硅光電池特性研究光電池是一種光電轉換元件，它不需外加電源而能直接把光能轉換為電能。光電池的種類很多，常見的有硒、鍺、硅、砷化鎵、氧化銅、氧化亞銅、硫化鉈、硫化鎘等。其中最受重視、應用最廣的是硅光電池。硅光電池是根據光生伏特效應而制成的光電轉換元件。它有一系列的優(yōu)點：性能穩(wěn)定，光譜響應范圍寬，轉換效率高，線性相應好，使用壽命長，耐高溫輻射，光譜靈敏度和人眼靈敏度相近等。所以，它在分析儀器、測量儀器、光電技術、自動控制、計量檢測、計算機輸入輸出、光能利用等很多領域用作探測元件，得到廣泛應用，在現代科學技術中有十分重要的地位。通過實驗對硅光電池的基本特性和簡單應用作初步的了解和研究，有利于了解使用日益廣泛的各種光電器件。具有十分重要的意義。[實驗目的]1．掌握PN結形成原理及其單向導電性等工作機理。2．了解LED發(fā)光二極管的驅動電流和輸出光功率的關系。3．掌握硅光電池的工作原理及負載特性。[實驗儀器]THKGD-1型硅光電池特性實驗儀，函數信號發(fā)生器，雙蹤示波器。[實驗原理]1．引言目前半導體光電探測器在數碼攝像﹑光通信﹑太陽電池等領域得到廣泛應用，硅光電池是半導體光電探測器的一個基本單元，深刻理解硅光電池的工作原理和具體使用特性可以進一步領會半導體PN結原理﹑光電效應理論和光伏電池產生機理。THKGD-1型硅光電池特性實驗儀主要由半導體發(fā)光二極管恒流驅動單元，硅光電池特性測試單元等組成。利用它可以進行以下實驗內容：1)硅光電池輸出短路時光電流與輸入光信號關系。2)硅光電池輸出開路時產生光伏電壓與輸入光信號關系。3)硅光電池的頻率響應。4)硅光電池輸出功率與負載的關系。2．PN結的形成及單向導電性形成空間電荷區(qū)的正負離子雖然帶電，但是它們不能移動，不參與導電。而在這個區(qū)域內，載流子極少，所以空間電荷區(qū)的電阻率很高。此外，這個區(qū)域內多數載流子已擴散到對方并復合掉了，或者說消耗盡了，所以空間電荷區(qū)有時稱為耗盡層。正負空間電荷在交界面兩側形成一個電場，成為內電場，其方向從帶正電的N區(qū)指向帶負電的P區(qū)，如圖-1所示。由P區(qū)向N區(qū)擴散的空穴在空間電荷區(qū)將受到內電場的阻力，而由N區(qū)向P區(qū)擴散的自由電子也將受到內電場的阻力，即內電場對多數載流子（P區(qū)的空穴和N區(qū)的自由電子）的擴散運動起阻擋作用，所以空間電荷區(qū)又稱為阻擋層。空間電荷區(qū)的內電場對多數載流子的擴散運動起阻擋作用，這是一個方面。但另一方面，內電場對少數載流子（P區(qū)的自由電子和N區(qū)的空穴）則可推動它們越過空間電荷區(qū)，進入對方區(qū)域。少數載流子在內電場作用下有規(guī)則的運動稱為漂移運動。擴散和漂移是相互聯系的，又是相互矛盾的。在開始形成空間電荷區(qū)時，多數載流子的擴散運動占優(yōu)勢，但在擴散運動進行過程中，空間電荷區(qū)逐漸加寬，內電場逐步加強。于是在一定條件下（例如溫度一定），多數載流子的擴散運動逐漸減弱，而少數載流子的漂移運動則逐漸增強。最后，載流子的擴散運動和漂移運動達到動態(tài)平衡，P區(qū)的空穴（多數載流子）向右擴散的數量與N區(qū)的空穴（少數載流子）向左漂移的數量相等；對自由電子也是這樣。達到平衡后，空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定下來，PN結就處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。上面討論的是PN結在沒有外加電壓的情況，這時半導體中的擴散和漂移處于動態(tài)平衡。下面討論在PN結上加外部電壓的情況。若在PN結上加正向電壓，即外電源的正極接P區(qū)，負極接N區(qū)，也稱為正向偏置。此時外加電壓在PN結中產生的外電場和內電場方向相反，擴散和漂移運動的平衡被破壞。外電場驅使P區(qū)的空穴進入空間電荷區(qū)抵消一部分負空間電荷，同時N區(qū)的自由電子進入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷。于是整個空間電荷區(qū)變窄，內電場被削弱，多數載流子的擴散運動增強，形成較大的擴散電流（正向電流），PN結處于導通狀態(tài)。PN結導通時呈現的電阻稱為正向電阻，其數值很小，一般為幾歐到幾百歐。在一定范圍內，外電場愈強，正向電流（由P區(qū)流向N區(qū)的電流）愈大，這時PN結呈現的電阻很低。正向電流包括空穴電流和電子電流兩部分。空穴和電子雖然帶有不同極性的電荷，但由于它們的運動方向相反，所以電流方向一致。外電源不斷的向半導體提供電荷，使電流得以維持。若在PN結上加反向電壓，即外電源的正極接N區(qū)，負極接P區(qū)，也稱為反向偏置。此時外加電壓在PN結中產生的外電場和內電場方向一致，也破壞了擴散和漂移運動的平衡。