硅光电池特性研究

【实验目的】

1、掌握pn结形成原理及其单向导电性等工作机理。

2、了解LED发光二极管的驱动电流和输出光功率的关系。

3、掌握硅光电池的工作原理及负载特性。

【实验仪器】

THKGD-1型硅光电池特性实验仪，函数信号发生器，双踪示波器。

【实验原理】

1．pn结的形成及单向导电性

图1  pn结示意图

由于p区有大量空穴（浓度大），而n区的空穴极少（浓度小），因此空穴要从浓度大的p区向浓度小的n区扩散，并与n区的电子复合，在交界面附近的空穴扩散到n区，在交界面附近一侧的p区留下一些带负电的三价杂质离子，形成负空间电荷区。同样，n区的自由电子也要向p区扩散，并与p区的空穴复合，在交界面附近一侧的n区留下一些带正电的五价杂质离子，形成正空间电荷区。这些离子是不能移动的，因而在p型半导体和n型半导体交界面两侧形成一层很薄的空间电荷区，也称为耗尽层，这个空间电荷区就是pn结，如图1所示。正负空间电荷在交界面两侧形成一个电场，称为内电场E_内，其方向从带正电的n区指向带负电的p区，如图所示。由p区向n区扩散的空穴在空间电荷区将受到内电场的阻力，而由n区向p区扩散的自由电子也将受到内电场的阻力，即内电场对多数载流子（p区的空穴和n区的自由电子）的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。

空间电荷区的内电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，这是一个方面。但另一方面，内电场对少数载流子（p区的自由电子和n区的空穴）则可推动它们越过空间电荷区，进入对方区域。少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。

扩散和漂移是相互联系的，又是相互矛盾的。在开始形成空间电荷区时，多数载流子的扩散运动占优势，但在扩散运动进行过程中，空间电荷区逐渐加宽，内电场逐步加强。于是在一定条件下（例如温度一定），多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强。最后，载流子的扩散运动和漂移运动达到动态平衡，p区的空穴（多数载流子）向右扩散的数量与n区的空穴（少数载流子）向左漂移的数量相等；对自由电子也是这样。达到平衡后，空间电荷区的宽度基本上稳定下来，pn结就处于相对稳定的状态。

上面讨论的是pn结在没有外加电压的情况，这时半导体中的扩散和漂移处于动态平衡。下面讨论在pn结上加外部电压的情况。

若在pn结上加正向电压，即外电源的正极接p区，负极接n区，也称为正向偏置。此时外加电压在pn结中产生的外电场和内电场方向相反，扩散和漂移运动的平衡被破坏。外电场驱使p区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，同时n区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷。于是整个空间电荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流（正向电流），pn结处于导通状态。pn结导通时呈现的电阻称为正向电阻，其数值很小，一般为几欧到几百欧。在一定范围内，外电场愈强，正向电流（由p区流向n区的电流）愈大，这时pn结呈现的电阻很低。正向电流包括空穴电流和电子电流两部分。空穴和电子虽然带有不同极性的电荷，但由于它们的运动方向相反，所以电流方向一致。外电源不断的向半导体提供电荷，使电流得以维持。

若在pn结上加反向电压，即外电源的正极接n区，负极接p区，也称为反向偏置。此时外加电压在pn结中产生的外电场和内电场方向一致，也破坏了扩散和漂移运动的平衡。外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走，使得空间电荷增强，空间电荷区变宽，内电场增强，使多数载流子的扩散运动很难进行。但另一方面，内电场的增强也加强了少数载流子的漂移运动，在外电场的作用下，n区中的空穴越过pn结进入p区，p区中的自由电子越过pn结进入n区，在电路中形成反向电流（由n区流向p区的电流）。由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，即pn结呈现的反向电阻很高，可以认为pn结基本上不导电，处于截至状态。此时的电阻称为反向电阻，其数值很大，一般为几千欧到十几兆欧。又因为少数载流子是由于价电子获得热能（热激发）挣脱共价键的束缚而产生的，所以温度变化时少数载流子的数量也随之变化。环境温度愈高，少数载流子的数量愈多，所以温度对反向电流的影响较大。

由以上分析可知，pn结具有单向导电性。在pn结上加正向电压时，pn结电阻很低，正向电流较大，pn结处于正向导通状态；加反向电压时，pn结电阻很高，反向电流很小，pn结处于截至状态。

