光敏传感器光电特性研究¶
淮南师范学院实验报告
学院：电子工程学院 专业：物理学 班级：24 物理 1 班
姓名：缪雨轩 学号：2414050120 实验日期：2025 年 11 月 19 日
一、实验名称¶
光敏传感器光电特性研究。
二、实验目的¶
- 理解硅光电池结构、光生伏特效应与主要参数。
- 学习伏安测试及取样电阻电流换算。
- 比较不同灯杆位置的记录，区分负载、光照和数据一致性的影响。
三、实验原理¶
1. 光生伏特效应¶
光子产生电子空穴对，PN 结内建电场分离载流子，形成光生电动势。理想电池可用光生电流源并联二极管表示：
$$ I=I_{ph}-I_0\left[\exp\left(\frac{qV}{nk_BT}\right)-1\right]. $$
$I$ 是输出负载电流，$I_{ph}$ 是模型内的光生源电流，二者一般不同。理想短路时 $V=0,I_{sc}=I_{ph}$；理想开路时
$$ V_{oc}=\frac{nk_BT}{q}\ln\left(1+\frac{I_{ph}}{I_0}\right). $$
短路电流随光生电流变化，开路电压呈对数关系；对数增长并非严格达到有限饱和值。这些模型关系需短路、开路及照度条件才能独立验证。
2. 测试回路¶
原测试图的负载与 $R_1=10\,\Omega$ 串联，输出电压跨电池，另测取样压降。
图 1 硅光电池的负载及取样电阻测量连接
$$ I(\mathrm{mA})=\frac{U_{R1}(\mathrm{mV})}{10},\qquad U_o\approx I(R_n+R_1). $$
后式需电压表加载可忽略且接线、负载标记与图一致。它给出不依赖电池内部模型的回路一致性检查。未记录开路开关状态和零负载点，不能把有限负载的最大电流当成短路电流，或把最大负载电压直接当成开路电压。
四、主要仪器设备¶
FB716-Ⅲ 光电传感器实验装置，含暗筒、硅光电池、负载；JK-30 光电传感器实验电源及可调光源；数字万用表。
五、实验步骤¶
- 接入光电池与测试回路，光源预热。
- 灯杆刻度 $L=0\,\mathrm{cm}$ 时实际距离约 $2\,\mathrm{cm}$，作为近位置条件，固定光源设置。
- 改变负载，记录端电压及采样压降。
- 将灯杆移至 $3,6,9\,\mathrm{cm}$ 刻度，重复记录。
- 用 $10\,\Omega$ 取样电阻换算负载电流，再检查回路关系。
灯杆刻度不等同照度，未进行可溯源照度定标。
六、原始数据记录¶
每个位置保留原表前后两个负载段；取样换算电流是处理值，电压和负载读数不变。
表 1 $L=0\,\mathrm{cm}$ 前段记录
| 物理量 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| $R_n/\mathrm{k}\Omega$ | 0.5 | 1 | 1.5 | 2 | 2.5 | 3 | 3.5 |
| $U_o/\mathrm{V}$ | 0.396 | 0.395 | 0.395 | 0.394 | 0.394 | 0.394 | 0.394 |
| $U_{R1}/\mathrm{mV}$ | 2.3 | 2.2 | 1.9 | 1.5 | 1.3 | 1.1 | 0.9 |
| 重算负载电流 / mA | 0.23 | 0.22 | 0.19 | 0.15 | 0.13 | 0.11 | 0.09 |
表 2 $L=0\,\mathrm{cm}$ 后段记录
| 物理量 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| $R_n/\mathrm{k}\Omega$ | 4 | 4.5 | 5 | 5.5 | 6 | 6.5 | 7 |
| $U_o/\mathrm{V}$ | 0.394 | 0.394 | 0.394 | 0.394 | 0.394 | 0.394 | 0.394 |
| $U_{R1}/\mathrm{mV}$ | 0.8 | 0.7 | 0.7 | 0.6 | 0.6 | 0.5 | 0.5 |
| 重算负载电流 / mA | 0.08 | 0.07 | 0.07 | 0.06 | 0.06 | 0.05 | 0.05 |
表 3 $L=3\,\mathrm{cm}$ 前段记录
| 物理量 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| $R_n/\mathrm{k}\Omega$ | 0.5 | 1 | 1.5 | 2 | 2.5 | 3 | 3.5 |
| $U_o/\mathrm{V}$ | 0.398 | 0.402 | 0.402 | 0.402 | 0.402 | 0.402 | 0.402 |
| $U_{R1}/\mathrm{mV}$ | 0.8 | 0.8 | 0.8 | 0.8 | 0.8 | 0.8 | 0.8 |
| 重算负载电流 / mA | 0.08 | 0.08 | 0.08 | 0.08 | 0.08 | 0.08 | 0.08 |
