硅光电池实验

1、硅光电池的线性响应【实验目的】1. 了解光电池线性响应的实用意义；2. 学习和掌握测定硅光电池线性工作范围的一种方法。【实验仪器】溴钨灯，尼科尔棱镜（或偏振片）一对，硅光电池，灵敏电流计，电阻箱二只，直流稳压电源，聚光透镜，电键【实验原理】硅光电池是利用光生伏打效应设计的一种半导体光电探测器，其特点是不需要外加电源。硅光电池的结构如图1(a) 所示。半导体硅受光照时，硅中形成电子空穴对，电子被结电压吸入半透明金属膜，因而结电压降低，金属膜变成负电势，金属基极对透明金属膜层为正电势， 这个电势差值与入射光通量有关。如果用导线接入电流计，就会产生光电流。如果光电流的大小与入射光通量有线性关系，则用

2、光电池探测光信号强度，可进行客观、 准确而不失真的测量。图 1线性响应是光电探测器的重要性能指标之一，也是实际使用光电池时必须保持的正常工作条件。 但是在测量各种光信号的强度时，信号强度变化幅度可能较为悬殊，因此使用光电池前，必须了解它的线性响应的强度范围。硅光电池的等效电路如图1(b) 所示。它与电池一样有一个内阻R ，同时还相当于一个平板电容C， C 与 R 并联， R 表示硅光电池的负载电阻，当入射光通量照射到硅表面时，产生光电流为i ，其中一部分i 1 流过 R ，另一部分 i 2 流过 R，则ii1i2（ 1）而在外电路中测量到的光电流为i 2，因光电池的积分灵敏度为Si（2）1i2

3、S R(RR)（ 3）因此可计算得由于半导体的特性， 硅光电池的内阻R 随入射光通量而变，增大时， R 变小（一般 R 数值在几千到几十万欧姆范围内）。严格地讲， i 2 与无线性关系， 而当 R 较小时， R的变化对i 2 影响较小， i 2 与接近线性关系。因此，在实际使用中，要选用低内阻的电流计作测量仪表，或用补偿平衡电路。如图 2 所示，平行光通过起偏棱镜N1 后，形成强度为I 0 的平面偏振光， 其偏振方向平行于棱镜的主截面，如果使该平面偏振光再通过检偏器棱镜N2，由马吕斯定律可知，通过N2 的透射光强I 为II 0 cos2（ 4）式中为两偏振棱镜主截面之间的夹角。由（18-4 ）

4、式可见，透过 N2 的光强随的不同而变化。 现将该透射光照射在光电池上，假设硅光电池的工作范围处于线性响应区域，则由硅光电池产生的光电流i 应与入射光的强度I 成正比，即 i=c 1I ，将此关系代入式（18-4 ），得ic2 cos2(c2c1I 0 )（ 5）将上式两侧取对数，则lg ilg c22lg cos（ 6）即变量（ lg cos ）和（ lg i ）间在 ic1 I 成立条件下，存在线性关系，且斜率为 2。测量不同角时的电 流 值 i, 作lg i lg cos图线，一般它为曲线，但其中有一段是斜率为 2 的直线，该段直线对应的电流变化范围，就是该硅光电池的线形工作区域。图 2

5、【实验内容】1. 按图 3 安置实经透镜 L 后射出平行到待测硅光电池 Pc 上，值。验装置，光源S 为溴钨灯，光，经过尼科尔棱镜，照射灵敏电流计G 显示出光电流图 322. 由于半导体硅的固有特性，硅光电池的内阻随入射光强增大而减少，硅光电池产生的光电流除与入射光强有关外，还与外电路负载电阻有关。根据光电池的等效电路分析可知，外负载电阻愈小，光电池的线性响应愈高。若用灵敏电流计显示，则外负载电阻即电流计内阻 Rg ，所以应选用低内阻的灵敏电流计。在具体测量时，光电流变化范围较大，须改变电流表的量程， 为使量程改变时外接电阻总阻值不变，可采用图3 所示的电路， 即先将 R 与Rg1串联，再和

6、R2 并联后接入光电池电路，当满足关系式R1( n1) Rg（ 7）R2n1 Rgn（ 8）时，光电池外负载电阻总值不变。式中 n 为电流计量程的扩大倍数，一般选 n=3,10,30,100,等。1 测定硅光电池的线性工作范围（ 1）调节光路，使之共轴。（ 2）转动尼科尔棱镜， 使两棱镜 N1 和 N2 的主截面正交， 这时灵敏电流计的指示应为零，但由于漏电流和背景杂散光的干扰， 电流计的示值一般不为零， 可通过改变电流计的零点扣除此项影响。（ 3）固定光源的工作电压，保持一定的光照度。从消光位置开始，逐次改变值，测出相应光电流 i, 作 lg i lg cos曲线，确定斜率为2 的直线段对应的电流变化范围。（ 4）提高光源的工作电压，尽量扩大光强变化范围，再作lg ilg cos曲线。（ 5）换用高内阻的电流计，再测lg ilg cos曲线，与步骤（3）、（ 4）结果比较，以观察外负载电阻对光电池线性响应的影响。（扩大量程的R1、R2 值是否不变？） 。（ 6）用照度计测定光电池受光面处的光照强度， 标定与光电池线性工