硅光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。它的結(jié)構(gòu)很簡單，核心部分是一個大面積的pN結(jié)，把一只透明玻璃外殼的點接觸型二極管與一塊微安表接成閉合回路，當二極管的管芯（pN結(jié)）受到光照時，你就會看到微安表的表針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，顯示出回路里有電流，這個現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。硅光電池的pN結(jié)面積要比二極管的pN結(jié)大得多，所以受到光照時產(chǎn)生的電動勢和電流也大得多。

光敏傳感器的基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，即利用光子照射在器件上，使電路中產(chǎn)生電流或使電導(dǎo)特性發(fā)生變化的效應(yīng)。目前半導(dǎo)體光敏傳感器在數(shù)碼攝像、光通信、航天器、太陽能電池等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在現(xiàn)代科技發(fā)展中起到了十分重要的作用。

能源--硅光電池串聯(lián)或并聯(lián)組成電池組與鎳鎘電池配合、可作為人造衛(wèi)星、宇宙飛船、航標燈、無人氣象站等設(shè)備的電源；也可做電子手表、電子計算器、小型號汽車、游艇等的電源。

光電檢測器件--用作近紅外探測器、光電讀出、光電耦合、激光增加準直、電影還音等設(shè)備的光感受器。

硅光電池優(yōu)質(zhì)推薦OTRON品牌。

光電控制器件--用作光電開關(guān)等光電控制設(shè)備的轉(zhuǎn)換器件。

1.半導(dǎo)體pN結(jié)原理

目前半導(dǎo)體光電探測器在數(shù)碼攝像、光通信、太陽電池等領(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(lǐng)會半導(dǎo)體pN結(jié)原理、光電效應(yīng)理論和光伏電池產(chǎn)生機理。

圖1是半導(dǎo)體pN結(jié)在零偏、正偏、反偏下的耗盡區(qū)。當p型和N型半導(dǎo)體材料結(jié)合時，即沒有外加電壓的零偏時（圖1a），由于p型材料多數(shù)載流子為空穴（帶正電荷，posiTIvecharge），而N型材料多數(shù)載流子為電子（帶負電荷，NegaTIvecharge），結(jié)果各自的多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U散，擴散的結(jié)果使得電子與空穴在結(jié)合區(qū)復(fù)合，則兩側(cè)的p型區(qū)出現(xiàn)負電荷，N型區(qū)帶正電荷，形成一個勢壘（對于硅，約為0.7V），由此而產(chǎn)生的內(nèi)電場將阻止擴散運動的繼續(xù)進行。當兩者達到平衡時，在pN結(jié)兩側(cè)形成一個耗盡區(qū)。耗盡區(qū)的特點是無自由載流子，呈現(xiàn)高阻抗。當pN結(jié)反偏時（圖1b），外加電場與內(nèi)電場方向一致，耗盡區(qū)在外電場作用下變寬，使勢壘加強，更加不利于多數(shù)載流子的擴散運動，但有利于由于溫度效應(yīng)被激發(fā)的少數(shù)載流子的漂移運動，導(dǎo)致極小的反向電流。若干反向電壓足夠大，則該反向電流將達到一個飽和電流IS（《1μA）；當pN結(jié)正偏時（圖1c），外加電場與內(nèi)電場方向相反，耗盡區(qū)在外電場作用下變窄，使勢壘削弱。當外加電壓大于開啟電壓（對于硅，約為0.5V），勢壘將被消除，多數(shù)載流子的擴散運動將持續(xù)進行，形成p→N方向的正向電流I，這就是pN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?/p>

