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(gè)大面積的PN 結(jié)，把一只透明玻璃外殼的點(diǎn)接觸型二極管與一塊微安表接成閉合回路，當(dāng)二極管的管芯（PN結(jié)）受到光照時(shí)，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(gè)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(shí)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(biāo)燈、無人氣象站等設(shè)備的電源；也可做電子手表、電子計(jì)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(zhǔn)直、電影還音等設(shè)備的光感受器。
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(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1是半導(dǎo)體PN結(jié)在零偏、正偏、反偏下的耗盡區(qū)。當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體材料結(jié)合時(shí)，即沒有外加電壓的零偏時(shí)（圖1a），由于P型材料多數(shù)載流子為空穴（帶正電荷，Positive charge），而N型材料多數(shù)載流子為電子（帶負(fù)電荷，Negative charge），結(jié)果各自的多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U(kuò)散，擴(kuò)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(fù)電荷，N型區(qū)帶正電荷，形成一個(gè)勢壘（對于硅，約為0.7 V），由此而產(chǎn)生的內(nèi)電場將阻止擴(kuò)散運(yùn)動的繼續(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)是無自由載流子，呈現(xiàn)高阻抗。當(dāng)PN結(jié)反偏時(shí)（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(qiáng)，更加不利于多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)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(yùn)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(dá)到一個(gè)飽和電流IS（《1 μA）；當(dāng)PN結(jié)正偏時(shí)（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(dāng)外加電壓大于開啟電壓（對于硅，約為0.5 V），勢壘將被消除，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動將持續(xù)進(jìn)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(dāng)某些半導(dǎo)體材料形成的PN結(jié)加正向電壓時(shí)，空穴與電子在PN結(jié)復(fù)合時(shí)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(shí)際的半導(dǎo)體材料中能級間隙Eg有一個(gè)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(dāng)電流較大時(shí)由于PN結(jié)不能及時(shí)散熱，輸出光功率可能會趨向飽和。本實(shí)驗(yàn)用一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)度調(diào)制的方法，
發(fā)送光強(qiáng)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0~20 mA，對應(yīng)面板上的光發(fā)送強(qiáng)度驅(qū)動顯示值VE為0~2000 mV（VE＝100IL，對應(yīng)IL時(shí)，小數(shù)點(diǎn)在倒數(shù)第二位之前，單位為mA，即XX.XX mA）。正弦調(diào)制信號（頻率f=1～1000 KHz）經(jīng)電容、電阻網(wǎng)絡(luò)及運(yùn)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（Silicon Photocell）的工作原理
硅光電池是一個(gè)大面積的光電二極管（Photodiode），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(dāng)半導(dǎo)體PN結(jié)處于零偏或反偏時(shí)，在它的結(jié)合面耗盡區(qū)存在一內(nèi)電場。當(dāng)有光照時(shí)，入射光子將把處于價(jià)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(gè)正向光伏電壓VP，可用作光電池SPC，對外輸出電流。當(dāng)在PN結(jié)兩端加負(fù)載時(shí)就有一光生電流IP流過負(fù)載，方向是從P型區(qū)流入負(fù)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(shí)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300 K下，e/kT=26 mV。從式中可以看到，當(dāng)光電二極管處于零偏時(shí)，V=0 V，流過PN結(jié)的電流I= –IP；當(dāng)光電二極管處于反偏時(shí)（本實(shí)驗(yàn)取–5 V），流過PN結(jié)的電流I≡–IPS= –（ IP+IS）， 從而IS = IPS– IP。因此，當(dāng)光電二極管光電池用作光電池時(shí)，光電二極管必須處于零偏，而用作一般的光電轉(zhuǎn)換器時(shí)，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(shí)，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(jià)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 =1.1 μm，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(shí)的信號，就可以測定光電池的IS。當(dāng)發(fā)送的光信號被正弦信號調(diào)制時(shí)，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(fù)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(jià)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(gè)負(fù)載RL就會有電流流過，當(dāng)負(fù)載電阻RL很大時(shí)，電壓較大；當(dāng)負(fù)載電阻RL很小時(shí)，電壓較小。實(shí)驗(yàn)時(shí)可改變負(fù)載電阻RL的值來測定光電池的負(fù)載特性，進(jìn)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(gè)實(shí)驗(yàn)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(fù)載”處，將硅光電池輸出端連接恒定負(fù)載電阻RL（如取5K）和特性儀上的數(shù)字電壓表，從19~1 mA調(diào)節(jié)發(fā)光二極管靜態(tài)驅(qū)動電流（2 mA/步），實(shí)驗(yàn)測定光電池輸出電壓隨輸入光強(qiáng)度的關(guān)系（若IL＝19 mA時(shí)VP超量程，則適當(dāng)減小RL），記錄數(shù)據(jù)，并繪制VP–IL曲線。
2. 硅光電池負(fù)載特性測定
在硅光電池輸入光強(qiáng)度不變時(shí)（取IL=10 mA），測量當(dāng)負(fù)載從1~10 K?的范圍內(nèi)變化（1 KΩ/步）時(shí)，光電池的輸出電壓VP隨負(fù)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0~20 mA（相應(yīng)于發(fā)光強(qiáng)度指示0~2000，具體數(shù)值對應(yīng)IL＝XX.XX mA），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.X mV， 本組轉(zhuǎn)換器一般1 μA 光電流IP 轉(zhuǎn)換為約2.5~5.0 mV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(shí)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(biāo)紙上作圖IP/IPS–IL，比較光電池在零偏和反偏時(shí)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10 mA，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=5 V）不變，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器頻率（1， 10， 20 KHz，然后20 KHz/步），用示波器觀測并測定記錄發(fā)送光信號的頻率變化時(shí)，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 （10 KHz處幅度的70.7%，估計(jì)精確到10 KHz）。