硅光电池特性测试实验报告

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系别：电子信息工程系班级：光电08305班组长：祝李组员：贺义贵、何江武、占志武试验时间：2021年4月2日指导老师：王凌波

2021.4.6

目

录

一、试验目的

二、试验内容

三、试验仪器

四、试验原理

五、留意事项

六、试验步骤

七、试验数据及分析

八、总结

一、试验目的

1、学习把握硅光电池的工作原理

2、学习把握硅光电池的基本特性

3、把握硅光电池基本特性测试方法

4、了解硅光电池的基本应用

二、试验内容

1、硅光电池短路电路测试试验

2、硅光电池开路电压测试试验

3、硅光电池光电特性测试试验

4、硅光电池伏安特性测试试验

5、硅光电池负载特性测试试验

6、硅光电池时间响应测试试验

7、硅光电池光谱特性测试试验

设计试验1：硅光电池光控开关电路设计试验

设计试验2：简易光照度计设计试验

三、试验仪器

1、硅光电池综合试验仪

1个

2、光通路组件

1只

3、光照度计

1台

4、2#迭插头对（红色，50cm）

10根

5、2#迭插头对（黑色，50cm）

10根

6、三相电源线

1根

7、试验指导书

1本

8、20m示波器

1台

四、试验原理

1、硅光电池的基本结构

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详细使用特性可以进一步领悟半导体pn结原理﹑光电效应理论和光伏电池产生气理。

图2-1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型材料这边集中，n型材料中的电子向p型材料这边集中，集中的结果使得结合区两侧的p型区消失负电荷，n型区带正电荷，形成一个势垒，由此而产生的内电场将阻挡集中运动的连续进行，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结零偏反偏正偏图2-1.半导体pn结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区

反偏时，外加电场与内电场方向全都，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，势垒减弱，使载流子集中运动连续形成电流，此即为pn结的单向导电性,电流方向是从p指向n。

2

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2-2，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结两端的电流可由式1确定

式（1）中is为饱和电流，v为pn结两端电压，t为肯定温度，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，）

（1

)1(pktevsieii(2)

iprpi图2-2.光电池结构示意图

流过pn结的电流i=ip；当光电池处于反偏时（在本试验中取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，光电池必需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：

3

(1)短路电流

apn结电极aii(a)(b)硼集中层sio2膜p型电极n型硅片

图2-3硅光电池短路电流测试

如图2-3所示，不同的光照的作用下，毫安表如显示不同的电流值。即为硅光电池的短路电流特性。

(2)开路电压

vpn结电极vii(a)(b)硼集中层sio2膜p型电极n型硅片图2-4

硅光电池开路电压测试

如图2-4所示，不同的光照的作用下，电压表如显示不同的电压值。即为硅光电池的开路电压特性。

(3)光照特性

光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们

之间的关系就是光照特性，如图2-5。

图2-5硅光电池的光照电流电压特性

(4)伏安特性

如图2-6，在硅光电池输入光强度不变时，测量当负载肯定的范围内变化时，光电池的输出电压及电流随负载电阻变化关系曲线称为硅光电池的伏安特性。

va图2-6硅光电池的伏安特性测试

(5)负载特性(输出特性)

光电池作为电池使用如图2-7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。试验时可改0.3

0.2

0.1

0

光

生

电

流

/

m

a

0.6

0.4

0.2

0

2000

4000

短路电流

开路电压

光

生

电

压

/

v

光照度

/lx

变负载电阻rl的值来测定硅光电池的负载特性。

图2-7

硅光电池负载特性的测定

在线性测量中，光电池通常以电流形式使用，故短路电流与光照度（光能量）呈线性关系，是光电池的重要光照特性。实际使用时都接有负载电阻rl，输出电流il随照度（光通量）的增加而非线性缓慢地增加，并且随负载rl的增大线性范围也越来越小。因此，在要求输出的电流与光照度呈线性关系时，负载电阻在条件许可的状况下越小越好，并限制在光照范围内使用。光电池光照与负载特性曲线如图2-8所示。

照度e/lx电流2.4k51010k图2-8硅光电池光照与负载特性曲线

(5)光谱特性

一般光电池的光谱响应特性表示在入射光能量保持肯定的条件下，光电池所产生短路电流与入射光波长之间的关系。一般用相对响

应表示，试验中硅光电池的响应范围为400~1100nm，峰值波长为800~900nm，由于试验仪器所供应的波长范围为400~650nm，因此，试验所测出的光谱响应曲线呈上升趋势，如图2-9所示硅光电池频率特性曲线。

4001200(nm)800相对响应度1图2-9硅光电池的光谱曲线

（6）时间响应与频率响应

试验证明，光电器件的信号的产生和消逝不能随着光强转变而立即变化，会有肯定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的输出升到稳定值或下降到照耀前的值所需时间称为响应时间。为衡量其长短，常用时间常数的大小来表示。当用一个辐射脉冲光电探测器，假如这个脉冲的上升和下降时间很短，如方波，则光电探测器的输出由于器件的惰性而有延迟，把从10%上升到90%峰值处所需的时间称为探测器的上升时间，而把从90%下降到10%所需的时间称为下降时间。如图所示