2.發(fā)光二極管LED工作原理

當某些半導(dǎo)體材料形成的pN結(jié)加正向電壓時，空穴與電子在pN結(jié)復(fù)合時將產(chǎn)生特定波長的光，發(fā)光的波長與半導(dǎo)體材料的能級間隙Eg有關(guān)。發(fā)光波長λp可由下式確定：

pg/hcE??（1）

式中的h為普朗克常數(shù)，c為光速。在實際的半導(dǎo)體材料中能級間隙Eg有一個寬度，因此發(fā)光二極管發(fā)出光的波長不是單一的，其發(fā)光波長半寬度一般在25~40nm左右，隨半導(dǎo)體材料的不同而有差別。發(fā)光二極管輸出光功率p與驅(qū)動電流IL的關(guān)系由下式?jīng)Q定：

pL/pEIe??（2）

式中η為發(fā)光效率，Ep是光子能量，e是電荷常數(shù)。

輸出光功率與驅(qū)動電流呈線性關(guān)系，當電流較大時由于pN結(jié)不能及時散熱，輸出光功率可能會趨向飽和。本實驗用一個驅(qū)動電流可調(diào)的紅色超高亮度發(fā)光二極管LED作為實驗用光源，采用的發(fā)光二極管驅(qū)動和調(diào)制電路如圖2所示，其中的信號調(diào)制采用光強度調(diào)制的方法，

發(fā)送光強度調(diào)節(jié)器用來調(diào)節(jié)流過LED的靜態(tài)驅(qū)動電流，從而改變發(fā)光二極管的發(fā)射光功率。設(shè)定的靜態(tài)驅(qū)動電流IL調(diào)節(jié)范圍為0~20mA，對應(yīng)面板上的光發(fā)送強度驅(qū)動顯示值VE為0~2000mV（VE＝100IL，對應(yīng)IL時，小數(shù)點在倒數(shù)第二位之前，單位為mA，即XX.XXmA）。正弦調(diào)制信號（頻率f=1～1000KHz）經(jīng)電容、電阻網(wǎng)絡(luò)及運放跟隨隔離后耦合到放大環(huán)節(jié)，與發(fā)光二極管靜態(tài)驅(qū)動電流迭加后使發(fā)光二極管發(fā)送隨正弦波調(diào)制信號變化的光信號，如圖3所示，變化的光信號可用于測定光電池的頻率響應(yīng)特性。

3.硅光電池SpC（Siliconphotocell）的工作原理

硅光電池是一個大面積的光電二極管（photodiode），它被設(shè)計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器和光電池，被廣泛用于太空和野外便攜式儀器等的能源。

當半導(dǎo)體pN結(jié)處于零偏或反偏時，在它的結(jié)合面耗盡區(qū)存在一內(nèi)電場。當有光照時，入射光子將把處于價帶中的束縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶，激發(fā)出的電子-空穴對在內(nèi)電場作用下分別漂移到N型區(qū)和p型區(qū)，形成一個正向光伏電壓Vp，可用作光電池SpC，對外輸出電流。當在pN結(jié)兩端加負載時就有一光生電流Ip流過負載，方向是從p型區(qū)流入負載，然后流入光電二極管的N型區(qū)，與pN結(jié)的正向?qū)娏鞣较蛳喾础Ｓ谑牵鬟^pN結(jié)兩端的電流I可由式（3）確定：

其中IS為沒有光照射時的反向飽和電流，V為pN結(jié)兩端電壓，T為絕對溫度，k為玻爾茲曼常數(shù)，Ip為產(chǎn)生的光電流。室溫300K下，e/kT=26mV。從式中可以看到，當光電二極管處于零偏時，V=0V，流過pN結(jié)的電流I=–Ip；當光電二極管處于反偏時（本實驗取–5V），流過pN結(jié)的電流I≡–IpS=–（Ip+IS），從而IS=IpS–Ip。因此，當光電二極管光電池用作光電池時，光電二極管必須處于零偏，而用作一般的光電轉(zhuǎn)換器時，必須處于零偏或反偏狀態(tài)。

光電池SpC處于零偏或反偏狀態(tài)時，產(chǎn)生的光電流Ip與輸入光功率pi有以下關(guān)系：

式中R為響應(yīng)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池R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，以保證處于價帶中的束縛電子得到足夠的能量被激發(fā)到導(dǎo)帶，對于硅光電池其長波截止波長為λT=1.1μm，在短波長處也由于材料有較大紫外吸收系數(shù)使R值很小。

