第3章 半導體光電檢測器件及應用2-光電池

光電池是根據(jù)光生伏特效應制成的將光能轉換成電能的一種器件。PN結的光生伏特效應：當用適當波長的光照射PN結時，由于內建場的作用（不加外電場），光生電子拉向n區(qū)，光生空穴拉向p區(qū)，相當于PN結上加一個正電壓。半導體內部產生電動勢（光生電壓）；如將PN結短路，則會出現(xiàn)電流（光生電流）。3.2.1光電池3.2光生伏特器件光電池的結構特點光電池核心部分是一個PN結，一般作成面積大的薄片狀，來接收更多的入射光。在N型硅片上擴散P型雜質（如硼），如2CR型受光面是P型層或在P型硅片上擴散N型雜質（如磷），如2DR型，受光面是N型層受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保護作用上電極做成柵狀，為了更多的光入射由于光子入射深度有限，為使光照到PN結上，實際使用的光電池制成薄P型或薄N型。符號光電池的特性1伏安特性

無光照時，光電池伏安特性曲線與普通半導體二極管相同。有光照時，沿電流軸方向平移，平移幅度與光照度成正比。曲線與電壓軸交點稱為開路電壓VOC，與電流軸交點稱為短路電流ISC。光電池伏安特性曲線光電池等效電路連接方式：開路電壓輸出---(a)

短路電流輸出---(b)光電池在不同的光強照射下可產生不同的光電流和光生電動勢。短路電流在很大范圍內與光強成線性關系。開路電壓隨光強變化是非線性的，并且當照度在2000lx時趨于飽和。2光電池的光照特性開路電壓輸出：非線性(電壓---光強)，靈敏度高短路電流輸出：線性好(電流---光強)，靈敏度低開關測量（開路電壓輸出），線性檢測（短路電流輸出）10010102103電流密度J/uAmm-210-210-110102103104103歐姆10歐姆102歐姆光電池在不同負載下的光電特性3光電池負載特性光電池輸出電壓，電流及功率隨負載變化的關系特性0100200300Voc/V200400400RMULPLILRL/歐姆負載RL的增大線性范圍也越來越小。因此，在要求輸出電流與光照度成線性關系時，負載電阻在條件許可的情況下越小越好，并限制在適當?shù)墓庹辗秶鷥仁褂谩?時間和頻率響應

硅光電池頻率特性好硒光電池頻率特性差硅光電池是目前使用最廣泛的光電池

要得到短的響應時間，必須選用小的負載電阻RL；光電池面積越大則響應時間越大，因為光電池面積越大則結電容Cj越大，在給定負載時，時間常數(shù)就越大，故要求短的響應時間，必須選用小面積光電池。開路電壓下降大約23mV/度短路電流上升大約10-510-3mA/度5溫度特性

隨著溫度的上升，硅光電池的光譜響應向長波方向移動，開路電壓下降，短路電流上升。光電池做探測器件時，測量儀器應考慮溫度的漂移，要進行補償。硅光電池響應波長0.4-1.1微米，峰值波長0.8-0.9微米。硒光電池響應波長0.34-0.75微米，峰值波長0.54微米。6光譜響應度光電池的應用1、光電檢測器件利用光電池做探測器有頻率響應高，光電流隨光照度線性變化等特點。2、將太陽能轉化為電能實際應用中，把硅光電池經串聯(lián)、并聯(lián)組成電池組。硅太陽能電池硅太陽能電池包括單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池。單晶硅太陽能電池在實驗室里最高的轉換效率為23%,而規(guī)模生產的單晶硅太陽能電池,其效率為15%。多晶硅半導體材料的價格比較低廉,但是由于它存在著較多的晶粒間界而有較多的弱點。多晶硅太陽能電池的實驗室最高轉換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產的轉換效率為10%。非晶硅太陽能電池非晶硅薄膜太陽能電池組件的制造采用薄膜工藝,具有較多的優(yōu)點,例如:沉積溫度低、襯底材料價格較低廉,能夠實現(xiàn)大面積沉積。非晶硅的可見光吸收系數(shù)比單晶硅大,是單晶硅的40倍,1微米厚的非晶硅薄膜,可以吸引大約90%有用的太陽光能。非晶硅太陽能電池的穩(wěn)定性較差,從而影響了它的迅速發(fā)展。化合物太陽能電池三五族化合物電池和二六族化合物電池。三五族化合物電池主要有GaAs電池、InP電池、GaSb電池等;二六族化合物電池主要有CaS/CuInSe電池、CaS/CdTe電池等。在三五族化合物太陽能電池中,GaAs電池的轉換效率最高,可達28%;GaAs化合物太陽能電池Ga是其它產品的副產品,非常稀少珍貴;As不是稀有元素,有毒。GaAs化合物材料尤其適用于制造高效電池和多結電池,這是由于GaAs具有十分理想的光學帶隙以及較高的吸收效率。GaAs化合物太陽能電池雖然具有諸多優(yōu)點,但是GaAs材料的價格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。太陽能太陽能特點：①無枯竭危險；②絕對干凈；③不受資源分布地域的限制；④可在用電處就近發(fā)電；⑤能源質量高；⑥使用者從感情上容易接受；⑦獲取能源花費的時間短。要使太陽能發(fā)電真正達到實用水平，一是要提高太陽能光電變換效率并降低成本；二是要實現(xiàn)太陽能發(fā)電同現(xiàn)在的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。太陽能光電池要求：轉換效率高、成本低光電檢測器件特點：光敏面積大，頻率相應高，光電流隨照度線性變化等要求：線性寬，靈敏度高、光譜響應合適、穩(wěn)定性好和壽命長應用：開關應用，線性檢測（光電讀數(shù)、關電開關、光柵測量技術、激光準直、電影還音）1．太陽電池電源

太陽電池電源系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池組、調節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負載供電，則加一個直流－交流變換器，太陽電池電源系統(tǒng)框圖如圖。太陽能電池電源系統(tǒng)逆變器

交流負載

直流負載阻塞二極管

調節(jié)控制器太陽電池方陣硅光電池的應用(a)光電追蹤電路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2圖(a)為光電地構成的光電跟蹤電路，用兩只性能相似的同類光電池作為光電接收器件。當入射光通量相同時，執(zhí)行機構按預定的方式工作或進行跟蹤。當系統(tǒng)略有偏差時，電路輸出差動信號帶動執(zhí)行機構進行糾正，以此達到跟蹤的目的。光電池在檢測和控制方面應用中的幾種基本電路BG2BG1+12VCJR1R2(b)光電開關圖(b)所示電路為光電開關，多用于自動控制系統(tǒng)中。無光照時，系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài)，如通態(tài)或斷態(tài)。當光電池受光照射時，產生較高的電動勢，只要光強大于某一設定的閾值，系統(tǒng)就改變工作狀態(tài)，達到開關目的。(c)光電池觸發(fā)電路R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW

圖(c)為光電池觸發(fā)電路。當光電池受光照射時，使單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)翻轉，改變其工作狀態(tài)或觸發(fā)器件(如可控硅)導通。+12V5G23(d)光電池放大電路C3-12VWR1R2R3R4R5C1C218765432圖(d)為光電池放大電路。在測量溶液濃度、物體色度、紙張的灰度等場合，可用該電路作前置級，把微弱光電信號進行線性放大，然后帶動指示機構或二次儀表進行讀數(shù)或記錄。

在實際應用中，主要利用光電池的光照特性、光譜特性、頻率特性和溫度特性等，通過基本電路與其它電子線路