光电技术综合实验指导 - (下)(2)

用实验仪示波探头CH1接到发光脉冲信号输入端，而用仪器的另一示波探头CH2接到光电二极管输出端Uo，打开计算机并执行光电二极管时间响应测量程序，观测CH1与CH2的波形，根据CH2相对CH1的波形，测量出光电二极管的上升时间tr与下降时间toff，比较tr与toff值，计算出光电二极管的时间响应τ；最后，画出光电二极管的时间响应特性曲线。

6. 关机与结束：

1、 所测的数据及实验结果（包括实验曲线）保存好，分析实验结果的合理性，如不合理，则要重新补作上述实验；若合理，可以进行关机；

2、 先将实验平台的电源关掉，再将所用的配件放回配件箱；

3、 将实验所用仪器收拾好后，请指导教师检查，批准后离开实验室。

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实验2.6 光电池的偏置电路与特性参数测量实验

1. 实验目的

硅光电池包含测量用的硅光电池、硒光电池与太阳能电池等，它们常有3种偏置方式，即自偏置（作为电池应用）、零伏偏置（测光用）与反向偏置（测光用）。在不同偏置的情况下硅光电池将表现出不同的特性（《光电技术第2版》3.2.3节对其进行了详细的叙述），适用于不同的应用，因此，学习掌握硅光电池3种偏置电路的及在3种偏置下表现出特性，对正确看待光电池，应用硅光电池进行清洁能源、光电测量与控制是非常重要的。本节通过典型光电池的各种偏置电路实验，掌握它们的特性。

2. 实验内容

1. 2. 3.

硅光电池在不同偏置状态下的基本特性； 测试硅光电池在不同偏置状态下的典型特性参数； 测量硅光电池在反向偏置下的时间响应；

3. 实验仪器

① GDS-Ⅲ型光电综合实验平台1台； ② LED光源1个； ③ 硅光电池1只；

④ 通用光电器件实验装置2只 ⑤ 通用磁性表座2只； ⑥ 光电器件支杆2只； ⑦ 连接线20条；

⑧ 40MHz示波器探头2条；

4. 实验原理

硅光电池与光电二极管类似，具有光生伏特器件的特性，是典型的P-N结型光生伏特器件。硅光电池与光电二极管的不同之处在于它的光敏面积较大，P、N结型材料的参杂浓度较高，内阻较小，便于向负载供电（参见“光电技术”的3.2.3节对硅光电池的讲述）。

1）自偏置电路 硅光电池的自偏置电路的实验电路如图2.6-1(a)所示，用数字电压表测量硅光电池两端的电压，用微安表测量流过硅光电池的电流。显然，加在硅光电池两端的偏置电压由光生电流在负载电阻上产生的压降提供。因此，称其为自偏置电路。

图2.6-1 硅光电池自偏置电路与伏安特性曲线

在自偏置情况下，硅光电池的电流方程为

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qU?q Ip?Φe,λ?ID(ekT?1) （2.6-1）

h?式中，电压U = IpRL，为自偏置电压。流过光电二极管的电流由两部分组成，一部分与入射辐射有关，另一部分与偏置电压（或负载电阻RL）成指数关系。

由此可以得到Ip与RL间的关系和如图2.5-1(b)所示关系曲线，它应该位于第4象限，为方便分析与计算将其旋转到第1象限。

当RL=0时，U=0时，相当于硅光电池处于短路工作状态；短路状态下，流过硅光电池的电流为短路电流Isc，它与入射辐射通量φ

e,λ

的关系为

Ip?Isc?角坐标的纵轴上。

?qhcΦe,λ （2.6-2）

短路状态下硅光电池的输出功率为零。为自偏置电路的特殊状态（RL=0），工作点位于直另一个特殊状态为RL→∞，即开路状态。此时，流过硅光电池的电流为零（Ip=0），可以推导出开路电压为

Uoc?kT(ID?Isc) (2.6-3) lnqID显然，它应该位于横轴上，是对数函数，与光电流及暗电流成对数关系。同样，开路状态下的输出功率也为零。

但是，0＜RL＜∞时，输出功率PL＞0。RL取何值使硅光电池的输出功率最大是利用硅光电池做电源向负载供电的关键技术。通过实验找到获得最大输出功率的最佳负载电阻Ropt是硅光电池自偏置电路的关键问题。

2）反向偏置电路

硅光电池的反向偏置电路与光电二极管的反向偏置电路类似，PN结所加的外电场方向与内建电场方向相同，使PN结区加宽，更有利于漂移运动的光生电子与空穴的运动。只要外加电场足够大，光电流Ip只与光度量有关而与外加电压的幅度无关（如图2.5-1所示）。

显然，反向偏置下的硅光电池不会对负载输出功率，只能消耗供电电源的功率。 3）零伏偏置电路

硅光电池在零伏偏置状态下具有良好的光电响应特性，它的暗电流为零。这是硅光电池零伏偏置的最大特点。真正绝对零伏偏置的电路是不存在的，但是，可以制作出近似的零伏偏置电路。如图2.6-2所示的电路为典型的硅光电池零伏偏置电路。图中，用高增益的高阻抗运算放大器构成闭环放大电路具有对硅光电池的等效输入电阻Ri接近于零，使电路近似为硅光电池的零伏偏置电路。

图2.6-2 硅光电池零伏偏置电路

5. 实验步骤

（1）自偏置电路的输出特性与最佳负载电阻

① 组装自偏置电路的输出特性

首先将硅光电池装置和LED光源装置牢靠地安装到光学台上，使LED光源发出的光能够射入硅光电池上，构成如图2.6-3所示的结构。再按照图2.6-1所示的电路连接成自偏置电