外電場驅使空間電荷區(qū)兩側的空穴和自由電子移走，使得空間電荷增強，空間電荷區(qū)變寬，內電場增強，使多數載流子的擴散運動很難進行。但另一方面，內電場的增強也加強了少數載流子的漂移運動，在外電場的作用下，N區(qū)中的空穴越過PN結進入P區(qū)，P區(qū)中的自由電子越過PN結進入N區(qū)，在電路中形成反向電流（由N區(qū)流向P區(qū)的電流）。由于少數載流子數量很少，因此反向電流不大，即PN結呈現的反向電阻很高，可以認為PN結基本上不導電，處于截至狀態(tài)。此時的電阻稱為反向電阻，其數值很大，一般為幾千歐到十幾兆歐。又因為少數載流子是由于價電子獲得熱能（熱激發(fā)）掙脫共價鍵的束縛而產生的，所以溫度變化時少數載流子的數量也隨之變化。環(huán)境溫度愈高，少數載流子的數量愈多，所以溫度對反向電流的影響較大。由以上分析可知，PN結具有單向導電性。在PN結上加正向電壓時，PN結電阻很低，正向電流較大，PN結處于正向導通狀態(tài)；加反向電壓時，PN結電阻很高，反向電流很小，PN結處于截至狀態(tài)。零偏負偏正偏圖-1半導體PN結在零偏﹑負偏﹑正偏下的耗盡區(qū)3.LED的工作原理當某些半導體材料形成的PN結加正向電壓時,空穴與電子在PN結復合時將產生特定波長的光，發(fā)光的波長與半導體材料的能級間隙Eg有關。發(fā)光波長λp可由下式確定：λp=hc/Eg（-1）式(-1)中h為普朗克常數，c為光速。在實際的半導體材料中能級間隙Eg有一個寬度，因此發(fā)光二極管發(fā)出光的波長不是單一的，其發(fā)光波長寬度一般在25～40nm左右，隨半導體材料的不同而有差別。發(fā)光二極管輸出光功率P與驅動電流I的關系由下式確定：P=ηEpI/e（-2）式(-2)中，η為發(fā)光效率，Ep為光子能量，e為電子電荷常數。輸出光功率與驅動電流呈線性關系，當電流較大時由于PN結不能及時散熱，輸出光功率可能會趨向飽和。系統(tǒng)采用的發(fā)光二極管驅動和調制電路框圖如圖-2所示。本實驗用一個驅動電流可調的紅色超高亮度發(fā)光二極管作為實驗用光源。信號調制采用光強度調制的方法，發(fā)送光強度調節(jié)器用來調節(jié)流過LED的靜態(tài)驅動電流，從而改變發(fā)光二極管的發(fā)射光功率。設定的靜態(tài)驅動電流調節(jié)范圍為0～20毫安，對應面板上的光發(fā)送強度驅動顯示值為0～2000單位。正弦調制信號經電容、電阻網絡及運放跟隨隔離后耦合到放大環(huán)節(jié)，與發(fā)光二極管靜態(tài)驅動電流疊加后使發(fā)光二極管發(fā)送隨正弦波調制信號變化的光信號，如圖-3所示，變化的光信號可用于測定光電池的頻率響應特性。圖-2發(fā)送光的設定、驅動和調制電路框圖圖-3LED發(fā)光二極管的正弦信號調制原理4．硅光電池的工作原理硅光電池是一個大面積的光電二極管，它被設計用于把入射到它表面的光能轉化為電能，因此，可用作光電探測器和光電池，被廣泛用于太空和野外便攜式儀器等的能源。光電池的基本結構如圖-4所示，當半導體PN結處于零偏或負偏時，在它們的結合面耗盡區(qū)存在一內電場。當沒有光照射時，光電二極管相當于普通的二極管。其伏安特性是（-3）式(-3)中I為流過二極管的總電流,Is為反向飽和電流，e為電子電荷，k為玻耳茲曼常量，T為工作絕對溫度，V為加在二極管兩端的電壓。對于外加正向電壓，I隨V指數增長，稱為正向電流；當外加電壓反向時，在反向擊穿電壓之內，反向飽和電流基本上是個常數。當有光照時，入射光子將把處于介帶中的束縛電子激發(fā)到導帶，激發(fā)出的電子空穴對在內電場作用下分別飄移到N型區(qū)和P型區(qū)，當在PN結兩端加負載時就有一圖-4光電池結構示意圖光生電流流過負載。流過PN結兩端的電流可由式（-4）確定：此式表示硅光電池的伏安特性。比較（-3）式和（-4）式可知，硅光電池的伏安特性曲線相當于把普通二極管的伏安特性曲線向下平移。光電池處于零偏或負偏狀態(tài)時，產生的光電流Ip與輸入光功率Pi有以下關系：式（-5）中R為響應率，R值隨入射光波長的不同而變化，對不同材料制作的光電池R值分別在短波長和長波長處存在一截止波長，在長波長處要求入射光子的能量大于材料的能級間隙Eg，以保證處于介帶中的束縛電子得到足夠的能量被激發(fā)到導帶，對于硅光電池其長波截止波長為λc=1.1μm，在短波長處也由于材料有較大吸收系數使R值很小。5．硅光電池的負載特性光電池作為電池使用如圖-6所示。在內電場作用下，入射光子由于內光電效應把處于介帶中的束縛電子激發(fā)到導帶，而產生光伏電壓，在光電池兩端加一個負載就會有電流流過，當負載很小時，電流較小而電壓較大；當負載很大時，電流較大而電壓較小。實驗時可改變負載電阻RL的值來測定硅光電池的伏安特性。圖-