0.10.91t上t下t(a)(b)图2-10上升时间和下降时间

（a）入射光脉冲方波（b）响应时间

五、留意事项

1、当电压表和电流表显示为"1＿'是说明超过量程，应更换为合适量程；

2、连线之前保证电源关闭。

3、试验过程中，请勿同时拨开两种或两种以上的光源开关，这样会造成试验所测试的数据不精确     。

六、试验步骤

1、硅光电池短路电流特性测试

试验装置原理框图如图2-11所示。

图2-11硅光电池短路电流特性测试

（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元j4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。

（2）"光照度调整'调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为0。

（3）"光源驱动单元'的三掷开关bm2拨到"静态'，将拨位开关s1拨上，s2，s3，s4，s5，s6，s7均拨下。

（4）按图2-11所示的电路连接电路图

（5）打开电源顺时针调整照度调整旋钮，使照度值依次为下表中

的光照度值，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）

（6）上表中所测得的电流值即为硅光电池相应光照度下的短路电流。

（7）试验完毕，关闭电源，拆除全部连线。

2、硅光电池开路电压特性测试

试验装置原理框图如图2-12所示。

图2-12硅光电池开路电压特性测试

（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元j4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。

（2）"光照度调整'调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为0。

（3）"光源驱动单元'的三掷开关bm2拨到"静态'，将拨位开关s1拨上，s2，s3，s4，s5，s6，s7均拨下。

（4）按图2-12所示的电路连接电路图

（5）打开电源顺时针调整照度调整旋钮，使照度值依次为下表中的光照度值，分别读出电压表读数，填入下表，关闭电源。

（4）将"光照度调整'旋钮逆时针调整到最小值位置后关闭电源。

光照度（lx）

0

10

20

30

40

50

100

200

300

400

500

600

光生电压（ma）

（5）上表中所测得的电压值即为硅光电池相应光照度下的开路电压。

（6）试验完毕，关闭电源，拆除全部连线。

3、硅光电池光照特性

依据试验1和2所调试的试验数据，作出如图2-5所示的硅光电池的光照电流电压特性曲线。

4、硅光电池伏安特性

试验装置原理框图如图2-13所示。

图2-13硅光电池伏安特性测试

（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元j4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。

（2）"光照度调整'调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为0。

（3）"光源驱动单元'的三掷开关bm2拨到"静态'，将拨位开关s1拨上，s2，s3，s4，s5，s6，s7均拨下。

（4）电压表档位调整至2v档，电流表档位调至200ua档，将"光照度调整'旋钮逆时针调整至最小值位置。

（5）按图2-13所示的电路连接电路图，r取值为200欧，打开电源顺时针调整照度调整旋钮，增大光照度值至500lx。记录下此时的电压表和电流表的读数填入下表；

（6）关闭电源，将r分别换为下表中的电阻值，重复上述步骤，分别记录电流表和电压表的读数，填入下表。

（7）转变光照度为100lx、300lx，重复上述步骤，将试验结果填入下表。

100lx：

电阻

200

2k

5.1k

7.5k

10k

15k

20k

25k

51k

200k

电流

电压

电阻

200

2k

5.1k

7.5k

10k

15k

20k

25k

51k

200k

电流

电压

（8）依据上述试验数据，在同一坐标轴中作出三种不同条件下的伏安特性曲线，并进行分析。

（9）试验完毕，关闭电源，拆除全部连线。

5.硅光电池负载特性测试试验

（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元j4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。

（2）"光照度调整'调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为0。

（3）"光源驱动单元'的三掷开关bm2拨到"静态'，将拨位开关s1拨上，s2，s3，s4，s5，s6，s7均拨下。

（4）电压表档位调整至2v档，电流表档位调至200ua档，将"光照度调整'旋钮逆时针调整至最小值位置。

（5）按图2-13所示的电路连接电路图，r取值为2k欧。

（6）打开电源，顺时针调整"光照度调整'旋钮，渐渐增大光照度至0lx，100lx，200lx，300lx，400lx，500lx，600lx分别记录电流表和电压表读数，填入下表

光照度（lx）

0

100

200

300

400

500

600

电流

（a）

电压（mv）

（7）关闭电源，将r分别换为510，1k，5.1k，10k重复上述步骤，分别记录电流表和电压表的读数，填入下表。

r=510欧

光照度（lx）

0

100

200

300

400

500

600

电流（a）

电压（mv）

r=1k

光照度（lx）

0

100

200

300

400

500

600

电流（a）

电压（mv）

r=5.1k

光照度（lx）

0

100

200

300

400

500

600

电流（a）

电压（mv）

r=10k

光照度（lx）

0

100

200

300

400

500

600

电流（a）

电压（mv）

（7）依据上述试验所测试的数据，在同一坐标轴上描绘出硅光电池的负载特性曲线,并进行分析。

6、硅光电池光谱特性测试

当不同波长的入射光照到光电二极管上，光电二极管就有不同的灵敏度。本试验仪采纳高亮度led（白、红、橙、黄、绿、蓝、紫）作为光源，产生400～630nm离散光谱。

光谱响应度是光电探测器对单色入射辐射的响应力量。定义为在波长的单位入射功率的照耀下，光电探测器输出的信号电压或电流信号。即为

)()()(pvv或)()()(pii式中，)(p为波长为时的入射光功率；)(v为光电探测器在入射光功率)(p作用下的输出信号电压；)(i则为输出用电流表示的输出信号电流。