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路。

搭建电路的具体操作步骤如下：

① 将LED光源的红色插头插入+12电源插孔，将其黑色插头插入电流表的红色插座（+），将电流表的黑色插孔（－）与50Ω电阻相连接，再将50Ω电阻的另一插孔与1kΩ电位器的一个插孔相连，将电位器的插孔接GND；

② 将LED光源与照度计探头相对放置，测量光源的照度；

标定完成后，记录下所需要照度下的电流ILED值；

④ 将光电池引出线的红色插头插入电流表的“+”插孔，电流表的“－”与“负载电阻”的插孔相连接，再将光电池黑色插头插入“负载电阻”的另一端插孔中，最后将数字电压表跨接到光电池的两端。完成光电池自偏置电路的搭建。

⑤ 实验过程中，先调整LED灯到表2.6-1所需要的电流值ILED，再读光电池输出的电流IP值和电压UP值，计算输出功率P；然后，改变负载电阻RL，再读电流IP值和电压UP值，计算输出功率P；记录不同负载电阻值情况下的Ip与P填入表2.6-1；

⑥ 再改变硅光电池光敏面上的照度Ev（调整电位器改变ILED值），再测一组流过硅光电池的电流Ip和对应的输出功率P，填入表2.6-1。

表2.6-1硅光电池自偏置电路的测量数据

图2.6-3 硅光电池实验装置

③ 将LED光源进行电流ILED与发光照度进行标定，确定所用照度下的电流ILED值；

照度次数 Ip（μA） 1 0 2 0.1 3 0.2 4 0.5 5 1.5 6 2.7 7 3.6 8 5.1 Ev=50lx RL（kΩ） 输出功率P(W) 10(lx) RL（kΩ） Ip（mA） 输出功率P(W) 20(lx) RL（kΩ） Ip（mA） 输出功率P(W) 100(lx) RL（Ω） Ip（mA） 输出功率P(W) 填完表之后，可以将表2.6-1中的值在图2.6-4所示的直角坐标系上找到相应的点，并将各点连接起来形成如图2.6-1（b）所示的特性曲线。

显然，上述为常规的测量方法。现在，我们已经具有了能够自动测量硅光电池的基本条件，如何实现呢？作为一个问题写在这里，光电二极管伏安特性的自动测量方法可以供读者作为参考，请自行设计硅光电池自

图2.6-4 硅光电池伏安特性曲线坐标架

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偏置状态下测量伏安特性曲线的方法和测量步骤。

② 测量最佳负载电阻

从表2.6-1中可以看出，硅光电池在某照度下输出的功率P随负载电阻RL的变化而变化；而且，总存在这样的负载电阻RL，它所对应的输出功率最大，该负载电阻被称为最佳负载电阻，记作Ropt。对应不同照度下的最佳负载电阻Ropt的阻值不同，通过实验可以找到最佳负载电阻Ropt与入射辐射的关系。

将负载电阻RL用电位器代替，改变电位器的阻值，观察光电池输出电流的变化和输出功率P的变化，直到找出最大输出功率时为止，用“万用表”（或将电位器与数字电流表串联接入+12V电源，即可测量出此时电位器的阻值）测量出电位器此刻的阻值即为该照度下的最佳负载电阻。计算出的功率为该照度下的最大输出功率。 （2）硅光电池的零伏偏置电路 ① 零伏偏置电路的组成

在光电综合实验平台中找到任意一个放大器和反馈电阻Rf，将其连接成如图2.6-2所示的零伏偏置电路。将相应的测量仪表也连接好。自行检查，无误后，打开光电综合实验平台的电源，将LED照明光源与硅光电池装成一对，可将已知照度的光投射到硅光电池光敏面上。

用实验平台提供的数字电压表测量零伏偏置电路的输出电压Uo，用数字电流表测量光源LED的发光电流ILED，通过改变ILED改变硅光电池光敏面上的照度，测出输出电压与入射照度的关系。将所测得的输出电压Uo与入射照度（或ILED）的关系画在如图2.6-4所示的直角坐标系上。

② 零伏偏置电路参数对光电转换特性的影响

硅光电池零伏偏置电路的主要参数是反馈电阻Rf ，实验时用不同阻值的反馈电阻Rf ，测量其光电灵敏度，观测硅光电池的光电灵敏度与电阻Rf的关系。 （3）硅光电池的反向偏置电路

从实验平台备件箱中取出装有硅光电池的探头，按如图2.6-5所示的电路连接，由于加在硅光电池两端的电场与硅光电池PN结的内建电场的方向相同，阻挡扩散电荷的运动而有利于漂移运动，因此称其为反向偏置电路。将LED光源与硅光电池探头按如图2.6-3所示的结构稳固地安装在光学平台上。并用实验平台上的数字电压表测量输出电压Uo。

如果反向偏置电路如图2.6-4（b）所示，输出电压Uo应为电源电压Ubb与光生电流IP在负载电阻RL两端产生的压降IpRL之差，即

（a）反偏PN结

（b）光电池反偏电路

图2.6-5 光电池反向偏置电路

Uo?Ubb?IpRL?Ubb?RLSI?v,λ （2.6-4）

式中RL为负载电阻；由式（2.6-4）可见，输出电压与入射辐射φ

e，λ

的变化方向相反。

v，

实验时，先打开光电实验平台的电源，然后调整光源的电流ILED，使入射的光通量φ

λ

或照度Ev，λ为适当值，测出此时的光电流Ip与输出电压Uo值，填入表2.6-2中；再改变LED最终测得5组数据，根据所测数据，可以在直角坐标系上画出不同的光照特性曲线。

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光源的电流值，测得另一组数据，再填入表2.6-2。

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