图2是半导体pn结在零偏﹑负偏﹑正偏下的耗尽区，当p型和n型半导体材料结合时，由于p型材料空穴多电子少，而n型材料电子多空穴少，结果p型材料中的空穴向n型材料这边扩散，n型材料中的电子向p型材料这边扩散，扩散的结果使得结合区两侧的p型区出现负电荷，n型区带正电荷，形成一个势垒，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，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作

                    零偏                       负偏                        正偏

图2  半导体pn结在零偏﹑负偏﹑正偏下的耗尽区

用下变宽，使势垒加强；当pn结正偏时，外加电场与内电场方向相反，耗尽区在外电场作用下变窄，势垒削弱，使载流子扩散运动继续形成电流，此即为pn结的单向导电性,电流方向是从p指向n。

2. LED的工作原理

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（亦称禁带宽度）E_g有关。发光波长λ_p可由下式确定：

λ_p=hc/E_g                （1）

式(1)中h为普朗克常数，c为光速。将上述常量代入式（1），λ_p和E_g的单位分别取微米(μm)和电子伏特(eV)，则该式可简化为：

λ_p=1.24/E_g

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的关系由下式确定：

P=ηE_pI/e                （2）

式(2)中，η为发光效率，E_p为光子能量，e为电子电荷常数。

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。系统采用的发光二极管驱动和调制电路框图如图3所示。本实验用一个驱动电流可调的红色超高亮度发光二极管作为实验用光源。信号调制采用光强度调制的方法，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。设定的静态驱动电流调节范围为0～20毫安，对应面板上的光发送强度驱动显示值为0～2000单位。正弦调制信号经电容、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叠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4所示，变化的光信号可用于测定光电池的频率响应特性。

3.光电池的工作原理

光电转换器件主要是利用物质的光电效应，即当物质在一定频率的照射下，释放出光电子的现象。当光照射金、金属氧化物或半导体材料的表面时，会被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够大，吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而溢出材料表面，这种电子称为光电子，这种现象称为光电子发射，又称为外光电效应。有些物质受到光照射时，其内部原子释放电子，但电子仍留在物体内部，使物体的导电性增强，这种现象称为内光电效应。

光电二极管是典型的光电效应探测器，具有量子噪声低、响应快、使用方便等优点，广泛用于激光探测器。外加反偏电压与结内电场方向一致，当pn结及其附近被光照射时，就会产生载流子（即电子-空穴对）。结区内的电子-空穴对在势垒区电场的作用下，电子被拉向n区，空穴被拉向p区而形成光电流。同时势垒区一侧一个扩展长度内的光生载流子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场的作用下也参与导电。当入射光强度变化时，光生载流子的浓度及通过外回路的光电流也随之发生相应的变化。这种变化在入射光强度很在的动态范围内仍能保持线性关系。

硅光电池是一个大面积的光电二极管，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。

光电池的基本结构如图5所示，当半导体pn结处于零偏或负偏时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场。

当没有光照射时，光电二极管相当于普通的二极管。其伏安特性是

             （3）

式(3)中I为流过二极管的总电流,I_s为反向饱和电流，q=1.602×10^-19C 为电子电荷， k =1.38×10^-23J/K，为玻耳兹曼常量，T为工作绝对温度（室温取300K），V为加在二极管两端的电压（零偏时V=0，本实验中负偏时V=-5）。对于外加正向电压，I随V指数增长，称为正向电流；当外加电压反向时，在反向击穿电压之内，反向饱和电流基本上是个常数。                          

此式表示硅光电池的伏安特性。

式（4）中I为流过硅光电池的总电流,I_s为反向饱和电流，V为pn结两端电压，T为工作绝对温度，I_p为产生的反向光电流。从式中可以看到，当光电池处于零偏时，V=0，=1，由式（4）可知流过pn结的电流I=I_p；当光电池处于负偏时（在本实验中取V=-5V），→0，由式（4）可知流过pn结的电流I=I_p-I_s。因此，当光电池用作光电转换器时，光电池必须处于零偏或负偏状态。

