光电池特性的测试与光电阻特性的测试.docVIP

7实验 光电池特性的测试与光电阻特性的测试 1光电池特性 光电池是一种直接将光能转换成电能的光电器件，主要结构是一个大面积的P-N级，当光线照射到P-N级上时，就会在P-N级两端出现电动势（P区为正；N区为负）。 产生上述物理现象的原理是：因为当N型半导体材料与P型半导体材料结合在一起时，因为热运动，N区中的电子就向P区扩散，而P区中的空穴则向N区扩散，因而在PN结的P区边积聚大量的电子；而N区边汇集起大量的空穴，于是在PN结的过渡区建立一个电场，它要阻止N区中的电子和P区中的空穴向对方边区扩散，但同时确能推动N区中的空穴（少数载流子）和P区中的电子（少数载流子）向对方运动。一旦具有一定光强的光照射到PN结上时，那么在PN结中能激起大量的电子—空穴对，在PN结的电场作用下，N区的空穴流向P区，使P区边的空穴数堆积而带上正电荷。同理在电子大量地涌入N区的情况下，使N区带上负电荷。如此在P区于N区之间就出现了电位差，这时如果在PN结两端装有电极，用高内阻的电压表测量电极的两端，就能测到电压；如果接上电流表，就能测到电流，如图1所示。 这就是光电池的工作原理。然光电池在不同光强与波长的光照射下又会是如何的情况呢？这就需要了解光电池的光谱特性，光照特性及频率特性。 1 光谱特性： 光电池对不同的波长的光反映的灵敏度是不同的，图2表示硅光电池与硒光电池的光谱特性曲线，由图可知：硅光电池的光谱响应范围是波长4000?——12000?，在波长为8000 ?时达到峰值，而硒光电池的峰值出现在5000 ?左右，波长的范围是3800——7500 ? 2光照特性： 光电池所产生的电动势与光照的强度有密切的关系，图3表示硅光电池的开路电压与短路电流和光照强 度的关系，由图可见硅光电池的开路电压与光照是一种非线性关系，当光照强度在200勒克斯时就趋向饱和。而短路电流在很大的范围内与光照成线型关系，因此使用光电池作为测量元件使用时，应该把它当成电流源的形式来研究，因为短路电流与光强是线性的，处理起来比较方便，而不要当成电压源使用。需要说明的是这里说的短路电流与开路电压与平时意义上不同，它是指外负载电阻相对与内阻非常小时候的电流值，以及外负载很大时的端电压。实验时外负载电阻15Ω时，就认为是短路电流，而5.0K时，就认为是开路电压。经实验证明外负载越小线性度越好。 3频率特性： 因为不同颜色的光有不同的波长，因此它们的光照频率也不同，光电池的频率特性是指输出电流随调制光的频率变化的关系，图4分别表示硅光电池与硒光电池的频率响应曲线，可见硅光电池有较好的频率特性，而硒光电池则较差。 目前光电池的种类很多，有硒光电池，氧化亚铜光电池， 光电池，硅光电池以及磷化镓电池等，但从使用的情况来看，由于硅光电池有一系列的优点，所以它最受使用者的重视，所以下面的实验当然是使用硅光电池 2光电阻特性： 光敏电阻又名光导管，是非常常用的光敏器件之一，它是由半导体材料制成，例如硫化镉，硫化铅 ，硫化铋以及硒化镉等，但使用较常见的是硫化镉（cds）。 光电阻的工作原理是：当电阻没有光照时，光敏电阻的阻值（即暗电阻）很大，因此电路中的电流很小，但一旦受到某一频段的光照时时，光敏电阻的阻值（即亮电阻）会明显地减少，电路中的电流会迅速增加。由于半导体在光的作用下，电导率的变化只局限在光照物的表面簿层，因此制造光敏电阻的半导体材料只是惨杂在物体的表层，图5是光敏电阻的外形与结构图，为了提高光敏电阻的灵敏度，常常将光敏电阻的电极做成梳状电极。由于半导体材料容易受潮，所以在光敏电阻的受光窗口用透明的胶水密封起来。 光敏电阻的主要技术指标是： 1：暗电阻，暗电流，是指光敏电阻没有受到光照时的阻值，及在此情况下的工作电流，按原理分析暗电阻较大，而暗电流较小。 2：亮电阻，亮电流是指在光照下测得的电阻及电流，平时将亮电流与暗电流之差叫成光敏电阻的光电流。 3光敏电阻的光谱特性： 光敏电阻在不同波长的入射光的照 图5 射下，反映的灵敏度不一样，图6示出硫化镉，硫化铅材料制成的光敏电阻在光照下的光谱特性，由图可见不同的材料对光的反映不一样，而同种材料对不同的波长反映也不一样。 4：光敏电阻的光电特性： 在一定电压的作用下，光敏电阻的光电流与照射光的光通量之间的关系定义为光电特性。在实验时通常将光通量转换成照度，所以称光照特性，图7是光电流与光照度的函数关系，，图中可以看出光电特性的非线性性在光照强较大时光电流呈现饱和趋向；在 在光照强较小时光电阻即暗电阻很大。正是由于光敏电阻具有非线性的光电特性，因此光敏电阻不适合做测量元件，只适合做光电导开关元件。 5：光敏电阻的伏安特性： 在恒定光通量照射下，光敏电阻的电压与光电流的关系定义为光敏电阻的伏安特性。图8是硫化镉光敏电阻的伏安特性，可以看出光敏电阻是一