硅光电池特性研究.doc

1、硅光电池特性研究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。光电池的种类很多，常见的有硒、锗、硅、砷化镓、氧化铜、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉等。其中最受重视、应用最广的是硅光电池。硅光电池是根据光生伏特效应而制成的光电转换元件。它有一系列的优点：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。所以，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、光能利用等很多领域用作探测元件，得到广泛应用，在现代科学技术中有十分重要的地位。通过实验对硅光电池的基本特性和简单应用作初步的了解和研究，有利于了解使用日

2、益广泛的各种光电器件。具有十分重要的意义。实验目的1掌握 PN 结形成原理及其单向导电性等工作机理。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负载特性。实验仪器THKGD-1 型硅光电池特性实验仪，函数信号发生器，双踪示波器。实验原理1引言目前半导体光电探测器在数码摄像光通信太阳电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深刻理解硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体 PN 结原理光电效应理论和光伏电池产生机理。THKGD-1 型硅光电池特性实验仪主要由半导体发光二极管恒流驱动单元，硅光电池特性测试单元等组成。利用它可

3、以进行以下实验内容：1) 硅光电池输出短路时光电流与输入光信号关系。2) 硅光电池输出开路时产生光伏电压与输入光信号关系。3) 硅光电池的频率响应。4) 硅光电池输出功率与负载的关系。2PN 结的形成及单向导电性采 用 反 型 工 艺 在 一 块 N 型 （ P 型 ） 半 导 体 的 局 部 掺 入 浓 度 较 大 的 三 价 （ 五 价 ） 杂 质 ， 使其 变 为 P 型 （ N 型 ） 半 导 体 。 如 果 采 用 特 殊 工 艺 措 施 ， 使 一 块 硅 片 的 一 边 为 P 型 半 导 体 ， 另 一边 为 N 型 半 导 体 则 在 P 型 半 导 体 和 N 型 半 导

4、体 的 交 界 面 附 近 形 成 PN 结 。 PN 结 是 构 成 各 种 半导 体 器 件 的 基 础 ， 许 多 半 导 体 器 件 都 含 有 PN 结 。 如 图 39-1 所 示 ， 代 表 得 到 一 个 电 子 的 三 价杂 质 （ 例 如 硼 ） 离 子 ， 带 负 电 ； 代 表 失 去 一 个 电 子 的 五 价 杂 质 （ 例 如 磷 ） 离 子 ， 带 正 电 。由 于 P 区 有 大 量 空 穴 （ 浓 度 大 ）， 而 N 区 的 空 穴 极 少 （ 浓 度 小 ）， 即 P 区 的 空 穴 浓 度 远 远 高 于 N区 ， 因 此 空 穴 要 从 浓 度 大

5、的 P 区 向 浓 度 小 的 N 区 扩 散 ， 并 与 N 区 的 电 子 复 合 ， 在 交 界 面 附 近的 空 穴 扩 散 到 N 区 ， 在 交 界 面 附 近 一 侧 的 P 区 留 下 一 些 带 负 电 的 三 价 杂 质 离 子 ， 形 成 负 空 间电 荷 区 。 同 样 ， N 区 的 自 由 电 子 也 要 向 P 区 扩 散 ， 并 与 P 区 的 空 穴 复 合 ， 在 交 界 面 附 近 一 侧 的N 区 留 下 一 些 带 正 电 的 五 价 杂 质 离 子 ， 形 成 正 空 间 电 荷 区 。 这 些 离 子 是 不 能 移 动 的 ， 因 而 在P型 半

6、 导 体 和 N 型 半 导 体 交 界 面 两 侧 形 成 一 层 很 薄 的 空 间 电 荷 区 ， 也 称 为 耗 尽 层 ， 这 个 空 间 电荷 区 就 是 PN 结 。形成空间电荷区的正负离子虽然带电，但是它们不能移动，不参与导电。而在这个区域内，载流子极少，所以空间电荷区的电阻率很高。此外，这个区域内多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，所以空间电荷区有时称为耗尽层。正负空间电荷在交界面两侧形成一个电场，成为内电场，其方向从带正电的 N 区指向带负电的 P 区，如图 39-1 所示。由 P 区向 N 区扩散的空穴在空间电荷区将受到内电场的阻力，而由 N 区向 P 区扩

7、散的自由电子也将受到内电场的阻力，即内电场对多数载流子（P 区的空穴和 N 区的自由电子）的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。空间电荷区的内电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，这是一个方面。但另一方面，内电场对少数载流子（P 区的自由电子和 N 区的空穴）则可推动它们越过空间电荷区，进入对方区域。少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。扩散和漂移是相互联系的，又是相互矛盾的。在开始形成空间电荷区时，多数载流子的扩散运动占优势，但在扩散运动进行过程中，空间电荷区逐渐加宽，内电场逐步加强。于是在一定条件下（例如温度一定） ，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移

