矽光電池特性試驗儀

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、矽、砷化镓、氧化銅、氧化亞銅、硫化鉈、硫化鎘等。其中最受重視、應用最廣的是矽光電池。矽光電池是根據光生伏特效應而製成的光電轉換元件。它有一係列的優點：性能穩定，光譜響應範圍寬，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、自動控製、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。通過實驗對矽光電池的基本特性和簡單應用作初步的了解和研究，有利於了解使用日益廣泛的各種光電器件。具有十分重要的意義。

一、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發光二極管的驅動電流和輸出光功率的關係。
3．掌握矽光電池的工作原理及負載特性。

二、實驗設備

1．THKGD-1型矽光電池特性實驗儀。
2．函數信號發生器。
3．雙蹤示波器。

三、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，矽光電池是半導體光電探測器的一個基本單元，深刻理解矽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型矽光電池特性實驗儀主要由半導體發光二極管恒流驅動單元，矽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) 矽光電池輸出短路時光電流與輸入光信號關係。
2) 矽光電池輸出開路時產生光伏電壓與輸入光信號關係。
3) 矽光電池的頻率響應。
4) 矽光電池輸出功率與負載的關係。
本實驗儀可以廣泛應用於普通高校物理實驗和光電專業學生實驗。
2．PN結的形成及單向導電性
采用反型工藝在一塊N型（P型）半導體的局部摻入濃度較大的三價（五價）雜質，使其變為P型（N型）半導體。如果采用特殊工藝措施，使一塊矽片的一邊為P型半導體，另一邊為N型半導體則在P型半導體和N型半導體的交界麵附近形成PN結。PN結是構成各種半導體器件的基礎，許多半導體器件都含有PN結。如圖1所示，Θ代表得到一個電子的三價雜質（例如硼）離子，帶負電；代表失去一個電子的五價雜質（例如磷）離子，帶正電。由於P區有大量空穴（濃度大），而N區的空穴極少（濃度小），即P區的空穴濃度遠遠高於N區，因此空穴要從濃度大的P區向濃度小的N區擴散，並與N區的電子複合，在交界麵附近的空穴擴散到N區，在交界麵附近一側的P區留下一些帶負電的三價雜質離子，形成負空間電荷區。同樣，N區的自由電子也要向P區擴散，並與P區的空穴複合，在交界麵附近一側的N區留下一些帶正電的五價雜質離子，形成正空間電荷區。這些離子是不能移動的，因而在P型半導體和N型半導體交界麵兩側形成一層很薄的空間電荷區，也稱為耗盡層，這個空間電荷區就是PN結。
形成空間電荷區的正負離子雖然帶電，但是它們不能移動，不參與導電。而在這個區域
內，載流子極少，所以空間電荷區的電阻率很高。此外，這個區域內多數載流子已擴散到對方並複合掉了，或者說消耗盡了，所以空間電荷區有時稱為耗盡層。
正負空間電荷在交界麵兩側形成一個電場，成為內電場，其方向從帶正電的N區指向帶負電的P區，如圖1所示。由P區向N區擴散的空穴在空間電荷區將受到內電場的阻力，而由N區向P區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區的空穴和N區的自由電子）的擴散運動起阻擋作用，所以空間電荷區又稱為阻擋層。
空間電荷區的內電場對多數載流子的擴散運動起阻擋作用，這是一個方麵。但另一方麵，內電場對少數載流子（P區的自由電子和N區的空穴）則可推動它們越過空間電荷區，進入對方區域。少數載流子在內電場作用下有規則的運動稱為漂移運動。
擴散和漂移是相互聯係的，又是相互矛盾的。在開始形成空間電荷區時，多數載流子的擴散運動占優勢，但在擴散運動進行過程中，空間電荷區逐漸加寬，內電場逐步加強。於是在一定條件下（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。最後，載流子的擴散運動和漂移運動達到動態平衡，P區的空穴（多數載流子）向右擴散的數量與N區的空穴（少數載流子）向左漂移的數量相等；對自由電子也是這樣。達到平衡後，空間電荷區的寬度基本上穩定下來，PN結就處於相對穩定的狀態。
上麵討論的是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於動態平衡。下麵討論在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，負極接N區，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區的空穴進入空間電荷區抵消一部分負空間電荷，同時N區的自由電子進入空間電荷區抵消一部分正空間電荷。於是整個空間電荷區變窄，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結處於導通狀態。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。在一定範圍內，外電場愈強，正向電流（由P區流向N區的電流）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，但由於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，負極接P區，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。但另一方麵，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區中的空穴越過PN結進入P區，P區中的自由電子越過PN結進入N區，在電路中形成反向電流（由N區流向P區的電流）。由於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，處於截至狀態。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於價電子獲得熱能（熱激發）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。
 
