光电池光敏电阻光电二极管特性参数的测量.docx
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光电池光敏电阻光电二极管特性参数的测量
物理实验报告
光电池/光敏电阻/光电二极管特性参数的测量
指导教师：
朱鹏飞
实验类型：
近代光学设计性实验
实验地点：
实训中心2号楼1楼2112教室
实验日期：
第12-14周（第二轮），每周，节次（例如34节）成绩：
学生姓名：
学号：
手机号：
Email:
概述
光电效应是指入射光子与探测器材料中的束缚电子发生相互作用，使束缚电子变成为自由电子的效应。
光电效应分为内光电效应与外光电效应两类。
入射光子引起探测器材料表面发射电子的效应称为外光电效应。
入射光子激发的载流子（电子或空穴）仍保留在材料内部的效应称为内光电效应。
内光电效应器件有光电导探测器（例如光敏电阻）、光生伏特器件（光电池、光电二极管、光电三极管）。
实验内容
测量三种内光电效应器件（光敏电阻、光电池、光电二极管）的特性参数。
注意事项
a）做实验请关灯，以达到良好的测量效果。
b）拆卸数据线时不要用力硬拽，拆不下来请转个角度拆。
c）请在自己的实验桌上做实验，不要到别的实验桌旁干扰同学做实验，更不要动他人的仪器。
d）请勿触摸光学镜片的表面。
e）测量时不要碰导线，否则数据不稳定。
更不能用力拉扯导线，导致接头脱落。
f）实验完毕关闭所有电源开关。
实验报告
报告开头请填入姓名、学号、手机号、实验日期。
实验完成后，请将报告打印出来，在有实验数据、图表的页脚签名，然后交到朱老师办公桌上（实训中心2号楼2楼2209室）。
Word文件请以“第几周-第几周+周几+几几节+姓名”命名，发到老师邮箱zpf@
朱教师手机：
光敏电阻的特性曲线测量
一.目的要求
测量CdS（硫化镉）光敏电阻的伏安特性和光照特性。
实验要求达到：
1、使用Excel或绘图软件Origin绘制出伏安特性特性曲线
2、绘制出光照特性曲线
3、理解光敏电阻的光电特性
二.实验原理
某些物质吸收了光子的能量产生本征吸收或杂质吸收，从而改变了物质电导率的现象称为物质的光电导效应。
光电导效应只发生在某些半导体材料中，金属没有光电导效应。
光敏电阻是基于光电导效应工作的元件。
光敏电阻具有体积小，坚固耐用，价格低廉，光谱响应范围宽等优点。
广泛应用于微弱辐射信号的探测领域。
由于光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，只要把它当作电阻值随光照度而变化的可变电阻器对待即可，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。
因此光敏电阻在电子电路、仪器仪表、光电控制、计量分析以及光电制导、激光外差探测等领域中获得了十分广泛的应用。
如图，光功率为P的光照射到光敏电阻上，假设光全部被吸收，则光敏层单位时间所吸收的光量子数密度N应为：
（1）
光敏层每秒产生的电子数密度Ge为：
（2）
η为有效量子效率，表示入射光子转换为光电子的效率。
它定义为：
（3）
理想情况下，入射一个光量子产生一对电子空穴，η=1。
实际上，η<1。
光敏层内电子总产生率应为热电子产生率Gt与光电子产生率Ge之和：
（4）
在热平衡状态下，半导体的热电子产生率Gt与热电子复合率rt相平衡。
导带中的电子与价带中的空穴的总复合率R应为：
（5）
式中，Kf为载流子的复合几率，Δn为导带中的光生电子浓度，Δp为导带中的光生空穴浓度，ni与pi分别为热激发电子与空穴的浓度。
同样，热电子复合率与导带内热电子浓度ni及价带内空穴浓度pi的乘积成正比。
即
（6）
在热平衡状态载流子的产生率应与复合率相等。
即
（7）
