硅光电池的伏安特性曲线

　　硅光电池的工作原理

　　光电转换器件主要是利用物质的光电效应，即当物质在一定频率的照射下，释放出光电子的现象。当光照射金属、金属氧化物或半导体材料的表面时，会被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够大，吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而溢出材料表面，这种电子称为光电子，这种现象称为光电子发射，又称为外光电效应。有些物质受到光照射时，其内部原子释放电子，但电子仍留在物体内部，使物体的导电性增强，这种现象称为内光电效应。

　　光电二极管是典型的光电效应探测器，具有量子噪声低、响应快、使用方便等优点，广泛用于激光探测器。外加反偏电压与结内电场方向一致，当PN结及其附近被光照射时，就会产生载流子（即电子-空穴对）。结区内的电子-空穴对在势垒区电场的作用下，电子被拉向N区，空穴被拉向P区而形成光电流。同时势垒区一侧一个扩展长度内的光生载流子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场的作用下也参与导电。当入射光强度变化时，光生载流子的浓度及通过外回路的光电流也随之发生相应的变化。这种变化在入射光强度很大的动态范围内仍能保持线性关系。

　　硅光电池是一个大面积的光电二极管，它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能，因此，可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等的能源。

　　光电池的基本结构如图1所示，当半导体PN结处于零偏或负偏时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场。

　　

　　当没有光照射时，光电二极管相当于普通的二极管，

　　其伏安特性是（1）

 

　　式（1）中I为流过二极管的总电流，Is为反向饱和电流，e为电子电荷，k为玻耳兹曼常量，T为工作绝对温度，V为加在二极管两端的电压。对于外加正向电压，I随V指数增长，称为正向电流；当外加电压反向时，在反向击穿电压之内，反向饱和电流基本上是个常数。 当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别飘移到N型区和P型区，当在PN结两端加负载时就有一光生电流流过负载。流过PN结两端的电流可由式（2）确定：

　　此式表示硅光电池的伏安特性。

　　式（2）中I为流过硅光电池的总电流，Is为反向饱和电流，V为PN结两端电压，T为工作绝对温度，Ip为产生的反向光电流。从式中可以看到，当光电池处于零偏时，V=0，流过PN结的电流I=Ip；当光电池处于负偏时（在本实验中取V=-5V），流过PN结的电流I=Ip-Is。因此，当光电池用作光电转换器时，光电池必须处于零偏或负偏状态。

　　

　　图2a为硅光电池的伏安特性曲线。在一定光照度下，硅光电池的伏安特性呈非线性。

　　图2b为硅光电池的光照特性曲线。负载电阻在20欧姆以下时，短路电流与光照有比较好的线性关系，负载电阻过大，则线性会变坏。 开路电压则是指负载电阻远大于光电池的内阻时硅光电池两端的电压，

　　而当硅光电池的输出端开路时有 I=0 ，由（2）和可得开路电压为：

　　开路电压与光照度之间为对数关系，因而具有饱和性。因此，把硅光电池作为敏感元件时，应该把它当作电流源的形式使用，即利用短路电流与光照度成线性的特点，这是硅光电池的主要优点。