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
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結處於正向導通狀態；加反向電壓時，PN結電阻很高，反向電流很小，PN結處於截至狀態。
圖1是半導體PN結在零偏﹑負偏﹑正偏下的耗盡區，當P型和N型半導體材料結合時，由於P型材料空穴多電子少，而N型材料電子多空穴少，結果P型材料中的空穴向N型材料這邊擴散，N型材料中的電子向P型材料這邊擴散，擴散的結果使得結合區兩側的P型區出現負電荷，N型區帶正電荷，形成一個勢壘，由此而產生的內電場將阻止擴散運動的繼續進行，當兩者達到平衡時，在PN結兩側形成一個耗盡區，耗盡區的特點是無自由載流子，呈現高阻抗。當PN結反偏時，外加電場與內電場方向一致，耗盡區在外電場作用下變寬，使勢壘加強；當PN結正偏時，外加電場與內電場方向相反，耗盡區在外電場作用下變窄，勢壘削弱，使載流子擴散運動繼續形成電流，此即為PN結的單向導電性,電流方向是從P指向N。
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結複合時將產生特定波長的光，發光的波長與半導體材料的能級間隙Eg有關。發光波長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，因此發光二極管發出光的波長不是單一的，其發光波長寬度一般在25～40nm左右，隨半導體材料的不同而有差別。發光二極管輸出光功率P與驅動電流I的關係由下式確定：
P=ηEpI/e                             (2)
式(2)中，η為發光效率，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係，當電流較大時由於PN結不能及時散熱，輸出光功率可能會趨向飽和。係統采用的發光二極管驅動和調製電路框圖如圖2所示。本實驗用一個驅動電流可調的紅色亮度發光二極管作為實驗用光源。信號調製采用光強度調製的方法，發送光強度調節器用來調節流過LED的靜態驅動電流，從而改變發光二極管的發射光功率。設定的靜態驅動電流調節範圍為0～20毫安，對應麵板上的光發送強度驅動顯示值為0～2000單位。正弦調製信號經電容、電阻網絡及運放跟隨隔離後耦合到放大環節，與發光二極管靜態驅動電流疊加後使發光二極管發送隨正弦波調製信號變化的光信號，如圖3所示，變化的光信號可用於測定光電池的頻率響應特性。
 
           
圖2  發送光的設定、驅動和調製電路框圖    圖3  LED發光二極管的正弦信號調製原理
4．矽光電池的工作原理
光電轉換器件主要是利用物質的光電效應，即當物質在一定頻率的照射下，釋放出光電子的現象。當光照射金、金屬氧化物或半導體材料的表麵時，會被這些材料內的電子所吸收，如果光子的能量足夠大，吸收光子後的電子可掙脫原子的束縛而溢出材料表麵，這種電子稱為光電子，這種現象稱為光電子發射，又稱為外光電效應。有些物質受到光照射時，其內部原子釋放電子，但電子仍留在物體內部，使物體的導電性增強，這種現象稱為內光電效應。
光電二極管是典型的光電效應探測器，具有量子噪聲低、響應快、使用方便等優點，廣泛用於激光探測器。外加反偏電壓與結內電場方向一致，當PN結及其附近被光照射時，就會產生載流子（即電子-空穴對）。結區內的電子-空穴對在勢壘區電場的作用下，電子被拉向N區，空穴被拉向P區而形成光電流。同時勢壘區一側一個擴展長度內的光生載流子先向勢壘區擴散，然後在勢壘區電場的作用下也參與導電。當入射光強度變化時，光生載流子的濃度及通過外回路的光電流也隨之發生相應的變化。這種變化在入射光強度很在的動態範圍內仍能保持線性關係。
矽光電池是一個大麵積的光電二極管，它被設計用於把入射到它表麵的光能轉化為電能，因此，可用作光電探測器和光電池，被廣泛用於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結處於零偏或負偏時，在它們的結合麵耗盡區存在一內電場。
當沒有光照射時，光電二極管相當於普通的二極管。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為工作溫度，V為加在二極管兩端的電壓。對於外加正向電壓，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。                      
 
圖4   光電池結構示意圖
當有光照時，入射光子將把處於介帶中的束縛電子激發到導帶，激發出的電子空穴對在內電場作用下分別飄移到N型區和P型區，當在PN結兩端加負載時就有一光生電流流過負載。流過PN結兩端的電流可由式（4）確定：
 
