硅光电池特性研究.docVIP

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MACROBUTTONMTEditEquationSection2SEQMTEqn\r\hSEQMTSec\r1\hSEQMTChap\r1\h硅光电池特性研究

【实验目的】

掌握PN结形成原理及其工作原理；

了解LED发光二极管的驱动电流和输出功率的关系；

掌握硅光电池的工作原理及其工作特性。

【实验原理】

半导体PN结原理

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。

零偏

PN

P

N

反偏正偏

图17-1.半导体PN结在零偏、反偏、正偏下的耗尽区

图17-1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组织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，使势垒削弱，使载流子扩散运动继续形成电流，这就是PN结的单向导电性，电流方向是从P指向N。

LED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。发光波长可由下式确定：

（17-1）

式（17-1）中的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，其发光波长半宽度一般在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的关系由下式决定：

（17-2）

式中η为发光效率，Ep是光子能量，e是电荷常数。

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。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。系统采用的发光二极管驱动和调制电路如图17-2所示。信号调制采用光强度调制的方法，

图17-2.发送光的设定、驱动和调制电路框图

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迭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17-3所示，变化的光信号可用于测定光电池的频率响应特性。

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等的能源。

光电池的基本结构如图4，当半导体PN结处于零偏或反偏时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场，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飘移到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结两端可由式（17-3）确定

（17-3）

式（17-3）中Is为饱和电流，V为PN结两端电压，T为绝对温度，为产生的光电流。从

池输出电压随输入光强度的关系，记录数据，并绘制曲线。

硅光电池伏安特性测定

在硅光电池输入光强度不变时（取发光二极管静态驱动电流为10mA），测量当负载从0~10K的范围内变化时，光电池的输出电压随负载电阻变化关系，记录数据，并绘制曲线。

硅光电池的频率响应

将功能转换开关分别打到“零偏”和“负偏”处，将硅光电池的输出连接到I/V转换模块的输入端。令LED偏置电流为10mA(显示为1000），在信号输入端加正弦调制信号，使LED发送调制光信号，保持输入正弦信号的幅度不变，调节信号发生器频率，用示波器观测并测定记录