光電池是一種很重要的光電探測(cè)元件，它不需要外加電源而能直接把光能轉(zhuǎn)換成電能.光電池的種類很多，常見(jiàn)的有硒，鍺，硅，碑化鎵等.其中最受重視的是硅光電池，因?yàn)樗幸幌盗袃?yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定，光譜范圍寬，頻率特性好，轉(zhuǎn)換效率高，能耐高溫輻射等.同時(shí)，硅光電池的光譜靈敏度與人眼的靈敏度較為接近，所以很多分析儀器和測(cè)量?jī)x器常用到它.本實(shí)驗(yàn)僅對(duì)硅光電池的基本特性和簡(jiǎn)單應(yīng)用作初步的了解和研究.1、硅光電池的基本結(jié)構(gòu)目前半導(dǎo)體光電探測(cè)器在數(shù)碼攝像、光通信、太陽(yáng)電池等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，硅光電池是半導(dǎo)體光電探測(cè)器的一個(gè)基本單元，深刻理解硅光電池的工作原理和具體使用特性可以進(jìn)一步領(lǐng)會(huì)半導(dǎo)體PN結(jié)原理、光電效應(yīng)理論和光伏電池產(chǎn)生機(jī)理。圖2-1.半導(dǎo)體PN結(jié)在零偏、反偏、正偏下的耗盡區(qū)圖2-1是半導(dǎo)體PN結(jié)在零偏、反偏、正偏下的耗盡區(qū)，當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體材料結(jié)合時(shí)，由于P型材料空穴多電子少，而N型材料電子多空穴少，結(jié)果P型材料中的空穴向N型材料這邊擴(kuò)散，N型材料中的電子向P型材料這邊擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果使得結(jié)合區(qū)兩側(cè)的P型區(qū)出現(xiàn)負(fù)電荷，N型區(qū)帶正電荷，形成一個(gè)勢(shì)壘，由此而產(chǎn)生的內(nèi)電場(chǎng)將阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)兩者達(dá)到平衡時(shí)，在PN結(jié)兩側(cè)形成一個(gè)耗盡區(qū)，耗盡區(qū)的特點(diǎn)是無(wú)自由載流子，呈現(xiàn)高阻抗。當(dāng)PN結(jié)反偏時(shí)，外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向一致，耗盡區(qū)在外電場(chǎng)作用下變寬，使勢(shì)壘加強(qiáng)；當(dāng)PN結(jié)正偏時(shí)，外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，耗盡區(qū)在外電場(chǎng)作用下變窄，勢(shì)壘削弱，使載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)繼續(xù)形成電流，此即為PN結(jié)的單向?qū)щ娦噪娏鞣较蚴菑腜指向N。2.硅光電池的工作原理光電轉(zhuǎn)換器件主要是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)，即當(dāng)物質(zhì)在一定頻率的照射下，釋放出光電子的現(xiàn)象。當(dāng)光照射、金屬氧化物或半導(dǎo)體材料的表面時(shí)，會(huì)被這些材料內(nèi)的電子所吸收，如果光子的能量足夠大，吸收光子后的電子可掙脫原子的束縛而溢出材料表面，這種電子稱為光電子，這種現(xiàn)象稱為光電子發(fā)射，又稱為外光電效應(yīng)。有些物質(zhì)受到光照射時(shí)，其內(nèi)部原子釋放電子，但電子仍留在物體內(nèi)部，使物體的導(dǎo)電性增強(qiáng)，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。光電二極管是典型的光電效應(yīng)探測(cè)器，具有量子噪聲低、響應(yīng)快、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于激光探測(cè)器。外加反偏電壓與結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向一致，當(dāng)PN結(jié)及其附近被光照射時(shí)就會(huì)產(chǎn)生載流子（即電子■空穴對(duì)）。結(jié)區(qū)內(nèi)的電子空穴對(duì)在勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)的作用下，電子被拉做區(qū)，空穴被拉向P區(qū)而形成光電流。同時(shí)勢(shì)壘區(qū)一側(cè)一個(gè)擴(kuò)展長(zhǎng)度內(nèi)的光生載流子先向勢(shì)壘區(qū)擴(kuò)散，然后在勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)的作用下也參與導(dǎo)電。當(dāng)入射光強(qiáng)度變化時(shí)，光生載流子的濃度及通過(guò)外回路的光電流也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。這種變化在入射光強(qiáng)度很大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)仍能保持線性關(guān)系。