 
此式表示矽光電池的伏安特性。
式（4）中I為流過矽光電池的總電流,Is為反向飽和電流，V為PN結兩端電壓，T為工作溫度，Ip為產生的反向光電流，S為電流靈敏度，P為入射光功率。從式中可以看到，當光電池處於零偏時，V=0，流過PN結的電流I=Ip；當光電池處於負偏時（在本實驗中取V=-5V），流過PN結的電流I=Ip-Is。因此，當光電池用作光電轉換器時，光電池必須處於零偏或負偏狀態。
比較（3）式和（4）式可知，矽光電池的伏安特性曲線相當於把普通二極管的伏安特性曲線向下平移。
光電池處於零偏或負偏狀態時，產生的光電流Ip與輸入光功率Pi有以下關係：
(5)
式（5）中R為響應率，R值隨入射光波長的不同而變化，對不同材料製作的光電池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於材料的能級間隙Eg，以保證處於介帶中的束縛電子得到足夠的能量被激發到導帶，對於矽光電池其長波截止波長為λc=1.1μm，在短波長處也由於材料有較大吸收係數使R值很小。
 
圖5  光電池光電信號接收框圖
圖5是光電池光電信號接收端的工作原理框圖，光電池把接收到的光信號轉變為與之成正比的電流信號，再經I/V轉換模塊把光電流信號轉換成與之成正比的電壓信號。比較光電池零偏和反偏時的信號，就可以測定光電池的飽和電流Is。當發送的光信號被正弦信號調製時，則光電池輸出電壓信號中將包含正弦信號，據此可通過示波器測定光電池的頻率響應特性。
5．矽光電池的負載特性
光電池作為電池使用如圖6所示。在內電場作用下，入射光子由於內光電效應把處於介帶中的束縛電子激發到導帶，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的值來測定矽光電池的伏安特性。
 
圖6  矽光電池伏安特性的測定

四、實驗內容與步驟

 
圖7  矽光電池特性實驗儀框圖
矽光電池特性實驗儀框圖如圖7所示。亮度LED在可調電流和調製信號驅動下發出的光照射到光電池表麵,功能轉換開關可分別打到零偏﹑負偏或負載。
1．矽光電池零偏和負偏時光電流與輸入光信號關係特性測定
打開儀器電源，調節發光二極管靜態驅動電流，其調節範圍為0～20mA（相應於發光強度指示0~2000），將功能轉換開關分別打到零偏和負偏，將矽光電池輸出端連接到I/V轉換模塊的輸入端，將I/V轉換模塊的輸出端連接到數顯電壓表頭的輸入端，分別測定光電池在零偏和負偏時光電流與輸入光信號關係。記錄數據並在同一張方格紙上作圖，比較矽光電池在零偏和負偏時兩條曲線關係，求出矽光電池的飽和電流Is。
2．矽光電池輸出接恒定負載時產生的光伏電壓與輸入光信號關係測定
將功能轉換開關打到“負載”處，將矽光電池輸出端連接恒定負載電阻（如取10K）和數顯電壓表，從0～20mA（指示為0～2000）調節發光二極管靜態驅動電流，實驗測定光電池輸出電壓隨輸入光強度變化的關係曲線。
3．矽光電池伏安特性測定
在矽光電池輸入光強度不變時（取發光二極管靜態驅動電流為15mA），測量當負載從0～100kΩ的範圍內變化時，光電池的輸出電壓隨負載電阻變化關係曲線。
4．矽光電池頻率響應的測定
將功能轉換開關分別打到“零偏”和“負偏”處，將矽光電池的輸出連接到I/V轉換模塊的輸入端。令LED偏置電流為10mA（指示為1000），在信號輸入端加正弦調製信號，使LED發送調製的光信號，保持輸入正弦信號的幅度不變，調節函數信號發生器頻率，用示波器觀測並記錄發送光信號的頻率變化時，光電池輸出信號幅度的變化，測定光電池在零偏和負偏條件下的幅頻特性，並測定其截止頻率。將測量結果記錄在自製的數據表格中。比較光電池在零偏和負偏條件下的實驗結果，分析原因。

五、實驗數據

要注意實驗板上輸入光強範圍是0-2000，表示0-20mA，輸出光強範圍是0-2000，表示0-200mV。
1． 矽光電池零偏和負偏時光電流與輸入光信號關係特性測定

輸入光信號（mA）	零偏時輸出光電流（mA）	負偏時輸出光電流（mA）

2． 矽光電池輸出接恒定負載時產生的光伏電壓與輸入光信號關係測定

	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
入射光強（mA）
光電池輸出電壓(mV)

3． 矽光電池伏安特性測定
當取發光二極管靜態驅動電流時15mA，即在試驗儀上的發光強度的顯示為1500時，調節電阻從0～100k,對應輸出電壓值的變化，填入下表。

組數
負載值（K）
輸出電壓（mV）

六、思考題

1．光電池在工作時為什麽要處於零偏或負偏？
2．光電池用於線性光電探測器時，對耗盡區的內部電場有何要求？
3．光電池對入射光的波長有何要求？
4．當單個光電池外加負載時，其兩端產生的光伏電壓為何不會超過0.7伏？
5．如何獲得高電壓、大電流輸出的光電池？