矽光電池有哪些特性

矽光電池是一種直接把光能轉換成電能的半導體器件。它的結構很簡單，核心部分是一個大面積的PN 結，把一隻透明玻璃外殼的點接觸型二極體與一塊微安表接成閉合迴路，當二極體的管芯（PN結）受到光照時，你就會看到微安表的錶針發生偏轉，顯示出迴路裡有電流，這個現象稱為光生伏特效應。矽光電池的PN結面積要比二極體的PN結大得多，所以受到光照時產生的電動勢和電流也大得多。

光敏傳感器的基礎是光電效應，即利用光子照射在器件上，使電路中產生電流或使電導特性發生變化的效應。目前半導體光敏傳感器在數碼攝像、光通信、太空飛行器、太陽能電池等領域得到了廣泛應用，在現代科技發展中起到了十分重要的作用。

能源--矽光電池串聯或並聯組成電池組與鎳鎘電池配合、可作為人造衛星、宇宙飛船、航標燈、無人氣象站等設備的電源；也可做電子手錶、電子計算器、小型號汽車、遊艇等的電源。

光電檢測器件--用作近紅外探測器、光電讀出、光電耦合、雷射增加準直、電影還音等設備的光感受器。

矽光電池優質推薦OTRON品牌。

光電控制器件--用作光電開關等光電控制設備的轉換器件。

1. 半導體PN結原理

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，矽光電池是半導體光電探測器的一個基本單元，深刻理解矽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1是半導體PN結在零偏、正偏、反偏下的耗盡區。當P型和N型半導體材料結合時，即沒有外加電壓的零偏時（圖1a），由於P型材料多數載流子為空穴（帶正電荷，Positive charge），而N型材料多數載流子為電子（帶負電荷，Negative charge），結果各自的多數載流子向對方擴散，擴散的結果使得電子與空穴在結合區複合，則兩側的P型區出現負電荷，N型區帶正電荷，形成一個勢壘（對於矽，約為0.7 V），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（圖1b），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，更加不利於多數載流子的擴散運動，但有利於由於溫度效應被激發的少數載流子的漂移運動，導致極小的反向電流。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（《1 μA）；當PN結正偏時（圖1c），外加電場與內電場方向相反，耗盡區在外電場作用下變窄，使勢壘削弱。當外加電壓大於開啟電壓（對於矽，約為0.5 V），勢壘將被消除，多數載流子的擴散運動將持續進行，形成P→N方向的正向電流I，這就是PN結的單向導電性。

2. 發光二極體LED工作原理

當某些半導體材料形成的PN結加正向電壓時，空穴與電子在PN結複合時將產生特定波長的光，發光的波長與半導體材料的能級間隙Eg有關。發光波長λP可由下式確定：

pg/hcE （1）

式中的h為普朗克常數，c為光速。在實際的半導體材料中能級間隙Eg有一個寬度，因此發光二極體發出光的波長不是單一的，其發光波長半寬度一般在25~40nm左右，隨半導體材料的不同而有差別。發光二極體輸出光功率P與驅動電流IL的關係由下式決定：

pL/pEIe （2）

式中η為發光效率，Ep是光子能量，e是電荷常數。

輸出光功率與驅動電流呈線性關係，當電流較大時由於PN結不能及時散熱，輸出光功率可能會趨向飽和。本實驗用一個驅動電流可調的紅色超高亮度發光二極體LED作為實驗用光源，採用的發光二極體驅動和調製電路如圖2所示，其中的信號調製採用光強度調製的方法，

發送光強度調節器用來調節流過LED的靜態驅動電流，從而改變發光二極體的發射光功率。設定的靜態驅動電流IL調節範圍為0~20 mA，對應面板上的光發送強度驅動顯示值VE為0~2000 mV（VE＝100IL，對應IL時，小數點在倒數第二位之前，單位為mA，即XX.XX mA）。正弦調製信號（頻率f=1～1000 KHz）經電容、電阻網絡及運放跟隨隔離後耦合到放大環節，與發光二極體靜態驅動電流迭加後使發光二極體發送隨正弦波調製信號變化的光信號，如圖3所示，變化的光信號可用於測定光電池的頻率響應特性。