表 4 $L=3\,\mathrm{cm}$ 后段记录
| 物理量 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| $R_n/\mathrm{k}\Omega$ | 4 | 4.5 | 5 | 5.5 | 6 | 6.5 | 7 |
| $U_o/\mathrm{V}$ | 0.402 | 0.402 | 0.402 | 0.402 | 0.402 | 0.402 | 0.402 |
| $U_{R1}/\mathrm{mV}$ | 0.7 | 0.7 | 0.6 | 0.6 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| 重算负载电流 / mA | 0.07 | 0.07 | 0.06 | 0.06 | 0.05 | 0.05 | 0.05 |
表 5 $L=6\,\mathrm{cm}$ 前段记录
| 物理量 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| $R_n/\mathrm{k}\Omega$ | 0.5 | 1 | 1.5 | 2 | 2.5 | 3 | 3.5 |
| $U_o/\mathrm{V}$ | 0.401 | 0.403 | 0.403 | 0.403 | 0.403 | 0.403 | 0.403 |
| $U_{R1}/\mathrm{mV}$ | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| 重算负载电流 / mA | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.05 |
表 6 $L=6\,\mathrm{cm}$ 后段记录
| 物理量 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| $R_n/\mathrm{k}\Omega$ | 4 | 4.5 | 5 | 5.5 | 6 | 6.5 | 7 |
| $U_o/\mathrm{V}$ | 0.403 | 0.403 | 0.403 | 0.403 | 0.403 | 0.403 | 0.403 |
| $U_{R1}/\mathrm{mV}$ | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.4 | 0.4 |
| 重算负载电流 / mA | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.04 | 0.04 |
表 7 $L=9\,\mathrm{cm}$ 前段记录
| 物理量 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| $R_n/\mathrm{k}\Omega$ | 0.6 | 1 | 1.5 | 2 | 2.5 | 3 | 3.5 |
| $U_o/\mathrm{V}$ | 0.403 | 0.403 | 0.403 | 0.403 | 0.403 | 0.403 | 0.403 |
| $U_{R1}/\mathrm{mV}$ | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| 重算负载电流 / mA | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.05 |
表 8 $L=9\,\mathrm{cm}$ 后段记录
| 物理量 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| $R_n/\mathrm{k}\Omega$ | 4 | 4.5 | 5 | 5.5 | 6 | 6.5 | 7 |
| $U_o/\mathrm{V}$ | 0.403 | 0.403 | 0.403 | 0.403 | 0.403 | 0.404 | 0.404 |
| $U_{R1}/\mathrm{mV}$ | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.4 | 0.4 | 0.4 | 0.4 |
| 重算负载电流 / mA | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.04 | 0.04 | 0.04 | 0.04 |
$L=9\,\mathrm{cm}$ 首个负载为 $0.6\,\mathrm{k}\Omega$，按原值保留，不改成其他组的 $0.5\,\mathrm{k}\Omega$。
七、数据处理¶
1. 取样电流和回路检查¶
表 9 四位置记录范围及回路相对差
| 灯杆位置 / cm | 最小负载 / kΩ | 最大负载 / kΩ | 最大负载电流 / mA | 最小端电压 / V | 最大端电压 / V | 最大回路相对差 / % |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0.5 | 7 | 0.23 | 0.394 | 0.396 | 70.379 |
