硅光电池特性研究
【实验目的】
1．掌握PN结形成原理及其工作原理；
2．了解LED发光二极管的驱动电流和输出功率的关系；
3．掌握硅光电池的工作原理及其工作特性。
【实验原理】
1. 半导体PN结原理
目前半导体光电探测器在数码摄像、光通信、太阳电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深刻理解硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN结原理、光电效应理论和光伏电池产生机理。
(a) 零偏
(b) 反偏(c) 正偏
图1. 半导体PN结在零偏、反偏、正偏下的耗尽区
图1是半导体PN结在零偏、正偏、反偏下的耗尽区。当P型和N型半导体材料结合时，即没有外加电压的零偏时（图1a），由于P型材料多数载流子为空穴（带正电荷，P ositive charge），而N
型材料多数载流子为电子（带负电荷，N egative charge ），结果各自的多数载流子向对方扩散，扩散的结果使得电子与空穴在结合区复合，则两侧的P 型区出现负电荷，N 型区带正电荷，形成一个势垒（对于硅，约为0.7 V ），由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续进行。当两者达到平衡时，在PN 结两侧形成一个耗尽区。耗尽区的特点是无自由载流子，呈现高阻抗。当PN 结反偏时（图1b ），外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，使势垒加强，更加不利于多数载流子的扩散运动，但有利于由于温度效应被激发的少数载流子的漂移运动，导致极小的反向电流。若干反向电压足够大，则该反向电流将达到一个饱和电流I S (<1 μA)；当PN 结正偏时（图1c ），外加电场与内电场方向相反，耗尽区在外电场作用下变窄，使势垒削弱。当外加电压大于开启电压（对于硅，约为0.5 V ），势垒将被消除，多数载流子的扩散运动将持续进行，形成P →N 方向的正向电流I ，这就是PN 结的单向导电性。
2. 发光二极管LED 工作原理
当某些半导体材料形成的PN 结加正向电压时，空穴与电子在PN 结复合时将产生特定波长的光，发光的波长与半导体材料的能级间隙E g 有关。发光波长λP 可由下式确定：
p g /hc E λ= （1）
式中的h 为普朗克常数，c 为光速。在实际的半导体材料中能级间隙E g 有一个宽度，因此发光二极管发出光的波长不是单一的，其发光波长半宽度一般在25~40nm 左右，随半导体材料的不同而有差别。发光二极管输出光功率P 与驱动电流I L 的关系由下式决定：
p L /p E I e η= （2）
式中η为发光效率，E p 是光子能量，e 是电荷常数。
输出光功率与驱动电流呈线性关系，当电流较大时由于PN 结不能及时散热，输出光功率可能会趋向饱和。本实验用一个驱动电流可调的红色超高亮度发光二极管LED 作为实验用光源，采用的发光二极管驱动和调制电路如图2所示，其中的信号调制采用光强度调制的方法，
图2. 发送光的设定、驱动和调制电路框图 图3. LED 的正弦信号调制原理
发送光强度调节器用来调节流过LED 的静态驱动电流，从而改变发光二极管的发射光功率。设
E V 100 Ω
E
R L
I
定的静态驱动电流I L 调节范围为0~20 mA ，对应面板上的光发送强度驱动显示值V E 为0~2000 mV （V E ＝100I L ，对应I L 时，小数点在倒数第二位之前，单位为mA ，即XX.XX mA ）。正弦调制信号(频率f =1～1000 KHz)经电容、电阻网络及运放跟随隔离后耦合到放大环节，与发光二极管静态驱动电流迭加后使发光二极管发送随正弦波调制信号变化的光信号，如图3所示，变化的光信号可用于测定光电池的频率响应特性。
3. 硅光电池SPC (Silicon Photocell)的工作原理
硅光电池是一个大面积的光电二极管（Photodiode ），它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能，因此可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等的能源。
当半导体PN 结处于零偏或反偏时，在它的结合面耗尽区存在一内电场。当有光照时，入射光子将把处于价带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子-空穴对在内电场作用下分别漂移到N 型区和P 型区，形成一个正向光伏电压V P ，可用作光电池SPC ，对外输出电流。当在PN 结两端加负载时就有一光生电流I P 流过负载，方向是从P 型区流入负载，然后流入光电二极管的N 型区，与PN 结的正向导通电流方向相反。于是，流过PN 结两端的电流I 可由式（3）确定：
S p (1)eV
kT I I e I =-- （3）