硅光電池是一個(gè)大面積的光電二極管，它被設(shè)計(jì)用于把入射到它表面的光能轉(zhuǎn)化為電能，因此，可用作光電探測(cè)器和光電池，被廣泛用于太空和野外便攜式儀器等的能源。光電池的基本結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，當(dāng)半導(dǎo)體PN結(jié)處于零偏或負(fù)偏時(shí)，在它們的結(jié)合面耗盡區(qū)存在一內(nèi)電場(chǎng)。當(dāng)沒(méi)有光照射時(shí)，光電二極管相當(dāng)于普通的二極管。其伏安特性是* 「(ev\ \(1-3)I=I(ekT—1)=Iexpt(1-3)式(1-3)中I為流過(guò)二極管的總電流,1s為反向飽和電流，e為電子電荷，k為玻耳茲曼常量，T為工作絕對(duì)溫度，V為加在二極管兩端的電壓。對(duì)于外加正向電壓，I隨V指數(shù)增長(zhǎng)，稱為正向電流；當(dāng)外加電壓反向時(shí)，在反向擊穿電壓之內(nèi)，反向飽和電流基本上是個(gè)常數(shù)。當(dāng)有光照時(shí)，入射光子將把處于介帶中的束縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶，激發(fā)出的電子空穴對(duì)在內(nèi)電場(chǎng)作用下分別飄移到N型區(qū)和P型區(qū)，當(dāng)在PN結(jié)兩端加負(fù)載時(shí)就有一 圖1.1光電池結(jié)構(gòu)示意圖光生電流流過(guò)負(fù)載。流過(guò)PN結(jié)兩端的電流可由式(1-4)確定:■eV-(eV■eV-(eV)I=I(ekT—1)+I=Iexp—1s p sIkTJ+1p(1—4)此式表示硅光電池的伏安特性。式（1-4）中I為流過(guò)硅光電池的總電湖為反向飽和電流，V為PNs結(jié)兩端電壓，T為工作絕對(duì)溫度,1為產(chǎn)生的反向光電流。從式中可以看p到，當(dāng)光電池處于零偏時(shí)，V=0,流過(guò)PN結(jié)的電流［=,；當(dāng)光電池處于負(fù)偏時(shí)（在本實(shí)驗(yàn)中取=-5V），流過(guò)PN結(jié)的電流^+Is。因此，當(dāng)光電池用作光電轉(zhuǎn)換器時(shí)，光電池必須處于零偏或負(fù)偏狀態(tài)。比較（1-3）式和（1-4）式可知，硅光電池的伏安特性曲線相當(dāng)于把普通二極管的伏安特性曲線向下平移。光電池處于零偏或負(fù)偏狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生的光電流^與輸入光功率七有以下關(guān)系：I=RP （1-5）式（1-5）中R為響應(yīng)率，R值隨入射光波長(zhǎng)的不同而變化，對(duì)不同材料制作的光電航值分別在短波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)處存在一截止波長(zhǎng)，在長(zhǎng)波長(zhǎng)處要求入射光子的能量大于材料的能級(jí)間隙Eg，以保證處于介帶中的束縛電子得到足夠的能量被激發(fā)到導(dǎo)帶，對(duì)于硅光電池其長(zhǎng)波截止波長(zhǎng)為?=1.1rm，在短波長(zhǎng)處也由于材料有較大吸收系數(shù)你值很小。圖1-2是光電池光電信號(hào)接收端的工作原理框圖，光電池把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成正比的電流信號(hào)，再經(jīng)/V轉(zhuǎn)換模塊把光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓信號(hào)比較光電池零偏和反偏時(shí)的信號(hào)就可以測(cè)定光電池的飽和電流。當(dāng)發(fā)送的光信號(hào)被正弦信號(hào)調(diào)制時(shí)，則s光電池輸出電壓信號(hào)中將包含正弦信號(hào)據(jù)此可通過(guò)示波器測(cè)定光電池的頻率響應(yīng)特性。

（1）硅光電池的短路電流與照度關(guān)系當(dāng)光照射硅光電池時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)由N區(qū)流向P區(qū)的光生電流、，同時(shí)由于PN結(jié)二極管的特性，存在正向二極管管電流ID.此電流方向從P區(qū)到N區(qū)，與光生電流相反，因此實(shí)際獲得電流I為(1)(1)式中V為結(jié)電壓，/。為二極管反向飽和電流，/Ph是與入射光的強(qiáng)度成正比的光生電流，其比例系數(shù)與負(fù)載電阻大小以及硅光電池的結(jié)構(gòu)和材料特性有關(guān).n為理想系數(shù)是表示PN結(jié)特性的參數(shù)，通常在1-2之間，q為電子電荷，kB為波爾茨曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度.在一定照度下，光電池被短路（負(fù)載電阻為零）則^^=0由（1）式可得到短路電流硅光電池短路電流與照度特性見(jiàn)圖1.電極（a）(電極（a）(b)（2）硅光電池的開(kāi)路電壓與照度關(guān)系當(dāng)硅光電池的輸出端開(kāi)路時(shí)，I=0,由（1）與（2）式可得開(kāi)路電壓q/ （3）硅光電池開(kāi)路電壓與照度特性見(jiàn)圖1.a電極b

a電極bE1硅光電池的光照特性曲戲硅光電池的光照電流電壓特性(3)負(fù)載特性(輸出特性)光電池作為電池使用如圖2所示。在內(nèi)電場(chǎng)作用下，入射光子由于內(nèi)光電效應(yīng)把處于介帶中的束縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生光伏電壓，在光電池兩端加一個(gè)負(fù)載就會(huì)有電流流過(guò)，當(dāng)負(fù)載很小時(shí)，電流較小而電壓較大；當(dāng)負(fù)載很大時(shí)，電流較大而電壓較小。實(shí)驗(yàn)時(shí)可改變負(fù)載電阻RL的值來(lái)測(cè)定硅光電池的負(fù)載特性。光電池[L圖2硅光電池負(fù)載特性的測(cè)定在線性測(cè)量中，光電池通常以電流形式使用，故短路電流與光照度（光能量）呈線性關(guān)系，是光電池的重要光照特性。實(shí)際使用時(shí)都接有負(fù)載電阻RL，輸出電流I隨照度L（光通量）的增加而非線性緩慢地增加，并且隨負(fù)載RL的增大線性范圍也越來(lái)越小。因此，在要求輸出的電流與光照度呈線性關(guān)系時(shí)，負(fù)載電阻在條件許可的情況下越小越好，并限制在光照范圍內(nèi)使用。光電池光照與負(fù)載特性曲線如圖3所示。圖3 硅光電池光照與負(fù)載特性曲線(4)伏安特性如圖2-6,在硅光電池輸入光強(qiáng)度不變時(shí)，測(cè)量當(dāng)負(fù)載一定的范圍內(nèi)變化時(shí)，光電池的輸出電壓及