在非平衡状态下，载流子的时间变化率应等于载流子的总产生率与总复合率的差：
（8）
下面分为弱光与强光照射两种情况讨论式（8）：
①在弱光照射下
光生载流子浓度Δn远小于热激发电子浓度ni，光生空穴浓度Δp远小于热激发空穴的浓度pi，并考虑到本征吸收的特点，Δn=Δp，式（8）可简化为
（9）
利用初始条件t=0时，Δn=0，解微分方程得：
（10）
式中τ=1/Kf（ni+pi），称为载流子的平均寿命。
由式（10）可见，光激发载流子浓度随时间按指数规律上升，当t>>τ时，载流子浓度Δn达到稳态值Δn0，即达到动态平衡状态：
（11）
光激发载流子引起半导体电导率的变化为：
（12）
式中，μ为电子迁移率μn与空穴迁移率μp之和。
光敏电阻受光照后阻值会变小也可以这么定性理解：
当内光电效应发生时，固体材料吸收的能量使部分价带电子迁移到导带，同时在价带中留下空穴。
这样材料中的载流子数目增加，材料的电导率也就增加。
当光敏电阻两端加上电压U后，光电流为：
（13）
A为与电流垂直的截面积，d为电极间的距离。
由式（12）与式（13）可知：
在一定照度下，光敏电阻两端所加电压与光电流为线性关系，伏安特性曲线符合欧姆定律。
光敏电阻具有与普通电阻相似的伏安特性，但它的电阻值是随入射光照度变化的。
可以测出在不同光照下加在光敏电阻两端的电压与流过它的电流的关系曲线，即光敏电阻的伏安特性曲线，伏安特性曲线过零点，其斜率为某光照度下的电阻值。
图1不同光照下光敏电阻的伏安特性曲线
弱光照射下半导体材料的光电导g为：
（14）
可以看出，弱光照下的半导体材料的电导与光功率P成线性关系。
光照度越大，电导越大，电阻的阻值越小。
将式（14）两边微分得：
（15）
由此可得半导体材料在弱光照射下的光电导灵敏度：
（16）
可见，在弱光照射下的半导体材料的光电导灵敏度与光电导材料两电极间的长度l的平方成反比，为与材料性质有关的常数。
电导随光照量变化越大的光敏电阻就越灵敏。
在一定外加电压下，光敏电阻的光电流与光通量之间的关系称为光照特性。
光敏电阻阻值随光照的增加而减小。
当照度很低时，光敏电阻的光照特性近似为线性关系，斜率大致相同。
随光照度的增高，光照特性从线性渐变到非线性。
当照度变得很高时，曲线近似为抛物线性。
图2光敏电阻的光照特性曲线
②在强光照射下
Δn>>ni，Δp>>pi，式（8）可以简化为：
（17）
利用初始条件t=0时，Δn=0，解微分方程得：
（18）
式中
为强光照作用下载流子的平均寿命。
在强光照情况下，半导体材料的光电导与光功率为抛物线关系：
（19）
两边微分得：
（20）
半导体材料在强光照射下的光电导灵敏：
（21）
在强光照射下半导体材料的光电导灵敏度不仅与材料的性质有关而且与光照度有关，是非线性的。
从图2可以看出，光照度越高，光电导灵敏度越低。
三.实验装置
仪器设备主要有：
导轨、光具座、LED光源、CdS光敏电阻、电源箱、数字检流计、硬纸片。
光源为发光二极管，它具有效率高、体积小、耗电少、寿命长等优点，且改变电源电压可以改变LED灯亮度。
为了充分利用光源，在光源后放置了透镜L1，这样点光源经透镜L1为出射平行光，再经棱镜L2聚焦到光敏电阻上。
为了减少环境光的影响，将光敏电阻置于遮光筒内，遮光筒开有一小孔，供发光二极管的光照入。
光照度的变化通过转动偏振片P1和P2的夹角达到减光效果，由马吕斯定律：
（22）
I0为当两偏振片平行时的出射光强。
当两偏振片之间有夹角α时，光强就按式（22）减小，也就是起到减光效果。
I为通过偏振片后的光强。
实验所用光敏电阻为最常见的CdS（硫化镉）光敏电阻。
它的光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率，峰值响应波长为0.52μm，在可见光波段范围内的灵敏度最高，因此，被广泛地应用于灯光的自动控制，照相机中电子快门的自动测光等。
