1、KGD- 型 硅光电池特性实验仪使用说明书西安超凡光电设备有限公司 联系电话：（029）822210221西安超凡光电设备有限公司KGD-型硅光电池特性实验仪一、实验目的1了解和研究硅光电池的主要参数和基本特性，自己设计、连接光路和电路进行实验操作。2研究硅光电池在光照下产生的光电流，光伏电压与输入光信号的关系。3研究硅光电池的输出特性。4测定硅光电池的频率响应。二、仪器组成实验仪由发光二极管的驱动和调制电路，发送光强度指示，硅光电池及I/V 转换模块、接收光强度指示、电阻箱等组成。KGD-型在型的基础上增加了函数信号发生器，将实验配套设备减少到只需一台双踪示波器。三、实验原理1、引言硅光电池
2、是一种能量转换器，它能直接把光能转换为电能。它也是一种将变化的光信号直接转换成相应变化的电信号的光电转换器件。硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元。硅光电池具有光电转换效率高、性能稳定、使用寿命长、重量轻、耐高温辐射、光谱范围宽、频率响应好、使用方便等优点。在数码摄像、光通信、太阳能电池等领域得到广泛应用，在现代科学技术中占有十分重要的地位。2、硅光电池的工作原理光电转换器件主要是利用物质的光电效应。当光照射金属、金属氧化物或半导体材料的表面时，会被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够大，吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而产生电子空穴对。图 1 是普通 N/P型硅光电池结构示意图。当
3、半导体 PN 结处于零偏或负偏时，它们的结合面耗尽区存在一内电场。当没有光照射时，光电二极管相当于普通的二极管。其伏安特性是西安超凡光电设备有限公司 联系电话：（029）822210222(1)1exp1KTVIeIskTvs式（1）中 I 为流过二极管的总电流，I s为反向饱和电流，e 为电子电荷，k 为波尔兹曼常量，T 为工作绝对温度，V 为加在二极管两端的电压。对于外加正向电压，I 随 V 指数增长，称为正向电流；当外加电压反向时，在反向击穿电压之内，反向饱和电流基本上是个常数。图 1 光电池结构示意图当有光照时，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
4、下分别飘移到 N 型区和 P 型区，从而产生光伏电压。当在 PN 结两端加负载时就有一光生电流流过负载。流过 PN 结两端的电流可由式（2）确定：（2）PsPkTevs IKTeVII 1xp1此式表示硅光电池的伏安特性。式（2）中，I p为产生的反向光电流。从式中可以看到，当光电池处于零偏时，V=0，流过 PN 结的电流 I=Ip；当光电池处于负偏时（例如取 V=-5V） ，流过 PN 结的电流 I=Ip+ISO。因此，当光电池用作光电转换器件时，光电池必须处于零偏或负偏状态。比较（1）式和（2）式可知，硅光电池的伏安特性曲线相当于把普通二极管的伏安特性曲线向下平移。硅光电池的伏安特性曲线如
5、图 2 所示。当电池不受光照时，起一个二极管的作用，外加电压与电流间的关系称为光电池的暗特性。光电池的正向电阻与反向电阻相差很大。光电池的电阻不仅在受光照时与未受光照时不同，而且还受入射光强度不同而变化，入射光强度越大，光电池电阻越小。西安超凡光电设备有限公司 联系电话：（029）822210223如果光照恒定，当光电压增加到 PN 结的正向电流全部抵消了光电流时，光电压不再增大，达到一稳定状态，与之相对应的光生电压称为光电池的开路电压，用 Uoc表示，如图 2 所示。图中 Isc为光电池的短路电流。光电池两端短路时，光生电流全部流入外电路，不可能在 P-N 结两边形成载流子的积累，光电压为零
6、。这时通过外电路的电流称为短路电流。它是光电池在一定光照射下，外电路中所能得到的最大电流，在不考虑其它损耗的情况下，短路电流ISC与光电流 IL相等。理论分析表明，短路电流 ISC随光强线性增加，而开路电压 UOC随光强呈对数增加。如图 3 所示。图 2 硅光电池的 IU 特性曲线西安超凡光电设备有限公司 联系电话：（029）8222102243、硅光电池的输出特性在一定的光照条件下，硅光电池的输出特性曲线如图 4 所示。当硅光电池通过负载 RL闭合后，R L从 0 变到无穷大时，输出电压则从 0 变压 Uoc，同时输出电流从 Isc变到 0，由此可得电池的输出特性曲线。曲线上任何一点都可以作
7、为工作点，工作点所对应的纵横座标，即为工作电流和工作电压。两者的乘积P=IU （3）为电池的输出功率，I mp、U mp为该电池的最佳工作点，故最大输出功率为Pmax=ImpUmp （4）四、实验内容与步骤1、硅光电池特性实验仪电路硅光电池特性实验仪框图如图 5 所示。超高亮度发光二极管（LED）在可调电流和调制信号驱动下发出的光照射到光电池表面，偏置选择开关可分别打到零偏、负偏或负载。图 5 硅光电池特性实验仪框图某些半导体材料形成的 PN 结加正向电压时，空穴和电子在 PN 结复合时将产生特定波长的光。用这种材料制成发光二极管。LED 输出的光功率 P 与驱动电流的关系由式（5）确定：P=
