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实验七 硅光电池特性 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，有利于了解使用日益广泛的各种光电器件。具有十分重要的意义。 【】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。 【】THKGD-1型硅光电池特性实验仪。 2．函数信号发生器。 3．双踪示波器。 【】1．引言 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。 2．PN结的形成及单向导电性 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7-1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。 零偏 负偏 正偏 图-1 半导体PN结在零偏﹑负偏﹑正偏下的耗尽区 图7-1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。 ，g有关。发光波长λp可由下式确定： λp=hc/Eg （1） 式（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Eg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25～40nm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=ηEpI/e （2） 式（2）中，η为发光效率，Ep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2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0～20毫安，对应面板上的光发送强度驱动显示值为0～2000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所示，变化的光信号可用于测定光电池的频率响应特