8、运动则逐渐增强。最后，载流子的扩散运动和漂移运动达到动态平衡，P 区的空穴（多数载流子）向右扩散的数量与 N 区的空穴（少数载流子）向左漂移的数量相等；对自由电子也是这样。达到平衡后，空间电荷区的宽度基本上稳定下来，PN 结就处于相对稳定的状态。上面讨论的是 PN 结在没有外加电压的情况，这时半导体中的扩散和漂移处于动态平衡。下面讨论在 PN 结上加外部电压的情况。若在 PN 结上加正向电压，即外电源的正极接 P 区，负极接 N 区，也称为正向偏置。此时外加电压在 PN 结中产生的外电场和内电场方向相反，扩散和漂移运动的平衡被破坏。外电场驱使 P 区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，同

9、时 N 区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷。于是整个空间电荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流（正向电流） ，PN 结处于导通状态。PN 结导通时呈现的电阻称为正向电阻，其数值很小，一般为几欧到几百欧。在一定范围内，外电场愈强，正向电流（由 P 区流向 N 区的电流）愈大，这时 PN 结呈现的电阻很低。正向电流包括空穴电流和电子电流两部分。空穴和电子虽然带有不同极性的电荷，但由于它们的运动方向相反，所以电流方向一致。外电源不断的向半导体提供电荷，使电流得以维持。若在 PN 结上加反向电压，即外电源的正极接 N 区，负极接 P 区，也称为反向偏置。此时

10、外加电压在 PN 结中产生的外电场和内电场方向一致，也破坏了扩散和漂移运动的平衡。外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走，使得空间电荷增强，空间电荷区变宽，内电场增强，使多数载流子的扩散运动很难进行。但另一方面，内电场的增强也加强了少数载流子的漂移运动，在外电场的作用下，N 区中的空穴越过 PN 结进入 P 区，P区中的自由电子越过 PN 结进入 N 区，在电路中形成反向电流（由 N 区流向 P 区的电流） 。由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，即 PN 结呈现的反向电阻很高，可以认为PN 结基本上不导电，处于截至状态。此时的电阻称为反向电阻，其数值很大，一般为几千欧到十几兆欧。又

11、因为少数载流子是由于价电子获得热能（热激发）挣脱共价键的束缚而产生的，所以温度变化时少数载流子的数量也随之变化。环境温度愈高，少数载流子的数量愈多，所以温度对反向电流的影响较大。由以上分析可知，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。零偏 负偏 正偏图 39-1 半导体 PN 结在零偏负偏正偏下的耗尽区图 39-1 是 半 导 体 PN 结 在 零 偏 负 偏 正 偏 下 的 耗 尽 区 ， 当 P 型 和 N 型 半 导 体 材 料 结 合 时 ，由 于

12、P 型 材 料 空 穴 多 电 子 少 ， 而 N 型 材 料 电 子 多 空 穴 少 ， 结 果 P 型 材 料 中 的 空 穴 向 N 型 材料 这 边 扩 散 ， N 型 材 料 中 的 电 子 向 P 型 材 料 这 边 扩 散 ， 扩 散 的 结 果 使 得 结 合 区 两 侧 的 P 型 区出 现 负 电 荷 ， N 型 区 带 正 电 荷 ， 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 ， 耗 尽 区 的 特 点 是 无 自

13、由 载 流 子 ，呈 现 高 阻 抗 。 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 电 场 作 用 下 变 窄 ，势 垒 削 弱 ， 使 载 流 子 扩 散 运 动 继 续 形 成 电 流 ， 此 即 为 PN 结 的 单 向 导 电 性 ,电 流 方 向 是 从 P 指向 N。3. 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

14、的光，发光的波长与半导体材料的能级间隙E g有关。发光波长 p可由下式确定：p=hc/Eg （3 9-1）式(3 9-1)中h为普朗克常数，c为光速。在实际的半导体材料中能级间隙E g有一个宽度，因此发光二极管发出光的波长不是单一的，其发光波长宽度一般在2540nm左右，随半导体材料的不同而有差别。发光二极管输出光功率P与驱动电流I的关系由下式确定：P=EpI/e （3 9-2）式(3 9-2)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结不能及时散热，输出光功率可能会趋向饱和。系统采用的发光二极管驱动和调制电路框图如图3 9-2所示

15、。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、电阻网络及运放跟随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3 9-3所示，变化的光信号可用于测定光电池的频率响应特性。图 39-2 发送光的设定、驱动和调制电路框图 图 39-3 LED发光二极管的正弦信号调制原理4硅光电池的工作原理光 电 转 换