三种光敏电阻的光谱响应特性
四.实验步骤、测量内容
（1）将发光二极管的底座锁定螺丝顺时针拧紧，固定在滑轨上。
打开发光二极管的电源盒背面的开关，将电源盒面板上的旋钮顺时针旋到底（即光照度开到最大）。
将透镜L1滑动到距离发光二极管9厘米处（L1透镜的焦距），将底座的锁定螺丝顺时针拧紧在滑轨上。
（2）光路同轴等高调节：
将所有的器件调到同一高度，光束穿过各器件的中心。
（3）在光敏电阻前立一张硬纸片。
一边滑动透镜L2，一边观察纸上的光斑，使光斑聚成尽可能小的光点。
如果聚光效果仍不够好，可以在滑动透镜L2的同时，稍微滑动透镜L1，以达到良好的聚光效果。
（4）撤掉硬纸片，将光敏电阻的黑色扇形挡板转开，露出光敏电阻黄色转盘上的小孔，观察光是否照进小孔。
将导线的一端插入转盘上“光敏电阻”背面的插口。
背面有三个插口，要插入到“光敏电阻”正背后的那个插口。
插入即可，不必旋转。
导线另一端连接到“LM07光电池光敏电阻综合实验仪”电控箱面板上的“光电阻”接口，将“MT数字检流计”电控箱背面的导线接到“LM07光电池光敏电阻综合实验仪”电控箱面板上的“光电流”接口，将电控箱上面板上的光电阻开关拨到“开”的位置。
（5）打开“LM07光电池光敏电阻综合实验仪”的电源开关。
面板右上角的“电压调节”旋钮可调节“供给电压”（对光敏电阻施加的外部电压）。
（6）将两只偏振片P1、P2转盘上的0°刻度线与标线对齐。
打开“MT数字检流计”的电源开关。
面板上显示的是光电流数值。
如果光电流显示为1，表示数值溢出了，请将增益旋钮逆时针旋到最小。
将“供给电压”从10V→8V→6V→4V→2V→0V依次递减，把相应的光电流数值填入表1中。
（7）旋转两偏振片中的一只，每次转15°，直到两偏振片的光轴夹角为90°。
每次转角度后，将“供给电压”从10V→8V→6V→4V→2V→0V依次递减，把相应的光电流数值填入表1中。
注意：
由于经常旋转偏振器的转盘，螺丝可能脱扣。
即使两只转盘上的0°刻度线与标线对齐，并不代表真实情况是这样。
可以转动其中一只偏振器的刻度盘，当光电流最大时，视作两偏振片的光轴夹角为0°，然后再依次转15°。
五.
数据记录与绘图
表1不同光照下加在光敏电阻两端的电压与流过它的电流的关系
α
cos2α
I（μA）
U=0V
U=2V
U=4V
U=6V
U=8V
U=10V
90°
0
75°
0.07
60°
0.25
45°
0.5
30°
0.75
15°
0.93
0°
1
根据表1中的数据，使用Excel或绘图软件Origin绘制出如图1所示的光敏电阻伏安特性曲线。
1μA=1×10-6A
对表1中的数据进行线性拟合，电脑算出直线的斜率，将斜率填入表2中。
斜率的倒数即光敏电阻在不同光照度下的电阻值，将计算出的电阻值也填入表2中。
1KΩ=1×103Ω
表2光敏电阻阻值与光照度的关系
α
cos2α
伏安特性曲线的斜率k
电阻R=1/k（KΩ）
90°
0
75°
0.07
60°
0.25
45°
0.5
30°
0.75
15°
0.9
0°
1
根据表2的数据，使用Excel或绘图软件Origin绘制出光敏电阻的光照特性曲线：
五.观察与思考
1、随着温度的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度会怎样？
2、光敏电阻效应有什么可能的应用？
光电池的特性曲线测量
目的要求
测量光电池的光照特性和伏安特性。
实验要求达到：
1、测量光电池在光照状态下的短路电流Isc、开路电压Uoc、最大输出功率Pmax、填充因子FF
2、了解光电池的光伏特性和黑暗状态下的伏安特性（二极管特性）
实验原理
