利用半导体的光电效应制成的器件叫半导体器件。

A、陶瓷器件

B、半导体器件

C、金属器件

D、绝缘体器件

A. 外光电效应

B. 压电效应

c.磁电效应

D. 光电导效应

E. 声光效应

  实验目的

  通过对典型光伏器件——硅光电池、硅光电二极管和光电三极管的特性参数的测量，使同学们进一步理解硅光伏器件的原理、特性及其基本使用方法。

  实验内容

  (1)作出光电池的V_LS、I_LS及P随R_L变化的曲线，找出其最佳负载电阻。

  (2)画出典型光伏器件——硅光电池、硅光电二极管和光电三极管的输出特性曲线。

  (3)画出硅光电池、硅光电二极管和光电三极管的光照特性曲线。

  实验原理

  半导体光伏检测器件的核心是PN结的光电效应，PN结光电池与光电二极管是最简单的半导体光电检测器件。

  下图(a)所示是一个未加电压的PN结，它是一个由不可移动的带正、负电荷的离子组成的耗尽层，或称作势垒区。当以适当波长的光照射PN结时，P型和N型半导体材料将吸收光能。如果光子能量hf≥E_g时，则光子将被吸收，使价带中的电子受激跃迁到导带中，而在价带中留下空穴，如图(b)所示。这一过程称为光吸收。因光照射而在导带和价带中产生的电子和空穴称为光生载流子。

  产生在耗尽层的光生载流子在内建场的作用下作漂移运动：空穴向P区方向运动；电子向N区方向运动，它们在PN结的边缘被收集。另外，耗尽层外的光生少数载流子会发生扩散运动：P区中的光生电子向N区扩散；N区中的光生空穴向P区扩散。在扩散的同时，一部分光生少数载流子将被多数载流子复合掉。由于这些区域的电场很小，甚至可以称为无场区，光生少数载流子在这些区域扩散速率较慢，只有小部分能扩散到耗尽层，继而在内建场的作用下分别快速漂移到对方区域。这样，在P区就出现了过剩空穴的积累，N区出现了过剩电子的积累，于是在耗尽层的两侧就产生了一个极性如图(c)所示的光生电动势。这一现象称为光生伏特效应。产生于耗尽层的电子和空穴也要产生光生伏特效应。基于这一效应，如果将PN结的外电路构成回路，则外电路中会出现信号电流。这种由光照射激发的电流称为光电流。

  当光电池两端接某一负载R_L时，设流过R_L的电流为I_LS，其上的电压降为U_LS，则R_L上产生的电功率为

  P_L=U_LS·I_LS

  P_L与入射光功率之比称为光电池的转换效率η。下图表示输出电压U_LS、输出电流I_LS、输出功率P_LS随负载R_L变化关系的曲线。

  从图看出，U_LS随R_L加大而升高。当R_L为∞时，U_LS等于开路电压U_oc；R_L为低阻时，I_LS趋近于短路电流I_sc，当R_L=0时，I_LS=I_sc。随着R_L变化，输出功率P_L也变化，当R_L=R_M时，P_L为最大值P_M，即在负载电阻上获得最大功率输出，此时的负载电阻R_M称为最佳负载电阻。在把光电池作为换能器件时，应按此点考虑。但值得注意的是，即使对同一光电池，如照度不同，R_M也会不同。

  此外，从下图光电池的伏安特性曲线上，也可表示出输出功率的大小。R_L负载线就是过原点斜率为的直线，该直线与特性曲线交于P_L点，P_L点在I轴和U轴上投影为输出电流I_L和输出电压U_L，输出功率P_L等于矩形OI_LP_LU_L的面积。若过U_oc和I_sc作特性曲线的切线，它们相交于P_Q点，连结P_Q点和原点O的直线也就是最佳负载线，最佳负载电阻为R_M。该直线与特性曲线交于P_M，最大输出功率P_M等于矩形OI_MP_MU_M面积，此时流过负载R_M上的电流为I_M，R_M上的压降为U_M。

  因此，光电池的输出特性曲线，是指在一定光照下与它所连接的负载R_L两端的电压U_L和通过R_L的电流I_L的关系曲线。当光电池输出端开路时测得两端输出电压为开路电压U_oc；当输出端短路时通过的电流为短路电流I_sc。

