光電池是一種很重要的光電探測元件，它不需要外加電源而能直接把光能轉換成電能.光電池的種類很多，常見的有硒，鍺，硅，碑化鎵等.其中最受重視的是硅光電池，因為它有一系列優點：性能穩定，光譜范圍寬，頻率特性好，轉換效率高，能耐高溫輻射等.同時，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量儀器常用到它.本實驗僅對硅光電池的基本特性和簡單應用作初步的了解和研究.1、硅光電池的基本結構目前半導體光電探測器在數碼攝像、光通信、太陽電池等領域得到廣泛應用，硅光電池是半導體光電探測器的一個基本單元，深刻理解硅光電池的工作原理和具體使用特性可以進一步領會半導體PN結原理、光電效應理論和光伏電池產生機理。圖2-1.半導體PN結在零偏、反偏、正偏下的耗盡區圖2-1是半導體PN結在零偏、反偏、正偏下的耗盡區，當P型和N型半導體材料結合時，由于P型材料空穴多電子少，而N型材料電子多空穴少，結果P型材料中的空穴向N型材料這邊擴散，N型材料中的電子向P型材料這邊擴散，擴散的結果使得結合區兩側的P型區出現負電荷，N型區帶正電荷，形成一個勢壘，由此而產生的內電場將阻止擴散運動的繼續進行，當兩者達到平衡時，在PN結兩側形成一個耗盡區，耗盡區的特點是無自由載流子，呈現高阻抗。當PN結反偏時，外加電場與內電場方向一致，耗盡區在外電場作用下變寬，使勢壘加強；當PN結正偏時，外加電場與內電場方向相反，耗盡區在外電場作用下變窄，勢壘削弱，使載流子擴散運動繼續形成電流，此即為PN結的單向導電性電流方向是從P指向N。2.硅光電池的工作原理光電轉換器件主要是利用物質的光電效應，即當物質在一定頻率的照射下，釋放出光電子的現象。當光照射、金屬氧化物或半導體材料的表面時，會被這些材料內的電子所吸收，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，這種現象稱為光電子發射，又稱為外光電效應。有些物質受到光照射時，其內部原子釋放電子，但電子仍留在物體內部，使物體的導電性增強，這種現象稱為內光電效應。光電二極管是典型的光電效應探測器，具有量子噪聲低、響應快、使用方便等優點，廣泛用于激光探測器。外加反偏電壓與結內電場方向一致，當PN結及其附近被光照射時就會產生載流子（即電子■空穴對）。結區內的電子空穴對在勢壘區電場的作用下，電子被拉做區，空穴被拉向P區而形成光電流。同時勢壘區一側一個擴展長度內的光生載流子先向勢壘區擴散，然后在勢壘區電場的作用下也參與導電。當入射光強度變化時，光生載流子的濃度及通過外回路的光電流也隨之發生相應的變化。這種變化在入射光強度很大的動態范圍內仍能保持線性關系。

硅光電池是一個大面積的光電二極管，它被設計用于把入射到它表面的光能轉化為電能，因此，可用作光電探測器和光電池，被廣泛用于太空和野外便攜式儀器等的能源。光電池的基本結構如圖1.1所示，當半導體PN結處于零偏或負偏時，在它們的結合面耗盡區存在一內電場。當沒有光照射時，光電二極管相當于普通的二極管。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為工作絕對溫度，V為加在二極管兩端的電壓。對于外加正向電壓，I隨V指數增長，稱為正向電流；當外加電壓反向時，在反向擊穿電壓之內，反向飽和電流基本上是個常數。當有光照時，入射光子將把處于介帶中的束縛電子激發到導帶，激發出的電子空穴對在內電場作用下分別飄移到N型區和P型區，當在PN結兩端加負載時就有一 圖1.1光電池結構示意圖光生電流流過負載。流過PN結兩端的電流可由式(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為流過硅光電池的總電湖為反向飽和電流，V為PNs結兩端電壓，T為工作絕對溫度,1為產生的反向光電流。從式中可以看p到，當光電池處于零偏時，V=0,流過PN結的電流［=,；當光電池處于負偏時（在本實驗中取=-5V），流過PN結的電流^+Is。因此，當光電池用作光電轉換器時，光電池必須處于零偏或負偏狀態。比較（1-3）式和（1-4）式可知，硅光電池的伏安特性曲線相當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偏狀態時，產生的光電流^與輸入光功率七有以下關系：I=RP （1-5）式（1-5）中R為響應率，R值隨入射光波長的不同而變化，對不同材料制作的光電航值分別在短波長和長波長處存在一截止波長，在長波長處要求入射光子的能量大于材料的能級間隙Eg，以保證處于介帶中的束縛電子得到足夠的能量被激發到導帶，對于硅光電池其長波截止波長為?=1.1rm，在短波長處也由于材料有較大吸收系數你值很小。圖1-2是光電池光電信號接收端的工作原理框圖，光電池把接收到的光信號轉變為與之成正比的電流信號，再經/V轉換模塊把光電流信號轉換成與之成正比的電壓信號比較光電池零偏和反偏時的信號就可以測定光電池的飽和電流。當發送的光信號被正弦信號調制時，則s光電池輸出電壓信號中將包含正弦信號據此可通過示波器測定光電池的頻率響應特性。

（1）硅光電池的短路電流與照度關系當光照射硅光電池時，將產生一個由N區流向P區的光生電流、，同時由于PN結二極管的特性，存在正向二極管管電流ID.此電流方向從P區到N區，與光生電流相反，因此實際獲得電流I為(1)(1)式中V為結電壓，/。為二極管反向飽和電流，/Ph是與入射光的強度成正比的光生電流，其比例系數與負載電阻大小以及硅光電池的結構和材料特性有關.n為理想系數是表示PN結特性的參數，通常在1-2之間，q為電子電荷，kB為波爾茨曼常數，T為絕對溫度.在一定照度下，光電池被短路（負載電阻為零）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圖1.電極（a）(電極（a）(b)（2）硅光電池的開路電壓與照度關系當硅光電池的輸出端開路時，I=0,由（1）與（2）式可得開路電壓q/ （3）硅光電池開路電壓與照度特性見圖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)負載特性(輸出特性)光電池作為電池使用如圖2所示。在內電場作用下，入射光子由于內光電效應把處于介帶中的束縛電子激發到導帶，而產生光伏電壓，在光電池兩端加一個負載就會有電流流過，當負載很小時，電流較小而電壓較大；當負載很大時，電流較大而電壓較小。實驗時可改變負載電阻RL的值來測定硅光電池的負載特性。光電池[L圖2硅光電池負載特性的測定在線性測量中，光電池通常以電流形式使用，故短路電流與光照度（光能量）呈線性關系，是光電池的重要光照特性。實際使用時都接有負載電阻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，并且隨負載RL的增大線性范圍也越來越小。因此，在要求輸出的電流與光照度呈線性關系時，負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使用。光電池光照與負載特性曲線如圖3所示。圖3 硅光電池光照與負載特性曲線(4)伏安特性如圖2-6,在硅光電池輸入光強度不變時，測量當負載一定的范圍內變化時，光電池的輸出電壓及