| 3 | 0.5 | 7 | 0.08 | 0.398 | 0.402 | 89.749 |
| 6 | 0.5 | 7 | 0.05 | 0.401 | 0.403 | 93.641 |
| 9 | 0.6 | 7 | 0.05 | 0.403 | 0.404 | 92.432 |
以 $L=0\,\mathrm{cm},R_n=0.5\,\mathrm{k}\Omega$ 为例，$U_{R1}=2.3\,\mathrm{mV}$ 得 $I=0.23\,\mathrm{mA}$。串联回路预测 $U_o=0.00023\times510=0.1173\,\mathrm V$，而记录为 $0.396\,\mathrm V$。差异需要检查接线、电压端口、负载标记及仪表设置，不能仅解释为光电池内阻或稳压现象。
表 10 近位置全部负载的回路一致性
| 负载 / kΩ | 负载电流 / mA | 记录Uo / V | 回路预测Uo / V | 记录−回路 / V | 相对记录差 / % |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.5 | 0.23 | 0.396 | 0.1173 | 0.2787 | 70.379 |
| 1 | 0.22 | 0.395 | 0.2222 | 0.1728 | 43.747 |
| 1.5 | 0.19 | 0.395 | 0.2869 | 0.1081 | 27.367 |
| 2 | 0.15 | 0.394 | 0.3015 | 0.0925 | 23.477 |
| 2.5 | 0.13 | 0.394 | 0.3263 | 0.0677 | 17.183 |
| 3 | 0.11 | 0.394 | 0.3311 | 0.0629 | 15.964 |
| 3.5 | 0.09 | 0.394 | 0.3159 | 0.0781 | 19.822 |
| 4 | 0.08 | 0.394 | 0.3208 | 0.0732 | 18.579 |
| 4.5 | 0.07 | 0.394 | 0.3157 | 0.0783 | 19.873 |
| 5 | 0.07 | 0.394 | 0.3507 | 0.0433 | 10.99 |
| 5.5 | 0.06 | 0.394 | 0.3306 | 0.0634 | 16.091 |
| 6 | 0.06 | 0.394 | 0.3606 | 0.0334 | 8.477 |
| 6.5 | 0.05 | 0.394 | 0.3255 | 0.0685 | 17.386 |
| 7 | 0.05 | 0.394 | 0.3505 | 0.0435 | 11.041 |
2. 电压–电流记录¶
图 2 $L=0\,\mathrm{cm}$ 端电压与取样换算电流（回路一致性待核）
图 3 $L=3\,\mathrm{cm}$ 端电压与取样换算电流（回路一致性待核）
图 4 $L=6\,\mathrm{cm}$ 端电压与取样换算电流（回路一致性待核）
图 5 $L=9\,\mathrm{cm}$ 端电压与取样换算电流（回路一致性待核）
3. 共同负载下的位置比较¶
表 11 共同 $1\,\mathrm{k}\Omega$ 负载的记录
| 灯杆位置 / cm | 1 kΩ负载电流 / mA | 1 kΩ端电压 / V |
|---|---|---|
| 0 | 0.22 | 0.395 |
| 3 | 0.08 | 0.402 |
| 6 | 0.05 | 0.403 |
| 9 | 0.05 | 0.403 |
图 6 共同标记负载下的电流与灯杆位置
这组比较显示近位置电流较大、后两个位置读数相同，但回路冲突和分辨率限制使其不足以验证照度线性、反平方或开路电压对数关系。
八、实验结果与讨论¶
- 已由 $56$ 个采样压降独立换算负载电流。记录最大值分别为 $0.23,0.08,0.05,0.05\,\mathrm{mA}$，这些是有限负载电流，不是实测短路电流。
- 各组端电压约 $0.394$–$0.404\,\mathrm V$，但多数点不满足图示 $U_o\approx I(R_n+10\,\Omega)$。在解决接线和记录一致性之前，不能将其认定为可靠器件伏安特性，也不能以电压近似恒定宣称更接近理想电压源。
- 未实际记录短路、开路或照度标定，故没有报告 $I_{sc}$、$V_{oc}$、效率或最大功率点，也未宣称已验证照度比例和对数关系。
- 弱光采样只有 $0.4$–$0.5\,\mathrm{mV}$，易受分辨率与偏置影响。增大取样电阻会同时改变负载工作点，应在电路设计中评估后采用，不能只作为无影响的灵敏度改进。
- 后续核验应同步记录开关状态、实际负载阻值、两个电压端口和仪器量程，增加重复测量及短路/开路项目；现有数据缺少限差，未给完整不确定度。