硅光電池特性研究【實驗目的】掌握PN結形成原理及其工作原理；了解LED發光二極管的驅動電流和輸出功率的關系；掌握硅光電池的工作原理及其工作特性。【實驗原理】半導體PN結原理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。零偏PNPN反偏正偏圖17-1.半導體PN結在零偏、反偏、正偏下的耗盡區圖17-1是半導體PN結在零偏、反偏、正偏下的耗盡區，當P型和N型半導體材料結合時，由于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組織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，使勢壘削弱，使載流子擴散運動繼續形成電流，這就是PN結的單向導電性，電流方向是從P指向N。LED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，發光的波長與半導體材料的能級間隙Eg有關。發光波長可由下式確定：（17-1）式（17-1）中的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，其發光波長半寬度一般在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的關系由下式決定：（17-2）式中η為發光效率，Ep是光子能量，e是電荷常數。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。本實驗用一個驅動電流可調的紅色超高亮度發光二極管作為實驗用光源。系統采用的發光二極管驅動和調制電路如圖17-2所示。信號調制采用光強度調制的方法，圖17-2.發送光的設定、驅動和調制電路框圖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范圍為0~20毫安，對應面板上的光發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節，與發光二極管靜態驅動電流迭加后使發光二極管發送隨正弦波調制信號變化的光信號，如圖17-3所示，變化的光信號可用于測定光電池的頻率響應特性。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，當半導體PN結處于零偏或反偏時，在它們的結合面耗盡區存在一內電場，當有光照時，入射光子將把處于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結兩端可由式（17-3）確定（17-3）式（17-3）中Is為飽和電流，V為PN結兩端電壓，T為絕對溫度，為產生的光電流。從池輸出電壓隨輸入光強度的關系，記錄數據，并繪制曲線。硅光電池伏安特性測定在硅光電池輸入光強度不變時（取發光二極管靜態驅動電流為10mA），測量當負載從0~10K的范圍內變化時，光電池的輸出電壓隨負載電阻變化關系，記錄數據，并繪制曲線。硅光電池的頻率響應將功能轉換開關分別打到“零偏”和“負偏”處，將硅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(顯示為1000），在信號輸入端加正弦調制信號，使LED發送調制光信號，保持輸入正弦信號的幅度不變，調節信號發生器頻率，用示波器觀測并測定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，記錄數據，繪制幅頻特性曲線，并測定其截止頻率ft。【數據處理】表17-1光電流與輸入光信號關系特性輸入光信號光電流零偏負偏表17-2光伏電壓與輸入光信號關系測定負載電阻：輸入光信號光伏電壓表17-3伏安特性負載電阻輸出電壓表17-4頻率響應截止頻率：頻