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、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(chēng)為光電子，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光電子發(fā)射，又稱(chēng)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(chēng)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，電子被拉向N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(xiàn)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（1）

?

　　式（1）中I為流過(guò)二極管的總電流，Is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(chēng)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)就有一光生電流流過(guò)負(fù)載。流過(guò)PN結(jié)兩端的電流可由式（2）確定：

　　此式表示硅光電池的伏安特性。

　　式（2）中I為流過(guò)硅光電池的總電流，Is為反向飽和電流，V為PN結(jié)兩端電壓，T為工作絕對(duì)溫度，Ip為產(chǎn)生的反向光電流。從式中可以看到，當(dāng)光電池處于零偏時(shí)，V=0，流過(guò)PN結(jié)的電流I=Ip；當(dāng)光電池處于負(fù)偏時(shí)（在本實(shí)驗(yàn)中取V=-5V），流過(guò)PN結(jié)的電流I=Ip-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)。

　　圖2a為硅光電池的伏安特性曲線(xiàn)。在一定光照度下，硅光電池的伏安特性呈非線(xiàn)性。

　　圖2b為硅光電池的光照特性曲線(xiàn)。負(fù)載電阻在20歐姆以下時(shí)，短路電流與光照有比較好的線(xiàn)性關(guān)系，負(fù)載電阻過(guò)大，則線(xiàn)性會(huì)變壞。 開(kāi)路電壓則是指負(fù)載電阻遠(yuǎn)大于光電池的內(nèi)阻時(shí)硅光電池兩端的電壓，

　　而當(dāng)硅光電池的輸出端開(kāi)路時(shí)有 I=0 ，由（2）和可得開(kāi)路電壓為：

　　開(kāi)路電壓與光照度之間為對(duì)數(shù)關(guān)系，因而具有飽和性。因此，把硅光電池作為敏感元件時(shí)，應(yīng)該把它當(dāng)作電流源的形式使用，即利用短路電流與光照度成線(xiàn)性的特點(diǎn)，這是硅光電池的主要優(yōu)點(diǎn)。