转换元件性能稳定，光 谱响应范围宽，转换效率高，线性相应好，使用 寿命长，耐高温辐射，光谱灵敏度和人眼灵敏度 相近等。它在分析仪器、测量仪器、光电技术、 自动控制、计量检测、计算机输入输出、光能利 用等领域用作探测元件，得到广泛应用
λ＝h c / Eｇ
发光二极管输出光功率P与驱动电流I的关系： P = ηEp I/ e 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。
图示.LED发光二极管的正弦信号调制原理
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实验内容
一、 硅光电池零偏和反偏时光电流与输入光信号 关系特性测定
将硅光电池输出端连接到I / V转换模块输入端，将I /
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（R分别取1KΩ和 10KΩ）和数字电压表，调节发光二极管静态驱动 电流，测定光电池输出电压随输入光强度的关系 曲线。
三、 硅光电池伏安特性测定
输入光强度不变时（驱动电流分别取5 mA
和15mA），测定当负载在 0.5kΩ～9.5kΩ的范围
V转换模块输出端连接到数字电压表头的输入端，调节发 光二极管静态驱动电流，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。在5~15mA内等间距各测10组 数据。比较零偏和反偏时的两条曲线，求出光电池的饱和 电流Is 。
1 10 I S I 零偏 I 反偏 10 i=1
二、 硅光电池池输出拉接恒定负载时产出的 光伏电压与输入光信号关系测定
光 电 池 结 构 示 意 图
（1） PN结两端的电流：
I I s (e
ev / KTຫໍສະໝຸດ 1) I P光电池处于零偏时，V＝0，流过PN结的电流I＝－ IP ；光电池处于反偏时（实验中取V ＝－5V），流过 PN结的电流I ＝－IP- Is ，当光电池用作光电转换器 时，必须处于零偏或反偏状态。
硅光电池实验
物理实验教学中心 马红
实验背景
光电池是一种光电转换元件，它不需要外加电 源而能直接把光能转换为电能。硅在阳光下的光电 转换效率最高,所以通常把这类器件称为“太阳能电 池”也称“光伏电池”。硅光电池是根据光生伏特 效应而制成的光电转换元件。太阳能光伏发电,是迄 今为止最美妙、最长寿、最可靠的发电技术。太阳 能电池除用于人造卫星和宇宙飞船等领域外, 它主 要在分析仪器，测量仪器、光电技术、自动控制、 计量检测、光能利用等很多领域用作探测元件，其 广泛应用于现代科学技术中。光电池还用于许多民 用领域,如光电池汽车、光电池收音机、光电池计算 机和光电池电站等现代科学技术中占有十分重要的 地位。因此,太阳能光伏发电有望成为21世纪的重 要新能源。
图示.发送光的设定、驱动和调制电路框图
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（2）光电流IP与输出光功率Pi之间的关系：
I P RPi
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。
三、 发光二极管（LED）的工作原理
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：
内变化时，光电池的输出电压随负载电阻变化关
系曲线。
思考题
• 1．光电池在工作时为什么要处于零偏或负偏？ • 2．光电池用于线性光电探测器时，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？ • 5．如何获得高电压、大电流输出的光电池？
实验原理
一 PN结的形成及工作原理
当P型和N型半导体材料结合时，P 型（ N型 ）材料中的空穴（电子）向N 型（ P 型）材料这 边扩散，扩散的结果使得结合区形成一个势垒， 由此而产生的内电场将阻止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。 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 区在外加电场作用下变窄，势垒削弱。
实验原理
一．PN结的形成及单向导电性
PN结具有单向导电性。在PN结上加正向电压时， PN结电阻很低，正向电流较大，PN结处于正向导通状态； 加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小， PN结处于截至状态。
二、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，它可把入射到 它表面的光能转化为电能。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 内电场作用下分别漂移到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。