本试验所采纳的方法是基准探测器法，在相同光功率的辐射下，则有

)()(ffuuk

式中，fu为基准探测器显示的电压值，k为基准电压的放大倍数，)(f为基准探测器的响应度。取在测试过程中,fu取相同值,则试验所测测试的响应度大小由)()(fu的大小确定.下图为基准探测器的光谱响应曲线。

00.20.40.60.811.20200400600800100012001400图2-14

基准探测器的光谱响应曲线

（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元j4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。

（2）"光源驱动单元'的三掷开关bm2拨到"静态特性'，将拨位开关s1，s2，s4，s3，s5，s6，s7均拨下。

（3）将直流电源2正负极直接与电压表相连，打开电源，调整电源电位器至电压表为10v，关闭电源。

（4）按如图2-12连接电路图.

（5）打开电源，缓慢调整光照度调整电位器到最大，依次将s2，s3，

s4，s5，s6，s7拨上后拨下，登记照度计读数最小时照度计的读数e作为参考。

（留意：请不要同时将两个拨位开关拨上）

（6）s2拨上，缓慢调整电位器直到照度计显示为e，将电压表测试所得的数据填入下表，再将s2拨下；

（7）重复操作步骤（6），分别测试出橙，黄，绿，蓝，紫在光照度e下电压表的读数，填入下表。

（8）依据所测试得到的数据，做出硅光电池的光谱特性曲线。

7、硅光电池时间响应特性测试

（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元j4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。

（2）"光源驱动单元'的三掷开关bm2拨到"脉冲'，将拨位开关s1拨上，s2，s3，s4，s5，s6，s7均拨下。

（3）按图2-13所示的电路连接电路图，负载rl选择rl=2k欧。

波长（nm）

红（630）

橙（605）

黄(585)

绿（520）

蓝（460）

紫（400）

基准响应度

0.65

0.61

0.56

0.42

0.25

0.06

电压（mv）

响应度

（4）示波器的测试点应为光电三极管的电阻两端，为了测试便利，可把示波器的测试点使用迭插头对引至信号测试区的tp1和tp2；

图2-13

（5）打开电源，白光对应的发光二极管亮，其余的发光二极管不亮。用示波器的第一通道与接tp和gnd（即为输入的脉冲光信号），用示波器的其次通道接tp2。

（6）观看示波器两个通道信号，缓慢调整直流电源电位器直到示波器上观看到信号清楚为止，并作出试验记录（描绘出两个通道波形）。

（7）缓慢调整脉冲宽度调整，增大输入脉冲的脉冲信号的宽度，观看示波器两个通道信号的变化，并作出试验记录（描绘出两个通道的波形）并进行分析。

（8）试验完毕，关闭电源，拆除导线。

七、试验数据及分析

1、硅光电池短路电流特性测试数据

光照度（lx）

0

100

200

300

400

500

600

光生电流（ua）

0.11

16.99

33.55

50.11

66.88

83.44

100.1

2、硅光电池开路电压特性测试数据

3、硅光电池光照电流电压特性曲线

硅光电池的光照电流电压特性0204060801001200100200300400500600光照度/lx光生电流/ua050100150202150300350400450光生电压/mv

光照度（lx）

0

10

20

30

40

50

100

200

300

400

500

600

光生电压（ma）

1500

2633

2899

3022

3122

3199

3444

3688

3822

3911

3988

4044

开路电压短路电流

4、硅光电池伏安特性测试数据

100lx：

300lx：

500lx：

电阻

200

2k

5k

7.5k

10k

20k

50k

200k

电流（ua）

17.1

17.0

17.0

17.0

17.0

14.1

6.5

1.7

电压(mv)

20.6

51.6

104.3

148.4

187.1

270

310

320

电阻

200

2k

5k

7.5k

10k

20k

50k

200k

电流（ua）

50.9

50.8

47.9

38.6

31.9

17.4

7.3

1.9

电压(mv)

61.4

153.7

260

310

320

3336

340

350

电阻

200

2k

5k

7.5k

10k

20k

50k

200k

电流（ua）

84.8

83.9

57.9

42.6

34.4

18.4

7.6

1.9

硅光电池伏安特牲050100150202150300350400450500020406080100电流（ua）电压（mv）100lx300lx500lx

5、硅光电池负载特性测试数据

r=510欧

光照度（lx）

0

100

200

300

400

500

600

电流（a）

0.1

16.7

33.2

50

66.6

83.2

99.8

电压（mv）

00

25.5

50.8

76

101

127

152

r=1k

光照度0