1839年，法国科学家贝克雷尔（Becqurel）就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。
这种现象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。
具有光生伏特效应的半导体材料有很多，例如硅（Si）、锗（Ge）、硒（Se）、砷化镓（GaAs）等半导体材料。
利用这些材料能够制造出具有各种特点的光生伏特器件，其中硅光生伏特器件具有制造工艺简单、成本低等特点使它成为目前应用最广泛的光生伏特器件。
常见的光生伏特器件有光电池、光电二极管、光电三极管、CCD等。
光生伏特器件工作基于PN结的光伏效应。
PN结的基本特征是它的电学不对称性。
在结区有一个从N侧指向P侧的内建电场存在。
热平衡下，多数载流子（N侧的电子和P侧的空穴）的扩散作用与少数载流子（N侧的空穴和P侧的电子）由于内电场的漂移作用相抵消，没有净电流通过PN结。
此时，用电压表量不出PN结两端有电压，称为零偏状态。
当照射光激发出电子一空穴对时,电势垒的内建电场将把电子一空穴对分开,从而在势垒两侧形成电荷堆积,形成光生伏特效应。
如果说光导现象是半导体材料的体效应，那么光伏现象则是半导体材料的“结”效应。
也就是说,实现光伏效应需要有内部电势垒,当照射光激发出电子一空穴对时,电势垒的内建电场将把电子一空穴对分开,从而在势垒两侧形成电荷堆积,形成光生伏特效应。
这个内部电势垒可以是PN结、PIN结、肖特基势垒结以及异质结等。
这里我们主要讨论PN结的光伏效应，它不仅最简单，而且是基础。
如果PN结正向电压偏置（P区接正，N区接负），则有较大正向电流流过PN结。
如果把PN结反向电压偏置（P区接负，N区接正），则有一很小的反向电流通过PN结，这个电流在反向击穿前几乎不变，称为反向饱和电流。
PN结的伏安特性为：
式中Id是暗（指无光照）电流，Iso是反向饱和电流，U是偏置电压（正向偏置为正，反向偏置为负），e是电子电荷量，kB是波尔兹曼常数，T是绝对温度。
PN结光伏探测器的典型结构及作用原理如图所示：
（a）光伏探测器的典型结构（b）工作原理
假定光生电子一空穴对在PN结的结区，即耗尽区内产生。
由一内电场的作用，电子向N区、空穴向P区漂移运动，被内电场分离的电子和空穴就在外回路中形成电流。
为了说明光功率转换成光电流的关系，我们设想光伏探测器两端被短路，并用一理想电流表记录光照下流过回路的电流，这个电流常常称为短路光电流。
和光电导探测器不同，光伏探测器的工作特性要复杂一些，通常有光电池和光电二极管之分。
也就是说，光伏探测器有着不同的工作模式。
光电池又叫光伏电池，它可以把外界的光转为电信号或电能。
实际上这种光电池是由大面积的PN结形成的，即在N型硅片上扩散硼形成P型层，并用电极引线把P型和N型层引出，形成正负电极。
为防止表面反射光，提高转换效率，通常在器件受光面上进行氧化，形成二氧化硅保护膜。
在光照状态下，一个PN结光伏探测器可等效为一个理想恒流源（光电流源）、理想二极管、并联电阻Rsh、电阻RS所组成，那么光电池的工作如图：
IPh为光电池在光照时该等效电源输出电流。
Id为光照时，通过光电池内部二极管的电流。
I为光电池的输出电流，U为输出电压。
由基尔霍夫定律：
可得：
假设
和
，可简化为：
短路时：
，
而开路时：
，
可以得到：
（1）
式
（1）即为在
和
的情况下，光电池的开路电压UOC和短路电流ISC的关系式。
其中UOC为开路电压，ISC为短路电流。
短路电流和开路电压是光电池的两个非常重要的工作状态，它们分别对应于
和
的情况。
当光电池外接负载电阻
时，负载所获得的功率为：
PL=IL2RL
负载电阻RL所获得的功率PL与负载电阻的阻值有关。
让我们来看以下三种情况：