16、器 件 主 要 是 利 用 物 质 的 光 电 效 应 ， 即 当 物 质 在 一 定 频 率 的 照 射 下 ， 释 放 出 光电 子 的 现 象 。 当 光 照 射 、 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 溢 出 材 料 表 面 ， 这 种电 子 称 为 光 电 子 ， 这 种 现 象 称 为 光 电 子 发 射 ， 又 称 为 外 光 电 效 应 。 有 些 物 质 受 到 光 照 射 时 ，其

17、内 部 原 子 释 放 电 子 ， 但 电 子 仍 留 在 物 体 内 部 ， 使 物 体 的 导 电 性 增 强 ， 这 种 现 象 称 为 内 光电 效 应 。光 电 二 极 管 是 典 型 的 光 电 效 应 探 测 器 ， 具 有 量 子 噪 声 低 、 响 应 快 、 使 用 方 便 等 优 点 ， 广泛 用 于 激 光 探 测 器 。 外 加 反 偏 电 压 与 结 内 电 场 方 向 一 致 ， 当 PN 结 及 其 附 近 被 光 照 射 时 ， 就 会产 生 载 流 子 （ 即 电 子 -空 穴 对 ） 。 结 区 内 的 电 子 -空 穴 对 在 势 垒 区 电 场 的 作

18、 用 下 ， 电 子 被 拉 向 N 区 ，空 穴 被 拉 向 P 区 而 形 成 光 电 流 。 同 时 势 垒 区 一 侧 一 个 扩 展 长 度 内 的 光 生 载 流 子 先 向 势 垒 区 扩散 ， 然 后 在 势 垒 区 电 场 的 作 用 下 也 参 与 导 电 。 当 入 射 光 强 度 变 化 时 ， 光 生 载 流 子 的 浓 度 及 通过 外 回 路 的 光 电 流 也 随 之 发 生 相 应 的 变 化 。 这 种 变 化 在 入 射 光 强 度 很 大 的 动 态 范 围 内 仍 能 保持 线 性 关 系 。硅光电池是一个大面积的光电二极管，它被设计用于把入射到它表面

19、的光能转化为电能，因此，可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等的能源。光电池的基本结构如图3 9-4所示，当半导体PN结处于零偏或负偏时，在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（3 9-3）式(3 9-3)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为玻耳兹曼常量，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。 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

20、场作用下分 别飘移到N型区和P 型区，当在PN结两端加负载时就有一 图3 9-4 光电池结构示意图光生电流流过负载。流过PN结两端的电流可由式（3 9-4）确定：）（ 439 I 1expI)1( ps kTVeIpkTVs1kTeVxpI)1e(IskTVs此式表示硅光电池的伏安特性。式 （ 39-4） 中 I为 流 过 硅 光 电 池 的 总 电 流 ,Is为 反 向 饱 和 电 流 ， V为 PN结 两 端 电 压 ， T为 工 作 绝对 温 度 ， Ip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

21、结 的 电流 I=Ip； 当 光 电 池 处 于 负 偏 时 （ 在 本 实 验 中 取 V=-5V） ， 流 过 PN结 的 电 流 I=Ip+Is。 因 此 ， 当 光 电池 用 作 光 电 转 换 器 时 ， 光 电 池 必 须 处 于 零 偏 或 负 偏 状 态 。比较（3 9-3）式和（3 9-4）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。光电池处于零偏或负偏状态时，产生的光电流I p与输入光功率P i有以下关系：式（3 9-5）中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，在长波长处要求入射

22、光子的能量大于材料的能级间隙E g，以保证处于介带中的束缚电子得到足够的能量被激发到导带，对于硅光电池其长波截止波长为 c=1.1m，在短波长处也由于材料有较大吸收系数使 R值很小。图 39-5是 光 电 池 光 电 信 号 接 收 端 的 工 作 原 理 框 图 ， 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转 换 模 块 把 光 电 流 信 号 转 换 成 与 之 成 正 比 的 电 压 信 号 。 比 较 光 电池 零 偏 和 反 偏 时 的 信 号 ， 就 可 以 测 定 光 电 池 的 饱 和 电 流 Is。 当

23、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 ， 据 此 可 通 过 示 波 器 测 定 光 电 池 的 频 率 响 应 特 性 。5硅光电池的负载特性光电池作为电池使用如图3 9-6所示。在内电场作用下，入射光子由于内光电效应把处于介带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压，在光电池两端加一个负载就会有电流流过，当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。实验时可改变负载电阻R L的值来测定硅光电池的伏安特性。图3 9-5 光电池光电信号接收框图 图3 9-6 硅光电池伏安特性的测定）（ 539 ipPI硅光电池特性实验仪板面图图39-7 硅光电池特性实验仪框图思考题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？