光電子技術實驗報告
一．實驗目的：
1．學習掌握矽光電池的工作原理。
2．學習掌握矽光電池的基本特性。
3．掌握矽光電池基本特性測試方法。
二．實驗原理：
光電池是一種不需要加偏置電壓就能把光能直接轉換成電能的ｐｎ結光電器件，按光電池的功用可將其分為兩大類：即太陽能光電池和測量光電池，本儀器用的是測量用的矽光電
池，其主要功能是作為光電探測，即在不加偏置的情況下將光訊號轉換成電訊號。
圖（20圖（21）
如圖（20）所示為2dr型矽光電池的結構，它是以p型矽為襯底（即在本徵型矽材料中摻入三價元素硼或鎵等），然後在襯底上擴散磷而形成n型層並將其作為受光面。如圖（21）所示當光作用於pn結時，耗盡區內的光生電子與空穴在內建電場力的作用下分別向n區和p區運動，在閉合電路中將產生輸出電流il,且負載電阻rl上產生電壓降為u。顯然，pn結獲得的偏置電壓u與光電池輸出電流il與負載電阻rl有關，即u=ilrl，當以輸出電流的il為電流和電壓的正方向時，可以得到如圖（22）所示的伏安特性曲線。
圖（22圖（23）
光電池在不同的光強照射下可以產生不同的光電流和光生電動勢，矽光電池的光照特性曲線如圖（23）所示，短路電流在很大範圍內與光強成線性關係，開路電壓隨光強變化是非線性的，並且當照度在2000lx時就趨於飽和，因此，把光電池作為測量元件時，應把它當作電流源來使用，不宜用作電壓源。
硒光電池和矽光電池的光譜特性曲線如圖（25）所示，不同的光電池其光譜峰值的位置不同，矽光電池的在800nm附近，硒光電池的在540nm附近，矽光電池的光譜範圍很廣，在450～1100nm之間，硒光電池的光譜範圍為340～750nm。
圖（24圖（25）
光電池的溫度特性主要描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況，由於它關係到應用光電池裝置的溫度漂移，影響到測量精度或控制精度等主要指標，光電池的溫度特性如圖（24）所示。開路電壓隨溫度公升高而下降的速度較快，而短路電流隨溫度公升高而緩慢增加，因此，當使用光電池作為測量元件時，在系統設計中應考慮到溫度的漂移，並採取相應的措施進行補償。
三．實驗所需部件：
兩種光電池、各類光源、實驗選配單元、數字電壓表(4 1/2位)自備、微安表（毫安表）、雷射器、照度計（使用者選配）。
四．實驗步驟：
圖（26圖（27）
1.光電池短路電流測試，光電池的內阻在不同光照時是不同的，所以在測得暗光條件下光電池的內阻後按圖（26）接線，應選用相對小得多的負載電阻。(這樣所測得的電流近似短路電流)，試用阻值為 1.
5ω、5.1ω、10ω、51ω或更大的的負載電阻接入測試電路（電阻可插入試件插座中）。開啟光源，在不同的距離和角度照射光電池，記錄光電流的變化情況。
由於實驗器材中沒有小電阻，因此我們只取了r=0.1kω和r=1kω的大負載進行實驗，結果如下：
(1)r=0.1kω
(2) r=1kω
r=0.1kω
r=1kω
由影象可見，接入大負載時光電流與光照度之間的關係是非線性的。
2.光電池的伏安特性測試，按照圖（27）所示連線好實驗線路，其中負載電阻用選配單元中的可調電阻(從100ω調至680kω)。光源用高亮度鹵素燈，分別選用「弱光」、「中光」和「強光」三種照度。
(1)光電池伏安特性測試資料表（照度：弱，2圈）
(2)光電池伏安特性測試資料表（照度：中，6圈）
(3)光電池伏安特性測試資料表（照度：強，10圈）
照度：2圈
照度：6圈
照度：10圈
可以看到，伏安特性曲線與圖（22）相符，負載電阻較小時光電壓與光電流呈線性關係，較大時則成非線性關係，與橫軸的交點為開路電壓uoc 。
3. 光電池的光照度特性測試，按圖（27）接線，光源選用高亮度鹵素燈，從「弱-強」仔細調節光源電位器取得多種光照度 ，測出光電池在相對光照度為「弱光」到逐步增強的光電流資料。負載電阻r=100ω。
光電池光照特性測試資料表
從圖中可以看出，光強較大時，光生電壓趨於飽和，而光生電流與照度呈較好的線性關係。
4. 光電池的光譜特性測試，不同的半導體材料製成的光電池有著不同的光譜特性，參考圖（25），當不同波長的入射光照到光電池的光敏面上，光電池就有不同的靈敏度。照圖（27）接線，用高亮度 led（紅、黃、綠、藍、白）作為光源。
發光管的接線參照圖（7）。限流電阻用選配單元上的 1k～100k檔電位器，首先應置電位器阻值為最大，開啟電源後緩慢調小阻值，使發光管逐步發光至最亮。分別測出光電池在各種光源照射下的光電流，再用固體雷射器作為光源，測得光電流，將測得的資料記入下表：
上圖中，光電池的光譜特性與圖（25）中硒光電池的光譜特性大體相同。
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