（1）当RL=0（电路为短路）时，U=0，输出功率PL=0；
（2）当∞＜RL＜0时，输出功率PL＞0。
（3）当RL=∞（电路为开路）时，IL=0，输出功率PL=0；
显然，存在着最佳匹配负载电阻RL=Ropt。
在最佳负载电阻情况下，负载可以获得最大的
输出功率Pmax。
Ropt取决于光电池的内阻。
由于UOC和ISC均随光照度的增强而增大，所不同的是UOC与光照度的对数成正比，ISC与光照度成正比（在弱光下），所以Ropt亦随光照度变化而变化。
UOC、ISC和Ropt都是光电池的重要参数。
填充因子FF是表征光电池性能优劣的指标，可用下式表示：
填充因子一般在0.5~0.8之间
实验装置
仪器设备主要有：
导轨、光具座、LED光源、光电池、电源箱、数字检流计、硬纸片。
光源为发光二极管，它具有效率高、体积小、耗电少、寿命长等优点，且改变电源电压可以改变LED灯亮度。
为了充分利用光源，在光源后放置了透镜L1，这样点光源经透镜L1为出射平行光，再经棱镜L2聚焦到光敏电阻上。
为了减少环境光的影响，将光敏电阻置于遮光筒内，遮光筒开有一小孔，供发光二极管的光照入。
实验步骤：
（1）将发光二极管的底座锁定螺丝顺时针拧紧，固定在滑轨上。
打开发光二极管的电源盒背面的开关，将电源盒面板上的旋钮顺时针旋到底（即光照度开到最大）。
将透镜L1滑动到距离发光二极管9厘米处（L1透镜的焦距），将底座的锁定螺丝顺时针拧紧在滑轨上。
（2）光路同轴等高调节：
将所有的器件调到同一高度，光束穿过各器件的中心。
（3）在光电池前立一张硬纸片。
一边滑动透镜L2，一边观察纸上的光斑，使光斑聚成尽可能小的光点。
如果聚光效果仍不够好，可以在滑动透镜L2的同时，稍微滑动透镜L1，以达到良好的聚光效果。
（4）撤掉硬纸片，将光电池的黑色扇形挡板转开，露出光电池的小孔，观察光是否照进小孔。
将导线的一端插入转盘背面的插口。
背面有三个插口，要插入到“光电池”正背后的那个插口。
插入即可，不必旋转。
导线另一端连接到“LM07光电池光敏电阻综合实验仪”电控箱面板上的“光电池”接口。
（5）将“LM07光电池光敏电阻综合实验仪”面板右上角的“电压调节”旋钮逆时针旋到最小。
在做光电池光照特性实验时，不要调节“供给电压”的旋钮，否则稳压电源将给光电池供电，而不是光电池本身放电。
（6）打开“LM07光电池光敏电阻综合实验仪”的电源开关。
将电控箱面板上的光电阻开关拨到“关”的位置。
将光电池的明开关拨到“开”位置，暗开关拨到“关”位置，将面板上“电阻调节”旋钮逆时针旋到底（阻值最小）。
将U1/U2开关拨到“U1”，此时“电压测量”显示的读数为0，表明此时流经光电池的电流为短路电流。
如果光电流显示为1，表示数值溢出了，逆时针旋下光电检流计的钮旋，但不要旋到底。
（7）顺时针旋转“电阻调节”旋钮，将电阻由最小逐步调到最大。
每调一次电阻值，记录下光电流和输出电压U1，把数据填入下表中。
如果光电流显示为0，请顺时针旋光电检流计的钮旋。
注意：
明状态时，光电检流计所测电流为负，这与由检流计的方向有关，只用记录绝对值，不必记录正负号。
由于经常旋转偏振器的转盘，螺丝可能脱扣。
即使两只转盘上的0°刻度线与标线对齐，并不代表真实情况是这样。
表1不同负载下，光电池的光电流、输出电压、输出功率的变化情况
输出电压U1
（V）
光电流I
（μA）
负载电阻=U1/I（K
）
输出功率P=U1I
（μW）
光电池的输出电压与光电流的关系
光电池的输出功率和负载电阻的关系
找出上图中的功率最大值，利用公式
计算出光电池的填充因子。
式中的短路电流Isc为表1中的最大电流，开路电压Uoc为表1中的最大电压。
（8）旋转两偏振片中的一只，每次转15°之后：
逆时针旋“电阻调节”的旋钮到底（电阻接近零），记下此时的短路光电流Isc；再顺时针旋“电阻调节”的旋钮到底（电阻达到最大值33kΩ），记下此时的开路电压UOC