3. 矽光電池SPC（Silicon Photocell）的工作原理

矽光電池是一個大面積的光電二極體（Photodiode），它被設計用於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，被廣泛用於太空和野外可攜式儀器等的能源。

當半導體PN結處於零偏或反偏時，在它的結合面耗盡區存在一內電場。當有光照時，入射光子將把處於價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漂移到N型區和P型區，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型區流入負載，然後流入光電二極體的N型區，與PN結的正嚮導通電流方向相反。於是，流過PN結兩端的電流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結兩端電壓，T為絕對溫度，k為玻爾茲曼常數，IP為產生的光電流。室溫300 K下，e/kT=26 mV。從式中可以看到，當光電二極體處於零偏時，V=0 V，流過PN結的電流I= –IP；當光電二極體處於反偏時（本實驗取–5 V），流過PN結的電流I≡–IPS= –（ IP+IS）， 從而IS = IPS– IP。因此，當光電二極體光電池用作光電池時，光電二極體必須處於零偏，而用作一般的光電轉換器時，必須處於零偏或反偏狀態。

光電池SPC處於零偏或反偏狀態時，產生的光電流IP與輸入光功率Pi有以下關係：

式中R為響應率，R值隨入射光波長的不同而變化，對不同材料製作的光電池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於材料的能級間隙Eg，以保證處於價帶中的束縛電子得到足夠的能量被激發到導帶，對於矽光電池其長波截止波長為λT =1.1 μm，在短波長處也由於材料有較大紫外吸收係數使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變為與之成正比的電流信號（μA級），再經電流電壓轉換器（I/V轉換器）把光電信號轉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。當發送的光信號被正弦信號調製時，則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。 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。在內電場的作用下，入射光子由於內光電效應把處於價帶中的束縛電子激發到導帶，而產生光伏電壓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型矽光電池特性儀上

1. 矽光電池光伏電壓與輸入光信號關係特性測定

將功能轉換開關打到「負載」處，將矽光電池輸出端連接恆定負載電阻RL（如取5K）和特性儀上的數字電壓表，從19~1 mA調節發光二極體靜態驅動電流（2 mA/步），實驗測定光電池輸出電壓隨輸入光強度的關係（若IL＝19 mA時VP超量程，則適當減小RL），記錄數據，並繪製VP–IL曲線。

2. 矽光電池負載特性測定

在矽光電池輸入光強度不變時（取IL=10 mA），測量當負載從1~10 K的範圍內變化（1 KΩ/步）時，光電池的輸出電壓VP隨負載電阻RL的變化關係，記錄數據，求出對應的IP，並繪製VP–RL和IP-VP曲線。

3. 矽光電池光電流與輸入光信號關係特性測定

打開特性儀電源，調節發光二極體靜態驅動電流IL，其調節範圍0~20 mA（相應於發光強度指示0~2000，具體數值對應IL＝XX.XX mA），將偏置電壓切換分別打到零偏和反偏，將矽光電池輸出端連接到I/V轉換器的輸入端，將I/V轉化器的輸出端連接到特性儀上的毫伏表（XXX.X mV， 本組轉換器一般1 μA 光電流IP 轉換為約2.5~5.0 mV的輸出電壓，因儀器具體情況有所區別）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關係。記錄數據（IL取整），並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係，求出光電池的飽和電流IS的平均值。

4. 矽光電池的頻率響應特性測定

打開信號發生器、雙蹤示波器電源，將功能轉換開關打到「零偏」處，將矽光電池的輸出連接到I/V轉換模塊的輸入端。令LED偏置電流為10 mA，在信號輸入端加正弦調製信號，使LED發送調製光信號，保持輸入正弦信號的幅度（VPP=5 V）不變，調節信號發生器頻率（1， 10， 20 KHz，然後20 KHz/步），用示波器觀測並測定記錄發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，記錄數據，繪製幅頻特性uP–f曲線，並估出其截止頻率fT （10 KHz處幅度的70.7%，估計精確到10 KHz）。

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