圖4左部是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(zhuǎn)變?yōu)榕c之成正比的電流信號（μA級），再經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換器（I/V轉(zhuǎn)換器）把光電信號轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓信號（mV級）。比較光電池零偏和反偏時的信號，就可以測定光電池的IS。當發(fā)送的光信號被正弦信號調(diào)制時，則光電池輸出電壓信號中將包含正弦信號，據(jù)此可通過示波器測定光電池的頻率響應(yīng)特性。4.光電池的負載特性

光電池作為電池使用如圖4右部所示。在內(nèi)電場的作用下，入射光子由于內(nèi)光電效應(yīng)把處于價帶中的束縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生光伏電壓Vp，在光電池兩端加一個負載RL就會有電流流過，當負載電阻RL很大時，電壓較大；當負載電阻RL很小時，電壓較小。實驗時可改變負載電阻RL的值來測定光電池的負載特性，進而可以得到光電池的伏安特性。

圖4.光電池光電信號接收、特性測試框圖（數(shù)字1~4分別表示需連線的4個實驗序號）。

除示波器外，其它全部器件在TKGD-1型硅光電池特性儀上

1.硅光電池光伏電壓與輸入光信號關(guān)系特性測定

將功能轉(zhuǎn)換開關(guān)打到“負載”處，將硅光電池輸出端連接恒定負載電阻RL（如取5K）和特性儀上的數(shù)字電壓表，從19~1mA調(diào)節(jié)發(fā)光二極管靜態(tài)驅(qū)動電流（2mA/步），實驗測定光電池輸出電壓隨輸入光強度的關(guān)系（若IL＝19mA時Vp超量程，則適當減小RL），記錄數(shù)據(jù)，并繪制Vp–IL曲線。

2.硅光電池負載特性測定

在硅光電池輸入光強度不變時（取IL=10mA），測量當負載從1~10K?的范圍內(nèi)變化（1KΩ/步）時，光電池的輸出電壓Vp隨負載電阻RL的變化關(guān)系，記錄數(shù)據(jù)，求出對應(yīng)的Ip，并繪制Vp–RL和Ip-Vp曲線。

3.硅光電池光電流與輸入光信號關(guān)系特性測定

打開特性儀電源，調(diào)節(jié)發(fā)光二極管靜態(tài)驅(qū)動電流IL，其調(diào)節(jié)范圍0~20mA（相應(yīng)于發(fā)光強度指示0~2000，具體數(shù)值對應(yīng)IL＝XX.XXmA），將偏置電壓切換分別打到零偏和反偏，將硅光電池輸出端連接到I/V轉(zhuǎn)換器的輸入端，將I/V轉(zhuǎn)化器的輸出端連接到特性儀上的毫伏表（XXX.XmV，本組轉(zhuǎn)換器一般1μA光電流Ip轉(zhuǎn)換為約2.5~5.0mV的輸出電壓，因儀器具體情況有所區(qū)別）的輸入端，分別測定光電池在零偏和反偏時光電流I（Ip和IpS）與輸入光信號IL關(guān)系。記錄數(shù)據(jù)（IL取整），并在同一張坐標紙上作圖Ip/IpS–IL，比較光電池在零偏和反偏時兩條曲線關(guān)系，求出光電池的飽和電流IS的平均值。

4.硅光電池的頻率響應(yīng)特性測定

打開信號發(fā)生器、雙蹤示波器電源，將功能轉(zhuǎn)換開關(guān)打到“零偏”處，將硅光電池的輸出連接到I/V轉(zhuǎn)換模塊的輸入端。令LED偏置電流為10mA，在信號輸入端加正弦調(diào)制信號，使LED發(fā)送調(diào)制光信號，保持輸入正弦信號的幅度（Vpp=5V）不變，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器頻率（1，10，20KHz，然后20KHz/步），用示波器觀測并測定記錄發(fā)送光信號的頻率變化時，光電池輸出信號幅度（交流成份的峰－峰值）upp（mV）的變化，測定光電池在零偏條件下的幅頻特性，記錄數(shù)據(jù)，繪制幅頻特性up–f曲線，并估出其截止頻率fT（10KHz處幅度的70.7%，估計精確到10KHz）。