表2开路电压UOC、短路光电流Isc与光照度的关系
α
cos2α
Isc（μA）
UOC（V）
0°
1
15°
0.93
30°
0.75
45°
0.5
60°
0.25
75°
0.07
90°
0
理论上，光电流与光照度之间有线性关系：
请用你的实验数据作图看是否为线性关系。
光照度与短路光电流的关系
UOC与光照度J/J0的关系是近似函数
可以看出，当光照度减弱时，光电池的输出电流与开路电压都在减小。
光照度与开路电压的关系
（9）关掉LED光源。
将光电池的明开关拨到“关”位置，将暗开关拨到“开”位置。
旋转黑色扇形挡板遮住光电池的入射孔，使光电池处于黑暗状态。
黑暗状态下的光电池工作如图2。
黑暗状态下的光电池等效电路
在黑暗状态下光电池在电路中就如同二极管。
此时加在光电池两端的正向偏压U与通过它的电流I之间的关系式为：
式中Id是暗（指无光照）电流，Iso是反向饱和电流，U是偏置电压（正向偏置为正，反向偏置为负），e是电子电荷量，kB是波尔兹曼常数，T是绝对温度。
（10）把“电阻调节”的旋钮顺时针旋转到最大（阻值33kΩ）。
将U1/U2开关拨到“U2”，此时测量负载电阻两端的电压U2，电流I=U2/33kΩ。
此时光电池如同二极管在工作。
顺时针旋转“电压调节”旋钮，“供给电压”将显示出对光电池施加的正向偏压U的大小，计算出通过它的电流，填入表中。
表3
U
U2
I=U2/33kΩ（μA）
根据数据使用Excel或绘图软件Origin绘制出光电池电流与正向偏压U的曲线。
由图可看出，黑暗状态下光电池的工作状态与二极管加正向偏压下类似。
观察与思考
1、光伏器件与光电导探测器件有何不同？
2、最佳匹配负载电阻随光照度的增大如何变化？
光电二极管特性曲线的测量
目的要求
测量光电二极管在不同光照度下的特性曲线。
实验原理
光电二极管又称光敏二极管。
制造一般光电二极管的材料几乎全部选用硅或锗的单晶材料。
由于硅器件较锗器件暗电流、温度系数都小得多,加之制作硅器件采用的平面工艺使其管芯结构很容易精确控制，因此,硅光电二极管得到了广泛应用。
硅光电二极管的封装有多种形式。
常见的是金属外壳加入射窗口封装。
入射光通过窗口玻璃照射在管芯上。
窗口玻璃又有凸透镜和平面之分。
凸透镜有聚光作用，有利于提高灵敏度。
而且由于聚焦位置与入射光方向有关，因此还能减小杂散背景光的干扰。
缺点是灵敏度随方向而变，因此给对准和可靠性带来问题。
采用平面玻璃窗口的硅光电二极管虽然没有尖锐的对准问题，但易受杂散光干扰的影响。
硅光电二极管的外型及灵敏度的方向性如图所示。
（a）硅光电二极管的外形；（b）灵敏度随角度的变化
发光二极管管芯是一个具有光敏特性的PN结，它被封装在管壳内。
发光二极管管芯的光敏面是通过扩散工艺在N型单晶硅上形成的一层薄膜，称为p+n结构。
光敏二极管的管芯以及管芯上的PN结面积做得较大，而管芯上的电极面积做得较小，PN结的结深比普通半导体二极管做得浅，这些结构上的特点都是为了提高光电转换的能力。
另外，与普通半导体二极管一样，在硅片上生长了一层SiO2保护层，它把PN结的边缘保护起来，从而提高了管子的稳定性，减少了暗电流。
硅电二极管的典型结构
在无辐射（暗室中）的情况下，PN结硅光电二极管的正、反向特性与普通PN结二极管的特性一样，其电流方程为:
Id为U为负值（反向偏置时）且|U|>>kT/q时（室温下kT/q≈0.26mV，很容易满足这个条件）的电流，称为反向电流或暗电流。
无光照时，电路中也有很小的反向饱和漏电流，一般为1×10-8~1×10-9A（称为暗电流），
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