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VLS、ILS及P随RL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≥Eg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RL时,设流过RL的电流为ILS,其上的电压降为ULS,则RL上产生的电功率为
PL=ULS·ILS
PL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ULS、输出电流ILS、输出功率PLS随负载RL变化关系的曲线。
从图看出,ULS随RL加大而升高。当RL为∞时,ULS等于开路电压Uoc;RL为低阻时,ILS趋近于短路电流Isc,当RL=0时,ILS=Isc。随着RL变化,输出功率PL也变化,当RL=RM时,PL为最大值PM,即在负载电阻上获得最大功率输出,此时的负载电阻RM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,RM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。RL负载线就是过原点斜率为的直线,该直线与特性曲线交于PL点,PL点在I轴和U轴上投影为输出电流IL和输出电压UL,输出功率PL等于矩形OILPLUL的面积。若过Uoc和Isc作特性曲线的切线,它们相交于PQ点,连结PQ点和原点O的直线也就是最佳负载线,最佳负载电阻为RM。该直线与特性曲线交于PM,最大输出功率PM等于矩形OIMPMUM面积,此时流过负载RM上的电流为IM,RM上的压降为UM。
因此,光电池的输出特性曲线,是指在一定光照下与它所连接的负载RL两端的电压UL和通过RL的电流IL的关系曲线。当光电池输出端开路时测得两端输出电压为开路电压Uoc;当输出端短路时通过的电流为短路电流Isc。
光电二极管的输出特性曲线是指对应于不同的照度下,UL与IL的变化关系曲线。
光电三极管的输出特性曲线是指对应于不同的照度下,Uce与Ic的变化关系曲线。
在不同的入射光照度下,光电二极管和光电三极管的光电流。以及光电池的开路电压和短路电流均将随之变化。
实验使用的仪器和器材
(1)照度计 一台
(2)钨丝灯光源 一座
(3)直流稳压电源 一台
(4)万用表或数字电压表一台
(5)微安表 一个
(6)标准光源箱
(7)标准电阻箱
(8)硅光电池(2CR型)、硅光电二极管(2CU型)、硅光电三极管(3DU型)各一个。
(9)电阻100Ω、510Ω、3kΩ各一支。
实验线路
硅光器件的最基本的使用线路如下图所示。
在不同的入射光照度下,光电二极管和光电三极管的光电流。以及光电池的开路电压和短路电流均将随之变化。