【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 中的空穴就會(huì)互相擴(kuò)散，見(jiàn)圖 (a)，結(jié)果在 PN區(qū)交界面附近形成一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)，產(chǎn)生如圖 (b)所示的內(nèi)電場(chǎng)，方向由 N區(qū)指向 P區(qū)。 一、原理與結(jié)構(gòu) 光電池 ? 硒光 電池結(jié)構(gòu)示意圖 硅 光 電池結(jié)構(gòu)示意圖 當(dāng)光線照射 PN結(jié)時(shí)， PN結(jié)將吸收入射光子。如果光子能量超過(guò)半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則由半導(dǎo)體能帶理論可知，在 PN結(jié)附近會(huì)產(chǎn)生電子和空穴。在內(nèi)電場(chǎng)的作用下，空穴移向 P區(qū)，電子移向 N區(qū)，移動(dòng)的結(jié)果，在 N區(qū)聚集大量的電子而帶上負(fù)電，在 P區(qū)聚集大量的空穴而帶上正電。于是在 P區(qū)和 N區(qū)之間產(chǎn)生了電勢(shì)，成為光生電動(dòng)勢(shì)。如果用導(dǎo)線和電阻把 N區(qū)和 P區(qū)連接起來(lái)，回路中就會(huì)有光電流 I流過(guò)，電流方向是由 P區(qū)流向 N區(qū)，如圖3． 1． 31(c)所示，這就是光電池受光照時(shí)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)和光電流的簡(jiǎn)單原理。 光電池的符號(hào)如圖所示，光電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等效電路如圖 (b)所示。 從以上分析可知，由光照產(chǎn)生的電子和空穴在內(nèi)電場(chǎng)的作用下才形成光生電動(dòng)勢(shì)和光電流。由于內(nèi)電場(chǎng) 另外，光電池的輸出也受外接負(fù)載電阻大小的影響，如圖所示 . 當(dāng) 時(shí)， ， 是由摻雜的 P區(qū)和 N區(qū)自由擴(kuò)散形成的，故內(nèi)電場(chǎng)的強(qiáng)度是非常有限的，就導(dǎo)致了光電池的光電轉(zhuǎn)換效率非常低，最高也只能是百分之十幾。 0?LR 0?U ??? ? SII即輸出電流與入射光通量 Ф成線性 關(guān)系。 上式中， S是光電池的靈敏度。當(dāng)時(shí) ， ，隨著 U的增大， PN結(jié)的等效電阻 開(kāi)始變小，則 開(kāi)始增大，由于 顯然， I與 Φ成非線性關(guān)系。當(dāng) U繼續(xù)增大到 PN結(jié)的導(dǎo)通電壓時(shí) ( 非常大時(shí) )， U就不會(huì)再增大，此時(shí)， PN結(jié)的 變得很小，光照所產(chǎn)生的光電流 幾乎全部流向二極管，即 這時(shí)，在負(fù)載 RL上除有少量的電流維持 PN結(jié)的導(dǎo)通電壓 U外，光照產(chǎn)生的光電流幾乎都消耗在光電池內(nèi)部。 這種現(xiàn)象也可以從圖 (c)中看出。當(dāng) 較大時(shí)，光電流 流過(guò) 時(shí)，必然使 U增大，由于 U的方向是與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，故要削弱內(nèi)電場(chǎng)的強(qiáng)度，從而使光生的電子和空穴不能移過(guò) PN結(jié)，使對(duì)外輸出的光電流減少。 0?LR 0?UDr DIDIII ???LR Dr?IDII ???ILR LR光電池的種類 硒光電池，氧化亞銅光電池，硫化鉈光電池，硫化鎘光電池，鍺光電池，硅光電池，砷化鎵光電池等。 其中最受重視的是硅光電池，因?yàn)樗幸幌盗械?優(yōu)點(diǎn) ， 例如 性能穩(wěn)定 、 光譜范圍寬 、 頻率特性好 、 換能效率高 、 能耐高能輻射 等。 硒光電池比硅光電池價(jià)廉，它的光譜峰值位置在人的視覺(jué)范圍內(nèi)，因而應(yīng)用在不少測(cè)量?jī)x器上。 。 二、特性 1．光照特性 圖 (a)和圖 (b)分別示出 硅光電池和硒光電的 光照特性，它指光生電動(dòng)勢(shì)和光電流與照度的關(guān)系。 光電池的電動(dòng)勢(shì)，即 開(kāi)路電壓與照度 L成非線性關(guān)系 ，在照度 2022勒克斯照射下就趨向飽和了。 光電池的 短路電流與照度成線性關(guān)系 ，而且受照結(jié)面積越大，短路電流亦越大 (可把光電池看成由許多小光電池并聯(lián)而成 )。 光電池的所謂短路電流是指外接負(fù)載電阻相對(duì)于光電池的內(nèi)阻來(lái)講很小。而光電池在不同照度時(shí)，其內(nèi)阻也不同，所以在不同的照度時(shí)可用不同大小的外接負(fù)載近似地滿足 “ 短路 ” 條件。 當(dāng)光電池作為測(cè)量元件時(shí)，應(yīng)以電流源的形式來(lái)使用。 