硅光電池的工作原理
光電轉(zhuǎn)換器件主要是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)，即當(dāng)物質(zhì)在一定頻率的照射下，釋放出光電子的現(xiàn)象。當(dāng)光照射金屬、金屬氧化物或半導(dǎo)體材料的表面時，會被這些材料內(nèi)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(xiàn)象稱為光電子發(fā)射，又稱為外光電效應(yīng)。有些物質(zhì)受到光照射時，其內(nèi)部原子釋放電子，但電子仍留在物體內(nèi)部，使物體的導(dǎo)電性增強，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。
光電二極管是典型的光電效應(yīng)探測器，具有量子噪聲低、響應(yīng)快、使用方便等優(yōu)點，廣泛用于激光探測器。外加反偏電壓與結(jié)內(nèi)電場方向一致，當(dāng)PN結(jié)及其附近被光照射時，就會產(chǎn)生載流子（即電子-空穴對）。結(jié)區(qū)內(nèi)的電子-空穴對在勢壘區(qū)電場的作用下，電子被拉向N區(qū)，空穴被拉向P區(qū)而形成光電流。同時勢壘區(qū)一側(cè)一個擴展長度內(nèi)的光生載流子先向勢壘區(qū)擴散，然后在勢壘區(qū)電場的作用下也參與導(dǎo)電。當(dāng)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(fā)生相應(yīng)的變化。這種變化在入射光強度很大的動態(tài)范圍內(nèi)仍能保持線性關(guān)系。
硅光電池是一個大面積的光電二極管，它被設(shè)計用于把入射到它表面的光能轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)半導(dǎo)體PN結(jié)處于零偏或負偏時，在它們的結(jié)合面耗盡區(qū)存在一內(nèi)電場。
當(dāng)沒有光照射時，光電二極管相當(dāng)于普通的二極管，
其伏安特性是（1）
?
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(shù)增長，稱為正向電流；當(dāng)外加電壓反向時，在反向擊穿電壓之內(nèi)，反向飽和電流基本上是個常數(shù)。 當(dāng)有光照時，入射光子將把處于介帶中的束縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶，激發(fā)出的電子空穴對在內(nèi)電場作用下分別飄移到N型區(qū)和P型區(qū)，當(dāng)在PN結(jié)兩端加負載時就有一光生電流流過負載。流過PN結(jié)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(jié)兩端電壓，T為工作絕對溫度，Ip為產(chǎn)生的反向光電流。從式中可以看到，當(dāng)光電池處于零偏時，V=0，流過PN結(jié)的電流I=Ip；當(dāng)光電池處于負偏時（在本實驗中取V=-5V），流過PN結(jié)的電流I=Ip-Is。因此，當(dāng)光電池用作光電轉(zhuǎn)換器時，光電池必須處于零偏或負偏狀態(tài)。
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(guān)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(nèi)阻時硅光電池兩端的電壓，
而當(dāng)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(shù)關(guān)系，因而具有飽和性。因此，把硅光電池作為敏感元件時，應(yīng)該把它當(dāng)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(yōu)點。