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能力拓展实训课程报告 院 系 专 业 班 级 姓 名 班级学号 指导教师 二零一六年十二月 硅光电池特性测试及其变换电路 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，它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能，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的能源。 光电池的基本结构如图4-2，当半导体PN结处于零偏或反偏时，在它的结合面耗尽区存在一内电场，当有光照时，入射光子将处于价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。流过PN结两端的电流可由式1确定 图4-2 光电池结构示意图 式1： （1） 式1中Is为饱和电流，V为PN结两端电压，T为绝对温度，Ip为产生的光电流。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；当光电池处于反偏时（本实验取V=-5V），流过PN结的电流I=Ip-Is，因此，当光电池用于光电转换器时，光电池必须处于零偏或反偏状态，光电池处于零偏或反偏状态时，产生的光电流Ip与输入光功率Pi有以下关系 Ip = RPi （2） 式（2）中R为响应率，R值随入射波长的不同而变化，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光子的能量大于材料的能量间隙Eg，以保证处于价带中的束缚电子得到足够的能量被激发到导带，对于硅光电池其截止波长 1.1um，在短波长处也由于材料有较大吸收系数使R值很小。 硅光电池基本结构： 目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太阳能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﹑光电效应和光伏电池产生机理。 图4-1是半导体PN结在零偏﹑反偏﹑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 实验分步： 1） 短路电流测试； 2） 开路电压测试； 3） 伏安特性测试； 4） 负载特性； 5） 光谱特性测试； 使用仪器： 光源驱动模块， 光电传感器系统实验台， 负载模块， 光通路组件 实验步骤： 1、短路电流特性测试 （1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极）， 将光源驱动模块上 J1 与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。将实验台的“+5V”“⊥”“-5V” 对应接到光源驱动模块上的“+5V”“GND”“-5V”。 （2）将三掷开关 BM2 拨到“静态”，将拨位开关 S1 拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7 均拨下。 （3）按图4-10所示的电路连接电路图。 （4）打开电源，顺时针调节光照度调节旋钮，使照度依次为下表所列值，分别读出电流表读 数，填入下表，关闭电源。 光照度（lx） 0 100 200 300 400 500 600 光生电流（uA） 0 18.5 29.5 50.1 65.5 82.1 92.1 （5）将“光照度调节”旋钮逆时针调节到最小值位置后关闭电源。 （6）上表中所测得的电压值即为硅光电池在相应光照度下的短路电流。 （7）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。 2、开路电压特性测试： （1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极）， 将光源驱动模块上 J1 与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。将实验台的“+5V”“⊥”“-5V” 对应接到光源驱动模块上