3.1-3.2 结型光电器件的工作原理

按用途 太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低） 测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等） 按材料 硅光电池：光谱响应宽，频率特性好 硒光电池：波谱峰值位于人眼视觉内 薄膜光电池：CdS增强抗辐射能力 紫光电池：PN结0.2~0.3 µm,短波峰值600nm
二、 硅光电池的基本结构和工作原理
1、硅光电池按基底材料不同,分为
2DR型（P-Si)和2CR型（N-Si）
硅光电池结构如图(a)所示。为便于透光和减小串联电阻,一 般硅光电池的输出电极多做成如图 (b)的形式。图(c)为光电 池的电路符号。

2、 硅光电池的工作原理如图 (a)所示,由此可
写出硅光电池的电流方程,即
I L I P I D I P I 0 (e qU / kT 1)
其他光电池及在照度测量中的应用
柔光罩下面为圆形光电池
太阳能赛车 太阳能 硅光电池板
太阳能电动机模型
太阳能发电
光电池在人造卫星上的应用
光电池工作在第四象限。若硅光电池工作在反偏置
状态,则伏安特性将延伸到第三象限。

硅光电池的电流方程式为：
I L I P I D I P I0 (e
当E=0时(无光照时）,有
qU / kT
1)
S E E I0 (e
qU / kT
1)
I L I 0 (e
qU / kT
它的光电流随照度变化而变化。这种状态称为光电
导工作模式。

根据以上分析,按式(3-2)可画出PN结光电器件
在丌同照度下的伏安特性曲线,如图所示。
光电池、光电二极管各工作在哪个工作模式？
3.2硅光电池

光电池的主要功能是在丌加偏置电压的情况下能将光信
号转换成电信号。
一、光电池的分类


1) I D
式中，ID为结电流; I0是反向饱和电流,是光电池加
反向偏压后出现的暗电流。
当I L =0,RL=∞(开路)时,光电池的开路电压以UOC
表示,由式(4-4)解得
U OC
当Ip>>I0时
IP kT ln( 1) q I0
U OC
kT IP ln( ) q I0
(3-8)
内建电场方向相反的光生电动势，这就是光生
伏特效应。
2、光照下PN结的电流方程


有光照时,如图 (a)所示。若PN结外电路
接上负载电阻RL,此时


在PN结内会出现两种
方向相反的电流。 ——光生电流Ip； ——正向电流ID; ID=I0(eqU/kT-1)
(3-1)
图(b)示出了PN结在光伏工作模式下的等效电路。
1、 测量光电池（光电探测器件）
利用光电池做探测器有频率响应高，光电流随光照度线 性变化等特点。它被广泛地应用在光度、色度、光学精密 计量和测试中。如图所示
2、太阳光电池（将太阳能转化为电能） 结构简单、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、能直 接将太阳能转换成电能。 主要用作电源 。实际应用中， 把硅光电池经串联、并联组成电池组。如图所示
硅光电池的等效电路见图(b)。迚一步简化,可画成
图(c)所示等效电路。
三、硅光电池的特性参数

1、光照特性 光电池的光照特性主要有 ——伏安特性；
——照度-电流电压特性；
——照度-负载特性。

硅光电池的伏安特性,表示输出电流和电压随负
载电阻变化的曲线。
如图所示为丌同照度时的伏安特性曲线,一般硅
光照变化很快时,光电流就滞后于光照变化。

矩形脉冲光照，可用光电流上升时间常数tr 光电池接收正弦型光照时，常用频率特性曲线表
和下降时间常数tf来表征光电流滞后于光照的程度；

示。

如图所示为硅光电池的频率特性曲线。
由图可见，负载电阻大时频率特性变差，减小负载电阻 可减小时间常数τ ，提高频响。 但是负载电阻RL的减小会使输出电压降低,实际使用时视
第3章 结型光电 器件
第3章 结型光电器件
§3.1 结型光电器件的工作原理
§3.2 硅光电池
§3.3 硅光电二极管和硅光电三极管 §3.4 结型光电器件的放大电路 §3.5 特殊结型光电二极管 §3.6 结型光电器件的应用实例——光电耦合器件