8、E pI/e （5）式（5）中， 为发光效率，E p为光子能量，e 为电子电荷常数。输出光功率与驱动电流呈线性关系，当电流较大时由于 PN 结不能及时散西安超凡光电设备有限公司 联系电话：（029）822210225热，输出光功率可能会趋向饱和。实验仪采用的发光二极管驱动和调制电路框图如图 6 所示。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。信号调制采用光强度调制的方法，发送光强度调节器用来调节流过LED 的静态驱动电流，从而改变发光二极管的发射光功率。设定的静态驱动电流调节范围为 020 毫安，对应面板上的光发送强度驱动显示值为 02000 单位。正弦调制信号经电容、电
9、阻网络及运放跟随器隔离后耦合到放大环节，与发光二极管静态驱动电流叠加后使发光二极管发送随正弦波调制信号变化的光信号，如图 7 所示，变化的光信号可用于测定光电池的频率响应特性。 图 6 发 送 光 的 设 定 、 驱 动 和 调 制 电 路 框 图 图 7 LED 发 光 二 极 管 的 正 弦 信 号 调 制 原理图 8 是光电池光电信号接收端的工作原理框图。在零偏或负偏状态下，光电池把接收到的光信号转变为与之成正比的电流信号，再经 I/V 变换器把光电流信号转换成正比的电压信号。当发送的光信号被正弦信号调制时，则光电池输出电压信号中将包含正弦信号，比较光电池零偏和反偏时的信号，据此可通过示
10、波器测定光电池的频率响应特性。西安超凡光电设备有限公司 联系电话：（029）822210226图 8 光电池光电信号接收框图2、测量硅光电池零偏和负偏时光电流与输入光信号关系特性将硅光电池输出端连接到 I/V 变化器的输入端，将 I/V 变化器的输出端连接到数字电压表头的输入端。打开电源，调节发送光强度旋钮，将发光二极管静态驱动电流由 0 逐渐变化到 20mA（相应于发光强度指示 02000） ，将偏置选择开关分别打到零偏和负偏。分别测定光电池在零偏和负偏时，光电流与发送 LED 光强度的关系。记录数据并在同一张光格纸上作图，比较硅光电池在零偏和负偏时两条曲线的关系，求出硅光电池的饱和电流 I
11、so（为两条曲线数据之差） 。做出的图形为两条幅度不同大小的曲线，根据具体情况取几个点求平均值即可。3、测定硅光电池输出接恒定负载时产生的光伏电压与输入光信号的关系将偏置选择开关打到“负载”处，将硅光电池输出端连接恒定负载电阻（如电阻箱取 10K）和数显电压表。从 020mA（指示 02000）调节流过LED 的静态驱动电流，实验测定光伏电压随发送光强度变化的关系曲线。4、测定硅光电池的输出特性（V-I 特性）实验电路的连接同上。在硅光电池输入光强度不变时（取 LED 静态驱动电流为 15mA） ，测量当负载从 099990K 的范围内变化时，记录光电池的输出电压随负载变化的数据，由相应的电压
12、和电阻值计算出光电池输出的光电流值，依据电流和电压值在方格纸上绘出硅光电池的输出特性。并根据曲线的趋向确定其开路电压 Uoc和短路电流 Isc的大小。5、测量硅光电池频率响应将偏置选择开关分别打到“零偏”和“负偏”处，将硅光电池输出连接到I/V 转换器的输入端。调节 LED 偏置电流为 10mA（指示为 1000）给 LED 输入端加正弦调制信号，使 LED 发送调制的光信号，用双踪示波器 CH1 路监测发送西安超凡光电设备有限公司 联系电话：（029）822210227信号，用 CH2 观测 I/V 变换器的输出信号。旋转“幅值”旋钮，使 CH1 测得的正弦信号不失真。由低到高逐渐增加函数发
13、生器频率，同时调节“幅值”旋钮，保持输入正弦信号的幅值不变，用示波器观测并记录发送光信号的频率变化时，光电池输出信号幅度的变化，测定光电池在零偏和负偏条件下的幅频特性，并测定其截止频率。将测量结果记录在数据表格中，比较光电池在零偏和负偏条件下的实验结果，分析原因。说明书最后附有仪器的面板图，光发送单元、光路单元、接收单元、电阻箱、函数发生器（信号源）等各自独立，实验者可自行连接，以完成实验内容。五、思考题1、光电池在工作时（用作光电探测器）为什么要处于零偏和负偏？2、光电探测器的响应与投射到探测器上的光强有无关系？3、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？如何获得高电压大电流输出的光电池？西安超凡光电设备有限公司 联系电话：（029）822210221零 偏 负 偏 负 载频 率 计 光 路 单 元发 光 二 极 管 硅 光 电 池 输 出光源驱动与调制光 强 度 幅 度调 制 信 号输 入 断 发 送 监 测发 送 单 元波 段 频 率信 号 源 负 载 电 阻 ?电 源 开 关开 关偏 置 电 压 量 程接 收 单 元西 安 超 凡 光 电 设 备 有 限 公 司光 电 流 输 入 电 压 输 出 输 出 监 测接 收 光 强 度发 送 光 强 度 型硅 光 电 池 特 性 实 验 仪 转 换 光 强 度
