西安电子科技大学：《光电探测技术与系统》课程电子教案（PPT课件讲稿）光电池

S4.7、光电池 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光 线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。 光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。它实质上是一个大 面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能 量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生 对自由电子和空穴，电子空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的 作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。图为硅光电池原 理图。 2022/10/7 1

2022/10/7 1 S4.7、光电池 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光 线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。 光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。它实质上是一个大 面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时， 若光子能 量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一 对自由电子和空穴， 电子-空穴对从表面向内迅速扩散， 在结电场的 作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。 图为硅光电池原 理图

硼扩散层 SiO,膜 P型电极 A A N型硅片 PN结 电极 (a) (b) 硅光电池原理图 (a)结构示意图；(b)等效电路 2022/10/7 2

2022/10/7 2 硅光电池原理图 (a) 结构示意图； (b) 等效电路 A 硼扩散层 SiO2 膜 P型电极 N型硅片 PN结 电 极 A I I (a) (b)

光电池基本特性有以下几种： ()光谱特性光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。 图16 为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。从图中可知，不同材料的 光电池，光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池波 长在0.8μm附近，硒光电池在0.5um附近。硅光电池的光谱响应波长 范围为0.4~.2μm,而硒光电池只能为0.380.75μm。可见，硅光电池 可以在很宽的波长范围内得到应用。 2022/10/7 3

2022/10/7 3 光电池基本特性有以下几种： (1) 光谱特性 光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。 图16 为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。从图中可知， 不同材料的 光电池，光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池波 长在0.8μm附近，硒光电池在0.5μm附近。硅光电池的光谱响应波长 范围为0.4~1.2μm，而硒光电池只能为0.38~0.75μm。可见，硅光电池 可以在很宽的波长范围内得到应用

(2)光照特性光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势 是不同的，它们之间的关系就是光照特性。图1门为硅光电池的开路 电压和短路电流与光照的关系曲线。从图中看出，短路电流在很天 范围内与光照强度呈线性关系，开路电压（即负载电阻R无限大时） 与光照度的关系是非线性的，并且当照度在2000x时就趋于饱和了。 因此用光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用， 不宜用作电压源。 2022/10/7 4

2022/10/7 4 (2) 光照特性 光电池在不同光照度下， 其光电流和光生电动势 是不同的，它们之间的关系就是光照特性。图17为硅光电池的开路 电压和短路电流与光照的关系曲线。从图中看出， 短路电流在很大 范围内与光照强度呈线性关系，开路电压（即负载电阻RL无限大时） 与光照度的关系是非线性的，并且当照度在2000 lx时就趋于饱和了。 因此用光电池作为测量元件时， 应把它当作电流源的形式来使用， 不宜用作电压源

图16硅光电池的光谱特性 100 80 硒 %/S 60 硅 40 20 0 400 6008001000 1200 2022/10/7 4/nm 5

2022/10/7 5 图16 硅光电池的光谱特性 0 400 600 800 1000 1200 20 40 60 80 100  / nm S / % 硒 硅

图17硅光电池的光照特性 0.3 0.6 0.2 开路电压 0.4 >/田 0.1 短路电流 0.2 界 2000 4000 照度小x 2022/10/7 6

2022/10/7 6 图 17 硅光电池的光照特性 0.3 0.2 0.1 0 光生电流 / mA 0.6 0.4 0.2 0 2 000 4 000 短路电流 开路电压 光生电压 / V 照 度 / lx

(3)频率特性图18分别给出硅光电池和硒光电池的频率特性，横坐标 表示光的调制频率。由图可见，硅光电池有较好的频率响应。 100 硅光电池 80 60 硒光电池 20 0 15003000450060007500 fIH五 图718硅光电池的频率特性 2022/10/7 7

2022/10/7 7 （3） 频率特性 图18分别给出硅光电池和硒光电池的频率特性，横坐标 表示光的调制频率。由图可见，硅光电池有较好的频率响应。 图7-18 硅光电池的频率特性 0 1500 3000 4500 6000 7500 20 40 60 80 100 f / Hz 相对光电流 / (%) 硒光电池 硅光电池

(4)温度特性光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路 电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温 度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标，因此温度特性是光 电池的重要特性之一。光电池的温度特性如图19所示。从图中看出， 开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓 慢增加。由于温度对光电池的工作有很大影响，因此把它作为测量元 件使用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。 2022/10/7 8

2022/10/7 8 (4) 温度特性 光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路 电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温 度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标， 因此温度特性是光 电池的重要特性之一。光电池的温度特性如图19所示。从图中看出， 开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓 慢增加。由于温度对光电池的工作有很大影响，因此把它作为测量元 件使用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施

图19硅光电池的温度特性 500 2.2 400 开路电压 自 300 短路电流 2.0 200 100 1.8 0 2040608 0 100 2022/10/7 温度℃ 9

2022/10/7 9 图 19 硅光电池的温度特性 0 20 40 60 80 100 100 200 300 400 500 2.2 2.0 1.8 开路电压 短 路 电 流 温 度 / ℃ U / mV I / mA

表硅光电池2CR型特性参数 数值 参量 开路电压 短路电流 输出电流 转换效率 面积 型号 /mV /mA /mA /(%) /mm2 2CR11 450600 2~4 >6 2.5×5 2CR21 450600 4~8 >6 5×5 2CR31 450~600 9~15 6.58.5 68 5×10 2CR32 550~600 915 8.611.3 8~10 5×10 2CR33 550~600 12~15 11.4~15 10~12 5×10 2CR34 550~600 1215 15~17.5 12以上 5×10 2CR41 450~600 18~30 17.622.5 6~8 10×10 2CR42 500~600 18~30 22.5≈27 810 10×10 2CR43 550~600 2330 27~30 1012 10×10 2CR44 550~600 27~30 27~35 12以上 10×10 2CR51 450~600 36~60 35~45 6~8 10×20 2022/10/7 10

2022/10/7 10 表 硅光电池2CR型特性参数