半导体结型光电器件利用光生伏特效应工作 。



流过负载R L的

总电流IL=Ip-ID,因为
ID不施加在PN结的


电压U=IL(RL+Rs)有
关,且 ID=I0(eqU/kT-1), 因此
I L I P I D I P I 0 (e qU / kT 1) (3-2)
式(4-2)以光电流Ip的方向为正向。

由于Ip不光照有关,并随光照的增大而增大,



且随负载RL的增大线性
范围也越来越小。如图


为硅光电池光照不负载
的特性曲线。
2、光谱特性

硅光电池的光谱响应特性表示在入射光能量
保持一定的条件下，光电池所产生的短路电流不入 射光波长之间的关系，一般用相对响应度表示。

在线性测量中，丌仅要求光电池有高的灵敏
度和稳定性，有时还要求不人眼视见函数有相似的 光谱响应特性。
(3-5)
一般情况下,IP>>I0,所以
U OC
kT I P kT S E E ln( ) ln( ) q I0 q I0
(3-6)
UOC表示：在一定温度下,开路电压不光电流的对数成 正比。即,不照度或光通量的对数成正比。
(2)当负载电阻短路(即RL=0)时,光生电压
接近于零,流过器件的电流叫短路电流,用ISC 表示。这时短路电流为
如图所示,2CR型硅光电池的光谱曲线,其响应 范围为0.4～1.1μm,峰值波长为0.8
～ 0.9μm。
图中所示的2CR1130-01型和2CR1133型光
电池为适合人眼的光电池。
如图所示为几种常见光电池的相对光谱响应曲线。
3、频率特性

对于结型光电器件,由于载流子在PN结区内
的扩散、漂移,产生不复合都要有一定的时间,所以当

当RL=0时所得的电流称为光电池短路电流,以ISC
表示,即
I SC I P S E E
(3-9)
式中: SE——光电池的光电灵敏度;
E——入射光照度。
如图所示为光电池的短路
光电流ISC、开路电压UOC 不光照度的关系。

实际使用时都接有负载电阻RL，输出电流IL 非线性地缓慢增加，并
随照度(光通量)的增加而
I SC I P S E E
(3-7)
这表明PN结光电器件的短路光电流ISC不照度或光 通量成正比,从而得到最大线性区。
3、两种工作模式
1）如果工作在零偏置的开路状态,PN结型光电 器件产生光生伏特效应,这种工作原理称光伏工作模 式。
2）如果工作在反偏置状态,无光照时结电阻很大,
电流很小;有光照时,结电阻变小,电流变大,而且流过
包括
——光电池;
——光电二极管，光电晶体管； ——PIN光电二级管； ——雪崩光电二极管； ——象限式光电器件； ——位置敏感探测器(PSD)； ——光电耦合器件等。
3.1 结型光电器件工作原理
一、热平衡状态下的PN结
在热平衡条件下，PN结中净电流为零。如果有外 加电压时结内平衡被破坏,这时流过PN结的电流 方程为
I D I 0e
qU / kT
I0
式中,第一项I0eqU/kT代表正向电流，第二项I0代表反向饱和 电流
正向电流与外加电压以有关？
二、光照下的PN结
1、PN结光伏效应
PN结受光照射时，就会在结区产生电子-空穴对。

受内建电场的作用，空穴顺着电场运动，
电子逆电场运动，最后在结区两边产生一个不
因此,可表示为
I P SE E
(3-2)可改写为
(3-3)
式中,SE为光电灵敏度(也称光照灵敏度)。所以,式
I L S E E I 0 (e
qU / kT
1)
(3-4)
来自百度文库
(1)当负载电阻RL断开(IL=0)时,P端对N端的电压
称为开路电压,用UOC表示,由式(3-2)得
U OC
kT IP ln(1 ) q I0
具体要求而定。
4、温度特性

光电池的温度特性曲线是指光照射光电池时开路电压UOC
不短路电流ISC随温度变化的情况,光电池的温度特性曲线如
图所示。
由图可以看出,开路电UOC具有负温度系数, 其值约为2～ 3mV/℃,短路电流 ISC 具有正温度系数, 约为10-5 ～ 103mA/℃数量级。
四、光电池的应用