  光电二极管的输出特性曲线是指对应于不同的照度下，U_L与I_L的变化关系曲线。

  光电三极管的输出特性曲线是指对应于不同的照度下，U_ce与I_c的变化关系曲线。

  在不同的入射光照度下，光电二极管和光电三极管的光电流。以及光电池的开路电压和短路电流均将随之变化。

  实验使用的仪器和器材

  (1)照度计  一台

  (2)钨丝灯光源  一座

  (3)直流稳压电源  一台

  (4)万用表或数字电压表一台

  (5)微安表  一个

  (6)标准光源箱

  (7)标准电阻箱

  (8)硅光电池(2CR型)、硅光电二极管(2CU型)、硅光电三极管(3DU型)各一个。

  (9)电阻100Ω、510Ω、3kΩ各一支。

  实验线路

  硅光器件的最基本的使用线路如下图所示。

  在不同的入射光照度下，光电二极管和光电三极管的光电流。以及光电池的开路电压和短路电流均将随之变化。

  实验目的

  (1)通过对光敏电阻基本参数的测量实验，掌握研究光敏电阻特性的基本方法。

  (2)通过光敏电阻电路的基本连接，掌握光敏电阻的使用方法。

  实验内容

  (1)测量暗电阻和无光照射时的伏安特性曲线。

  (2)测量亮电阻和一定光照下的伏安特性曲线。

  (3)作出光电特性曲线，求出光照灵敏度。

  (4)求出光电导灵敏度、电阻灵敏度与比灵敏度。

  实验原理

  下图所示为光敏电阻的原理图与光敏电阻的符号。由上所述，在均匀的具有光导效应的半导体材料的两端加上电极，便构成光敏电阻。当光敏电阻的两端加上适当的偏置电压U_bb(如图所示的电路)后，便有电流I_p流过，用检流计可以检测到该电流。改变照射到光敏电阻上的光度量(如照度)，发现流过光敏电阻的电流I_p将发生变化，说明光敏电阻的阻值随照度变化。

  当入射光子使电子由价带跃升到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，因此电阻显著减小，电导增加。若连接电源和负载电阻，即可输出电信号。一般有光照时的光敏电阻的阻值称为亮电阻。此时可得出光电导g与光电流I_p的表达式为

  g=g_L-g_d

  I_p=I_L-I_d  (2-1)

  式中，g_L为亮电导；g_d为暗电导；I_L为亮电流；I_d为暗电流。

  根据半导体材料的分类，光敏电阻有两大基本类型：本征型半导体光敏电阻与杂质型半导体光敏电阻。由《光电检测技术》教材第2章中式(2-60)与式(2-61)可以看出，本征型半导体光敏电阻的长波限要短于杂质型半导体光敏电阻的长波限。

  因此，本征型半导体光敏电阻常用于可见光波段的探测，而杂质型半导体光敏电阻常用于红外波段甚至于远红外波段辐射的探测。

  下面介绍本实验涉及到的有关特性参数。

  1．灵敏度

  除了常用的电流灵敏度S₁与电压灵敏度S_V，以外，光敏电阻还有下列几个灵敏度。

  (1)光电导灵敏度S_g

  光敏电阻的光电导g与输入光照度E之比，即为光电导灵敏度。即

  (2-2)

  式中，A为光敏面积；Φ为入射的通量。由欧姆定律，电流I与电压U的关系为I=gU，将式(2-2)中g=S_gE代入得

  I=S_gEU  (2-3)

  此即弱光照时的线性关系。

  (2)电阻灵敏度S_R

  暗电阻R_d与亮电阻R_L之比，称为电阻变化倍数，即。而电阻灵敏度为

  (2-4)

  其中△R=R_d-R_L。显然差别越大越好。

  (3)比灵敏度S_B

  比灵敏度S_B也称积分比灵敏度。即单位通量Φ与电压U下所产生的光电流I_L。即

  (2-5)

  2．光电特性

  光敏电阻的光电流I_L与输入辐射通量Φ有下列关系式：

  I_L=AUΦ^γ  (2-6)

  式中，A为光敏材料决定的常数；U为电源电压；γ为0.5～1之间的系数。弱光照时，γ=1，I_L与Φ有良好的线性关系，即线性光电导；强光照时，γ=0.5，即抛物线性光电导。实验证明，当所加电压一定时，CdS光敏电阻的光电特性曲线如下图所示。

  3．伏安特性(输出特性)

  在一定光照下，光敏电阻的光电流与所加电压关系即为伏安特性。如下图所示。光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，故曲线为直线，具有与普通电阻相似的伏安特性。图中虚线为允许功耗或额定功耗线。使用时，应不使光敏电阻的实际功耗超过额定值。在设计负载电阻时，应不使负载线与额定功耗线相交。即使光敏电阻的工作电压、电流控制在额定功耗线之内。

  实验所用仪器设备

  (1)直流稳压电源

  (2)万用表

  (3)微安表、毫安表

  (4)照度计

  (5)标准光源

  (6)滑线电阻器，电阻箱

  (7)滤光片

  (8)中性密度片

  光敏电阻特性测试电路

  不打开电源，将光敏电阻接入下图所示的电路中，并连接好测试仪表。

参考答案：错误

B、外光电

C、光生伏特

D、阻挡层

A.压电效应

B.光电效应

C.磁电效应

参考答案：错误

A．错误

B．正确

  A．压阻效应  B．应变效应  C．霍尔效应  D．光电效应