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、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，電子被拉向N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（1）

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　　式（1）中I為流過二極管的總電流，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光生電流流過負載。流過PN結兩端的電流可由式（2）確定：

　　此式表示硅光電池的伏安特性。

　　式（2）中I為流過硅光電池的總電流，Is為反向飽和電流，V為PN結兩端電壓，T為工作絕對溫度，Ip為產生的反向光電流。從式中可以看到，當光電池處于零偏時，V=0，流過PN結的電流I=Ip；當光電池處于負偏時（在本實驗中取V=-5V），流過PN結的電流I=Ip-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。

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

　　圖2b為硅光電池的光照特性曲線。負載電阻在20歐姆以下時，短路電流與光照有比較好的線性關系，負載電阻過大，則線性會變壞。 開路電壓則是指負載電阻遠大于光電池的內阻時硅光電池兩端的電壓，

　　而當硅光電池的輸出端開路時有 I=0 ，由（2）和可得開路電壓為：

　　開路電壓與光照度之間為對數關系，因而具有飽和性。因此，把硅光電池作為敏感元件時，應該把它當作電流源的形式使用，即利用短路電流與光照度成線性的特點，這是硅光電池的主要優點。