光伏探测器光电特性实验
光电二极管与光电池是根据光伏效应制成的pn结光电器件，短路电流与入射光强成正比是其一个突出优点，在精确测量光强时常用作光探测器。光敏电阻是基于光电导效应原理工作的半导体光电器件，灵敏度高，体积小，重量轻，常用于自动化技术中的光控电路。
【实验目的】
1. 观测光电二极管的光电特性； 2. 观测光电池的光电特性。
【仪器仪器】
光电二极管，光电池，直流电源，小灯泡（6V，0.15A），数字万用电表两块（其中一块表有直流电流200?A量程），电阻箱，实验暗箱等。如图1所示。
图1 光伏探测器光电特性实验仪实验装置
技术指标
1．直流电源 0-4V连续可调，显示分辨率0.01V； 2．电阻箱
0-99999.9Ω可调，分辨率0.1Ω； 电流测量分辨率0.01?A（20?A档）； 暗电阻大于4M?；
额定电压6.3V，额定电流0.1A。
3．数字万用表 4．光敏电阻 5．小灯泡
6. 传感器移动范围 约17cm
【实验原理】
1. 光伏效应
当光照射在pn结上时，由光子所产生的电子与空穴将分别向n区和p区集结，使pn结两端产生
电动势。这一现象称为光伏效应，如图2所示。利用半导体pn结光伏效应可制成光伏探测器，常用的光伏探测器有光电池、光电二极管、光电三极管等。
光电池是根据光伏效应制成的pn结光电器件。不需要加偏压就可以把光能转化为电能。光电池的用途，一是用作
图2 pn结光伏效应原理图
探测器；二是作为太阳能电池，将太阳能转化为电能。光电池的结构示意图及应用电路如图3所示。
（a）
（b）
图3 光电池的结构示意图（ a）及基本应用电路（b）
光电池的光照特性主要有伏安特性、入射光强-电流（电压）特性和入射光功率-负载特性。 2. 光照下的pn结特性 光照下pn结的伏安特性曲线如图4所示。无光照时，pn结的伏安特性曲线和普通二极管的一样。有光照时，pn结吸收光能，产生反向光电流，光照越强，光电流越大。
光伏器件用作探测器时，需要加反偏压或是不加偏压。不加偏压时，光伏器件工作在图4的第四象限，称为光伏
图4 光伏探测器的伏安特性曲线
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工作模式。加反偏压时，光伏器件工作在图4的第三象限：无光照时电阻很大，电流很小，有光照时，电阻变小，电流变大，而且电流随光照变化，光照特性类似于光敏电阻，称作光电导工作模式。但是光伏器件和光敏电阻的工作机理不同，特性也有很大差别。
光电池按照光伏模式工作在图4的第四象限。有光照时光电池的电流为
I?IL?Is(eqU/kT?1)，
（1）
式中q为电子电荷量，k为玻尔兹曼常数，T为结温（单位为K），I为总电流，U为光电池的输出电压，Is为反向饱和电流，IL为光电流。光生电流IL与光照有关，随光照的增大而增大，呈线性关系。
3. 光电池的开路电压和短路电流
在pn结开路时，总电流为零，光电池的输出电压称为开路电压UOC。将I?0代入式（1），即可得到开路电压UOC与光照E的对数成正比。如果将pn结短路，输出电压为零，将U?0代入式（1），即可得到短路电流Isc与入射光照度E成正比。从图4的伏安曲线上也可以得到UOC和Isc，伏安曲线与电压轴的交点为开路电压UOC，与电流轴的交点为短路电流Isc。光电池的短路电流和开路电压与入射光照度的关系如图5所示。
图5 光电池的开路电压、短路电流与入射光强的关系
图6 硅光电池的光照伏安特性曲线
短路电流Isc与入射光强成正比是光电池的一个突出优点，因而在精确测量光强时常用光电池作为光探测器。实际测量时都要外接负载电阻RL，当RL相对于光电池的内阻很小时，可以认为接近短路。显然，负载愈小，光电流与照度之间的线性关系愈好，且线性范围愈宽。
4. 光电池的输出功率和负载特性
光电池作为电源使用时，其输出功率与负载电阻RL有关。光电池工作在零偏压下，因此其伏安
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曲线（图6）是在某一光照下，取不同负载电阻RL测得的输出电压和输出电流绘制而成。
由输出电压和电流数据，可计算得到光电池的输出功率P和负载电阻RL，作输出功率P与负载电阻RL的关系曲线，即可得到光电池的最大输出功率Pmax及相应的负载电阻RL，max。
5. 光电二极管
光电二极管的结构与一般二极管相似，管子封装在透明玻璃外壳中，它的pn结装在管顶，便于接受光的照射。光电二极管的光照特性如前所述，没有光照时，光电二极管的反向电阻很大，反
向电流很小（一般为纳安数量级），光电二极管处于截止状态；受光照时光电二极管处于导通状态，光电流的方向与反向电流一致，光线越强，光电流越大。
光电二极管可以按光电伏型模式工作（即不加外偏压），也可以按光电导型模式工作（外加反向偏压）。硅光电二极管通常
图7 光电二极管基本应用电路
用作检测元件，工作在负偏压下，其光电线性好，而且响应快。基本应用电路如图7所示。
【实验内容】
1. 观察光电二极管的光电特性。
（1） 用数字万用电表二极管测试档确定光电二极管的正负极。
（2） 使用数字万用表直流电压量程开路电压UOC。改变光照条件，观察UOC的变化。用数字万用电表直流电流200?A量程（200?A档内阻约为1000?）粗测光电流I。改变光照条件，观察光电流I的变化。
2. 测量光电二极管处于光伏型模式的光电特性。
令光电二极管工作在零偏压下，用电阻箱作为负载电阻，光源使用小灯泡（6.3V，0.15A）。固定小灯泡的工作电流，使灯泡的发光强度不变。改变小灯泡和光探测器的距离，利用照度与r成反比的关系，测量光电二极管的光电线性（相对）。
（1） 测量光电二极管的短路电流与入射光照度的关系。 （2） 测量光电二极管的开路电压与入射光照度的关系。 3. 测量光电二极管处于光电导模式的光电特性。
连接电路如图7。设计实验方案，测量光电二极管的光电特性。
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2【思考题】
什么是光伏器件的开路电压？和通常说的二极管的正向导通电压有何不同？什么是短路电流？
【注意事项】
万用表是比较精密的仪器，如果使用不当，不仅造成测量不准确且极易损坏。
1.数字万用表使用前应掌握被测量元器件的种类，大小，选择合适的量程，测试表笔的位置等。 2．使用数字万用表电流档前请务必检查表笔是否正确插在电流测量的插座，否则易造成损坏； 3. 如果不知道被测电压或电流的大小，应先用最高档，而后再选用合适的档位来测试，以免表针偏转过度而损坏表头。所选用的档位愈靠近被测值，测量的数值就愈准确。
4. 测量电阻时，不要用手触及元件的裸体的两端（或两支表棒的金属部分），以免人体电阻与被测电阻并联，使测量结果不准确。
5. 在测量时若显示屏始终显示数字“1”，其他位均消失，则说明该量程不满足被测量的量程，此时应从新选择更高的量程测量。
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