比较（3）式和（4）式可知，硅光电池的伏安特性曲线相当于把普通二极管的伏安特性曲线向下平移。

光电池处于零偏或负偏状态时，产生的光电流I_p与输入光功率P_i有以下关系：

式（5）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，以保证处于介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λ_c=1.1μm，在短波长处也由于材料有较大吸收系数使R值很小。

图6是光电池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，再经I/V转换模块把光电流信号转换成与之成正比的电压信号，以200mV（对应数值2000）的毫伏表显示。比较光电池零偏和反偏时的信号，就可以测定光电池的饱和电流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

图7  硅光电池伏安特性的测定

图8  硅光电池实验仪面板图

【实验内容与步骤】

        THKGD-1型硅光电池特性实验仪的面板如图8所示，其中“发光强度指示”读数单位是一只量程为20毫安的电流表，“接收光强度指示”是一只量程为200毫伏的电压表。两表的最大显示值为“1999”，显示“1”时表示超出量程。

1．硅光电池零偏和负偏时光电流与输入光信号关系特性测定

将硅光电池输出端的正、负极分别连接到I/V转换模块输入端正、负极，将I/V转换模块的输出端的正负极分别连接到接收光强度指示的输入端，打开仪器电源，调节发光二极管静态驱动电流，测量I/V转换模块两两端的电压值。在6～15mA（相应于发光强度指示600~1500）范围内每改变1mA记录一组数据。将功能转换开关分别打到零偏和负偏，分别测定光电池在零偏和负偏时光电流与输入光信号关系。数据记入表1。

2．硅光电池输出接恒定负载时产生的光伏电压与输入光信号关系测定

将功能转换开关打到“负载”处，将硅光电池输出端连接负载电阻（取10KΩ），再将负载电阻并联到数显电压表，从0.5～9.5mA（指示为50～950）调节发光二极管静态驱动电流，每隔1mA记录一组数据，测定光电池输出电压随输入光强度变化的关系曲线，数据记入表2。

3．硅光电池伏安特性测定

输入光强度不变（驱动电流分别取5 mA和15mA），测定当负载在1kΩ～8kΩ的范围内变化时，光电池的输出电压随负载电阻变化关系。数据记入表3。

4．硅光电池频率响应特性的测定

令LED偏置电流为10mA（显示为1000），将信号源的电压输出端和示波器的“CH1”分别连接到硅光电池的调制信号输入和信号输出端，将硅光电池的输出连接到I/V转换模块的输入端。在信号输入端加正弦调制信号，使LED发送调制的光信号，保持输入正弦信号的幅度不变，调节信号发生器频率，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的变化，测定光电池在零偏和负偏条件下的幅频特性，并测定其截止频率。零偏和负偏状态分别测量一组数据，输入信号频率从10kH到100kH，每隔10kH测定一次。

【数据处理】

一、 数据记录

表1  硅光电池零偏和负偏时光电流与输入光信号关系特性测定

表2  硅光电池输出接恒定负载时产生的光伏电压与输入光信号关系测定 (负载：10 kΩ)

表3  硅光电池伏安特性测定

表4  硅光电池频率响应的测定

   

二、 数据处理要求

在坐标纸上根据表格中数据分别画出：

图1：硅光电池零偏和负偏时光电流与输入光信号关系

图2：硅光电池输出接恒定负载时产生的光伏电压与输入光信号关系

图3：不同光照强度下硅光电池的伏安特性

图3：硅光电池频率响应特性曲线

注意：上述四幅图中是直线或曲线请同学们根据查阅相关资料参照硅光电池的特性和实验数据确定。

【思考题】

1．光电池在工作时为什么要处于零偏或负偏？

2．光电池对入射光的波长有何要求？

【参考资料】

1． 教材：大学物理实验，杨广武主编，天津大学出版社2009年3月出版：P206~212：实验34硅光电池特性研究

2． 刘恩科，朱秉升，罗晋生．半导体物理学．西安交通大学出版社，1998

3． 张兆奎. 大学物理实验. 北京：高等教育出版社，2001.

4． 刘小廷. 大学物理实验. 北京：科学出版社，2009.

5． 柴成钢. 大学物理实验. 北京：科学出版社，2004.

6． 李容. 基础物理实验教程. 北京：北京师范大学出版社，2008.

7． 梅孝安. 大学物理实验教程. 广州：中南大学出版社，2011.

8． 罗宏雷. 大学物理实验. 北京：中国水力水电出版社，2010.