圖 (c)示出硒光電池的光照特性與負(fù)載電阻的關(guān)系 。 硅光電池也有相類似的關(guān)系 。 從圖可 見(jiàn) ， 負(fù)載電阻RL越小 ， 光電流和照度的線性關(guān)系越好 ， 且線性范圍較廣 。 所以光電池作為測(cè)量元件時(shí) ， 所用負(fù)載電阻的大小 ， 應(yīng)根據(jù)照度或光強(qiáng)而定 。當(dāng)照度較大時(shí) ， 為保證測(cè)量有線性關(guān)系 ， 所用負(fù)載電阻應(yīng)較小 。 負(fù)載電阻增大時(shí) ， 光電流變小 ， 而且光照特性的線性區(qū)域亦變小 ，這是因?yàn)楣怆姵氐膬?nèi)阻隨照度和電壓而改變 。 硅光電池的內(nèi)阻一般屬于低阻范圍 ， 其大小與受光面積和光強(qiáng)有關(guān) ， 在 100毫瓦／厘米的 入 射光強(qiáng)下 ， 光電池每平方厘米的內(nèi)阻范圍在 15—20歐之間 。 2．光譜特性 光電池的光譜特性決定于所采用的材料。 圖 (d)的曲線 1和 2分別示出硒和硅光電池的光譜特性 。 從圖上可看出 ， 硒光電池在可見(jiàn)光譜內(nèi)有較高的靈敏度 ， 峰值波長(zhǎng)在 5400埃附近 ， 它適宜于測(cè)量可見(jiàn)光 。如果硒光電池與適當(dāng)?shù)臑V光片配合 ， 它的 光譜靈敏度與人的眼睛很接近 ， 可用它客觀地決定照度 。 硅光電池可以應(yīng)用的范圍為 4000～ 11000埃 ， 峰值波長(zhǎng)在 8500埃 附近 ， 因此對(duì)色溫為 2854K的鎢絲燈光源 ， 能得到很好的光譜響應(yīng) 。 光電池的光譜峰值位置不僅與制造光電池的材料有關(guān)，也和制造工藝有關(guān)，并且隨使用溫度的不同而有所移動(dòng)。 3．伏安特性 伏安特性如圖 。 圖中還畫(huà)出負(fù)載電阻為 、 l、 3千歐的負(fù)載線 。光電池的負(fù)載線由 決定 。 負(fù)載電阻短接或很小時(shí)，負(fù)載線垂直或接近于垂直。它與伏安特性的交點(diǎn)為等距離，電流正比于照度，數(shù)值也較大。負(fù)載電阻增 增大時(shí)，交點(diǎn)的距離不等，例如 3千歐這條負(fù)載線與伏安特性的交點(diǎn)相互間距離不等，即電流不與照度成正比，光照特性不是直線，電流也減小。 光電池的積分靈敏度由光通量為 1流明所能產(chǎn)生的短路電流決定。硅光電池的靈敏度為 6～ 8毫安 /流明，硒光電池的靈敏度約為 毫安／流明，因而硅光電池的靈敏度比硒高。硅光電池 的開(kāi)路電壓在 ～ 。在器件結(jié)構(gòu)相同的情況下，可能達(dá)到的最大開(kāi)路電壓，硒比硅略微高一些。 IRU L? 4．頻率特性 光電池的 PN結(jié)或阻擋層的面積大極間電容大，因此頻率特性較差， 圖 (f)曲線 l示出硒光電池的頻率特性，它是在負(fù)載電阻為一兆歐時(shí)繪出的。負(fù)載電阻越大，電容的旁路作用越顯著，頻率特性高頻部分的下降越厲害。因此 不宜于檢測(cè)交變 圖 (f)中的曲線 2， 在照度較強(qiáng)和負(fù)載電阻較小的情況下 ， 它的截止頻率最高可達(dá) 10～ 30千赫 。 在低照度時(shí)頻率特性要變差 ， 這是因?yàn)樵诘驼斩葧r(shí)光電池內(nèi)阻增大的緣故 。 響應(yīng)速度與結(jié)電容和負(fù)載電阻的乘積有關(guān) 。 如欲改善頻率特性 ， 需減小負(fù)載電阻或減小光電池的面積 ， 使它的結(jié)電容減小 。 此外 ， 響應(yīng)速度還與少數(shù)載流子的壽命和擴(kuò)散時(shí)間等有關(guān) 。 光通量 。硅光電池的頻率特性要好一些， 5．溫度特性 圖 (g)示出硅光電池的開(kāi)路電壓和短路電流與溫度 T的關(guān)系。 硅光電池的 開(kāi)路電壓隨溫度升高而降低 ， 溫度每升高 l度 ， 電壓下降2—3毫伏 。 短路電流隨著溫度升高 ，開(kāi)始增大 。 當(dāng)溫度超過(guò) 70度左右時(shí) ，溫度升高 ， 電流下降 。 硅光電池在強(qiáng)輻射下性能也是穩(wěn)定的 。 對(duì)于硒光電池 ， 在強(qiáng)光照射時(shí)性能變化很大 ， 這主要是由于此時(shí)體內(nèi)已起了變化或表面的硒被氧化所造成的 。 光電池的可靠性好 ， 壽命也較長(zhǎng) ， 它們除與制造材料 、 工藝有關(guān)外 ， 還和使用的情況有關(guān) ， 因此合理地使用光電池 ， 也是保證性能穩(wěn)定 ， 可靠性好 ， 壽命長(zhǎng)的重要環(huán)節(jié) 。 光電池的使用： 光電池在受強(qiáng)光照射或聚焦光照射的情況下，應(yīng)該考慮光電池的工作溫度及散熱措施。如果硒光電池的結(jié)溫超過(guò) 50度、硅光電池的結(jié)溫超過(guò) 200度時(shí)，就要破壞它們的晶體結(jié)構(gòu)，造成損壞。 通常硅光電池使用的結(jié)溫不允許超過(guò) 125度。 硅光電池是由薄的硅片制成，極脆，使用時(shí)應(yīng)特別小心。硅光電池的固定不宜用壓緊法，應(yīng)采用膠粘法。由于硅光電池和座子的膨脹系數(shù)不可能相同，所以也不宜用極牢固的膠合劑 (如環(huán)氧樹(shù)脂、 502膠等 )，應(yīng)采用柔