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大学物理实验

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内容提要 实验目的 实验原理 思考题

仪器介绍 实验内容

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掌握 PN 结形成原理及其工作机理

掌握硅光电池工作原理及其工作特性

掌握发光二极管的工作原理

实验目的

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TKGD－ 1型硅光电池特性实验仪

仪器介绍

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TKGD － 1 型硅光电池特性实验仪

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实验原理 一 PN 结的形成及工作原理

当 P 型和 N 型半导体材料结合时， P 型（ N 型）材料中的空穴（电子）向 N 型（ P 型）材料这边扩散，扩散的结果使得结合区形成一个势垒，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。

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零偏 负偏 正偏

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，耗尽区在外加电场作用下变窄，势垒削弱。

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二 硅光电池的工作原理 硅光电池是一个大面积的光电二极管，它可把入射到

它表面的光能转化为电能。当有光照时，入射光子将把处于介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，当在 PN结两端加负载时就有一光生电流流过负载。

光电池结构示意图

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（ 1） PN 结两端的电流：

光电池处于零偏时， V＝ 0，流过 PN结的电流 I＝－ IP ；光电池处于反偏时（实验中取 V ＝－ 5V），流过 PN结的电流 I ＝－ IP- Is ，当光电池用作光电转换器时，必须处于零偏或反偏状态。

PKTev

s IeII )1( /

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（ 2）光电流 IP与输出光功率 Pi 之间的关系：

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。

P iI RP

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三 发光二极管（ 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 E ｇ有关： λ ＝ h c / E ｇ

发光二极管输出光功率 P 与驱动电流 I 的关系：

P = ηEp I/ e

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。

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一、硅光电池零偏和反偏时光电流与输入光信号关系特性测定

将硅光电池输出端连接到 I / V 转换模块输入端，将 I / V 转换模块输出端连接到数字电压表头的输入端，调节发光二极管静态驱动电流，分别测定光电池在零偏和反偏时光电流与输入光信号关系。在 5~15mA 内等间距各测 10 组数据。比较零偏和反偏时的两条曲线，求出光电池的饱和电流 Is 。

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i=1

1

10SI I I 零偏 反偏

实验内容

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二、硅光电池池输出拉接恒定负载时产出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

电池输出端连接恒定负载电阻（ R 分别取 1KΩ 和 10 KΩ ）和数字电压表，调节发光二极管静态驱动电流，测定光电池输出电压随输入光强度的关系曲线。

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三、硅光电池伏安特性测定 输入光强度不变时（驱动电流分别

取 5 mA 和 15mA ），测定当负载在 0.5kΩ ～ 9.

5kΩ 的范围内变化时，光电池的输出电压随负载电阻变化关系曲线。

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光电池在工作时为什么要处于零偏或负偏？ 光电池对入射光的波长有何要求？ 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？

思考题

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