简述光敏电阻的工作原理，与结型光电器件的主要区别是...

第1题

光伏效应检测器件——光电池，光敏二、三极管特性测试

实验目的

通过对典型光伏器件——硅光电池、硅光电二极管和光电三极管的特性参数的测量，使同学们进一步理解硅光伏器件的原理、特性及其基本使用方法。

实验内容

(1)作出光电池的V_LS、I_LS及P随R_L变化的曲线，找出其最佳负载电阻。

(2)画出典型光伏器件——硅光电池、硅光电二极管和光电三极管的输出特性曲线。

(3)画出硅光电池、硅光电二极管和光电三极管的光照特性曲线。

实验原理

半导体光伏检测器件的核心是PN结的光电效应，PN结光电池与光电二极管是最简单的半导体光电检测器件。

下图(a)所示是一个未加电压的PN结，它是一个由不可移动的带正、负电荷的离子组成的耗尽层，或称作势垒区。当以适当波长的光照射PN结时，P型和N型半导体材料将吸收光能。如果光子能量hf≥E_g时，则光子将被吸收，使价带中的电子受激跃迁到导带中，而在价带中留下空穴，如图(b)所示。这一过程称为光吸收。因光照射而在导带和价带中产生的电子和空穴称为光生载流子。

产生在耗尽层的光生载流子在内建场的作用下作漂移运动：空穴向P区方向运动；电子向N区方向运动，它们在PN结的边缘被收集。另外，耗尽层外的光生少数载流子会发生扩散运动：P区中的光生电子向N区扩散；N区中的光生空穴向P区扩散。在扩散的同时，一部分光生少数载流子将被多数载流子复合掉。由于这些区域的电场很小，甚至可以称为无场区，光生少数载流子在这些区域扩散速率较慢，只有小部分能扩散到耗尽层，继而在内建场的作用下分别快速漂移到对方区域。这样，在P区就出现了过剩空穴的积累，N区出现了过剩电子的积累，于是在耗尽层的两侧就产生了一个极性如图(c)所示的光生电动势。这一现象称为光生伏特效应。产生于耗尽层的电子和空穴也要产生光生伏特效应。基于这一效应，如果将PN结的外电路构成回路，则外电路中会出现信号电流。这种由光照射激发的电流称为光电流。

当光电池两端接某一负载R_L时，设流过R_L的电流为I_LS，其上的电压降为U_LS，则R_L上产生的电功率为

P_L=U_LS·I_LS

P_L与入射光功率之比称为光电池的转换效率η。下图表示输出电压U_LS、输出电流I_LS、输出功率P_LS随负载R_L变化关系的曲线。

从图看出，U_LS随R_L加大而升高。当R_L为∞时，U_LS等于开路电压U_oc；R_L为低阻时，I_LS趋近于短路电流I_sc，当R_L=0时，I_LS=I_sc。随着R_L变化，输出功率P_L也变化，当R_L=R_M时，P_L为最大值P_M，即在负载电阻上获得最大功率输出，此时的负载电阻R_M称为最佳负载电阻。在把光电池作为换能器件时，应按此点考虑。但值得注意的是，即使对同一光电池，如照度不同，R_M也会不同。

此外，从下图光电池的伏安特性曲线上，也可表示出输出功率的大小。R_L负载线就是过原点斜率为的直线，该直线与特性曲线交于P_L点，P_L点在I轴和U轴上投影为输出电流I_L和输出电压U_L，输出功率P_L等于矩形OI_LP_LU_L的面积。若过U_oc和I_sc作特性曲线的切线，它们相交于P_Q点，连结P_Q点和原点O的直线也就是最佳负载线，最佳负载电阻为R_M。该直线与特性曲线交于P_M，最大输出功率P_M等于矩形OI_MP_MU_M面积，此时流过负载R_M上的电流为I_M，R_M上的压降为U_M。