光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同

当I 0，得到开路电压 Ip kT U oc ln( 1) q I0 当U 0，得到短路电流 I sc I p I sc与入射光强度成正比 开路电压与入射光强度的对数成正比
• 1.光电池工作原理
硅光电池是在 N型硅片中掺入 P型杂质形成一个大面 积的 PN结, 如图 2.4.1所示。光电池的结构类似于光电 二极管 , 区别在于硅光电池用的衬底材料的电阻率低 , 约为 0.1~0.01Ω·cm, 而硅光电二极管衬底材料的电阻 率约为 1000Ω·cm 。上电极为栅状受光电极 , 下电极为 衬底铝电极。栅状电极能减少电极与光敏面的接触电 阻 , 增加透光面积。其上还蒸镀抗反射膜 , 既减少反射 损失,又对光电池起保护作用。当光照射到PN结上时, 如果在两电极间串接负载电阻,则电路中便产生了电流, 如图2.4.2所示。
Uo c / mV 6 00 4 00 2 00 Uo c Isc
Isc / mA 60 40 20 T/ ℃
4) 温度特性 光电池的温度特性是指开路电压 Uoc 和 短 路 电 流 Isc 随 温 度 变 化 的 关 系 。 图 2.4.7 为硅光电池在照度为 1000lx 下的温 度特性曲线。由图可知 ,开路电压随温度 上升下降很快 ,但短路电流随温度的变化 较慢。 温度特性影响应用光电池的仪器设备 的温度漂移 , 以及测量精度或控制精度等 重要指标。当其用作测量器件时 ,最好能 保持温度恒定或采取温度补偿措施。
硅光电池是目前使用最广泛的光电池
1 00
2
Ir / %
80 60 40 20 0 1 50 0 3 00 0 4 50 0 6 00 0 f / Hz 1
图2.4.6 光电池的频率特性曲线
• 要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻RL； • Fra Baidu bibliotek电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面 积越大则结电容Cj越大，在给定负载时，时间常 数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面 积光电池。
0 .3 0 .6
流 光 电 /mA
0 .2 2
0 .4 0 .2 0
0 .1
0
2 00 0 照度 / lx
4 00 0
图2.4.4 硅光电池的光照特性
V 光 生 电 /压
1
因此,光电池作为测量元件使用时,应利用短路 电流与照度有较好线性关系的特点,可当作电流 源使用,而不宜当作电压源使用。所谓短路电流 是指外接负载电阻远小于光电池内阻时的电流。 从实验可知 , 负载越小 , 光电流与照度之间的线 性关系越好 , 而且线性范围越宽。负载在 100Ω 以下,线性还是比较好的 , 负载电阻太大 ,则线性 变坏,如图2.4.5所示。
上电极（透明导电膜）
SiQ2 抗反射模
P N
P—N 结
下电极
图2.4.1 硅光电池结构示意图
光照 ＋ P ＋ ＋ RL － － －
＋
N
－
mA
V
图2.4.2 硅光电池电原理图
• 2.光电池的基本特性 1)光谱特性 光电池的光谱特性如图2.4.3所示。从图中可知,不 同材料的光电池,峰值波长不同。
光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光 生电动势。 短路电流在很大范围内与光强成线性关系。 开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在 2000lx时趋于饱和。
硅光电池的光照特性,如图2.4.4所示。 开路电压输出：非线性(电压---光强)，灵敏度高 短路电流输出：线性好(电流---光强) ，灵敏度低 开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输 出）
• 半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结 短路，则会出现电流（光生电流）。
光电池的结构特点
• 光电池核心部分是一个PN结，一般作成面积 大的薄片状，来接收更多的入射光。
• 在N型硅片上扩散P型杂质（如硼），
受光面是P型层
• 或在P型硅片上扩散N型杂质（如磷），
受光面是N型层
光电池的结构特点
2.4 硅光电池
光电池的结构特点
光电池的基本原理
光电池的基本特性
电路分析和计算
应用举例
光电池
• 光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转换成 电能的一种器件。
• PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射 PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），光 生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于PN 结上加一个正电压。
100 50 Se Si Ge
相对灵敏度 / %
硅光电池 响应波长0.4-1.1微米， 峰值波长0.8-0.9微米。 硒光电池 响应波长0.34-0.75微米， 峰值波长0.54微米。
0 0.4
0.8
1 波 长 /m
1.5
2
图2.4.3 光电池的光谱特性
2)光照特性
连接方式：开路电压输出---(a) 短路电流输出---(b)
2 .0
1.7
光电流 / mA
1 .0
0 0 2 50 0
10 00
0
2 00 4 00 6 00 8 00 1 00 0 照度 / lx
图2.4.5 硅光电池光照特性与负载的关系
10 0


3) 频率特性 光电池的频率特性是指相对输出电流与光的 调制频率之间的关系。所谓相对输出电流是指 高频输出电流与低频最大输出电流之比。图 2.4.6是光电池的频率特性曲线。在光电池作为 测量、计算、接收器件时,常用调制光作为输入。 由图可知硅光电池具有较高的频率响应（曲线 2 ） , 而硒光电池则较差（曲线 1 ）。因此 , 在高 速计数的光电转换中一般采用硅光电池。 总结： 硅光电池频率特性好 硒光电池频率特性差
• 受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和 保护作用
• 上电极做成栅状，为了更多的光入射
• 由于光子入射深度有限，为使光照到PN结上，
实际使用的光电池制成薄P型或薄N型。
光电池等效电路
q I L I p I 0 {exp[ (U I L Rs )] 1} kT I p为光电池等效电路中的恒流源 I 0为光电池等效二极管反向饱和电流, q为电子电荷量 U 为光电池输出电压 Rs为光电池等效电路中串联电阻，Rs 很小，可以忽略 qU I L I p I 0 [exp( ) 1] kT