其中I S 为没有光照射时的反向饱和电流，V 为PN 结两端电压，T 为绝对温度，k 为玻尔兹曼常数，I P 为产生的光电流。室温300 K 下，e/kT =26 mV 。从式中可以看到，当光电二极管处于零偏时，V =0 V ，流过PN 结的电流I = –I P ；当光电二极管处于反偏时（本实验取–5 V ），流过PN 结的电流I ≡–I PS = –( I P +I S ), 从而I S = I PS – I P 。因此，当光电二极管光电池用作光电池时，光电二极管必须处于零偏，而用作一般的光电转换器时，必须处于零偏或反偏状态。
光电池SPC 处于零偏或反偏状态时，产生的光电流I P 与输入光功率P i 有以下关系：
p L i I R P I =∝ （4）
式中R 为响应率，R 值随入射光波长的不同而变化，对不同材料制作的光电池R 值分别在短波长和长波长处存在一截止波长，在长波长处要求入射光子的能量大于材料的能级间隙E g ，以保证处于价带中的束缚电子得到足够的能量被激发到导带，对于硅光电池其长波截止波长为λT =1.1 μm ，在短波长处也由于材料有较大紫外吸收系数使R 值很小。
图4左部是光电信号接收端的工作原理框图，光电池把接收到的光信号转变为与之成正比的电流信号(μA 级)，再经电流电压转换器(I/V 转换器)把光电信号转换成与之成正比的电压信号(mV 级)。比较光电池零偏和反偏时的信号，就可以测定光电池的I S 。当发送的光信号被正弦信号调制时，则光电池输出电压信号中将包含正弦信号，据此可通过示波器测定光电池的频率响应特性。 4. 光电池的负载特性
光电池作为电池使用如图4右部所示。在内电场的作用下，入射光子由于内光电效应把处于价带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压V P ，在光电池两端加一个负载R L 就会有电流流过，当负载电阻R L 很大时，电压较大；当负载电阻R L 很小时，电压较小。实验时可改变负载电阻R L 的值来测定光电池的负载特性，进而可以得到光电池的伏安特性。
零偏反偏
0 V
图4. 光电池光电信号接收、特性测试框图(数字1~4分别表示需连线的4个实验序号)。
除示波器外，其它全部器件在TKGD-1型硅光电池特性仪上
【仪器设备】
TKGD-1型硅光电池特性仪、信号发生器、双踪示波器
【实验内容与步骤】
1. 硅光电池光伏电压与输入光信号关系特性测定
将功能转换开关打到“负载”处，将硅光电池输出端连接恒定负载电阻R L（如取5K）和特性仪上的数字电压表，从19~1 mA调节发光二极管静态驱动电流（2 mA/步），实验测定光电池输出电压随输入光强度的关系（若I L＝19 mA时V P超量程，则适当减小R L），记录数据，并绘制V P–I L曲线。
2. 硅光电池负载特性测定
在硅光电池输入光强度不变时（取I L=10 mA），测量当负载从1~10 KΩ的范围内变化（1 KΩ/步）时，光电池的输出电压V P随负载电阻R L的变化关系，记录数据，求出对应的I P，并绘制V P–R L 和I P-V P曲线。
3. 硅光电池光电流与输入光信号关系特性测定
打开特性仪电源，调节发光二极管静态驱动电流I L，其调节范围0~20 mA（相应于发光强度指示0~2000，具体数值对应I L＝XX.XX mA），将偏置电压切换分别打到零偏和反偏，将硅光电池输出端连接到I/V转换器的输入端，将I/V转化器的输出端连接到特性仪上的毫伏表(XXX.X mV, 本组转换器一般1 μA光电流I P转换为约2.5~5.0 mV的输出电压，因仪器具体情况有所区别)的输入端，分别测定光电池在零偏和反偏时光电流I(I P和I PS)与输入光信号I L关系。记录数据(I L取整)，并在同一张坐标纸上作图I P/I PS–I L，比较光电池在零偏和反偏时两条曲线关系，求出光电池的饱和电流I S 的平均值。
4. 硅光电池的频率响应特性测定
打开信号发生器、双踪示波器电源，将功能转换开关打到“零偏”处，将硅光电池的输出连接到I/V转换模块的输入端。令LED偏置电流为10 mA，在信号输入端加正弦调制信号，使LED发送调制光信号，保持输入正弦信号的幅度(V PP=5 V)不变，调节信号发生器频率（1, 10, 20 KHz，然后20 KHz/步），用示波器观测并测定记录发送光信号的频率变化时，光电池输出信号幅度(交流成份的峰－峰值) u PP (mV)的变化，测定光电池在零偏条件下的幅频特性，记录数据，绘制幅频特性u P–f曲线，并估出其截止频率f T (10 KHz处幅度的70.7%，估计精确到10 KHz)。
【数据记录与处理】
表1 SPC光伏电压与输入光信号关系特性负载电阻：KΩ
表2 SPC负载特性
表3 SPC光电流与输入光信号关系特性I S平均值：μA
表4 SPC频率响应特性截止频率f T：KHz
【思考题】
1．光电池在工作时为什么要处于零偏或反偏？
2．光电池用于线性光电探测器时，对耗尽区的内部电场有何要求？
3．光电池对入射光的波长有何要求？
4．当单个光电池外加负载时，其两端产生的光伏电压为何不会超过0.7 V？
5．该光电池接近于一个恒压源还是一个恒流源？近似恒定值平均为多少？