硅光电池

结构与光生伏特效应

硅光电池是在一块N型硅片上用扩散方法掺入P型杂质形成PN结的光电器件。当入射光照射到PN结上时，若光子能量 $h{\nu }_0$ 大于半导体材料的禁带宽度 $E_g$，则在PN结附近激发出电子-空穴对。PN结内电场方向由N区指向P区，在该电场作用下，N型区的光生空穴被拉向P型区，P型区的光生电子被拉向N型区，结果P型区带正电、N型区带负电，PN结两端产生电位差。若将PN结两端用导线连接，电路中就有电流流过，电流方向由P型区经外电路至N型区；若外电路断开，可测出光生电动势。这一现象即光生伏特效应。

符号说明：$h$ 为普朗克常量，${\nu }_0$ 为入射光频率（单位Hz），$E_g$ 为半导体禁带宽度（单位eV或J）。比较 $h{\nu }_0$ 与 $E_g$ 时必须统一能量单位：$h$ 用J·s时，$E_g$ 需用J或经换算后代入，不能任意混用eV与J。比较 $h{\nu }_0$ 与 $E_g$ 时必须统一能量单位：$h$ 用J·s时，$E_g$ 需用J或经换算后代入，不能任意混用eV与J。

光照特性与测量用法

光电池在不同光照下，光电流和光生电动势不同，二者与光照强度的关系称为光照特性。

• 短路电流（外接负载相对于其内阻很小时的光电流）在很大范围内与光照强度成线性关系。
• 开路电压（负载电阻无穷大时）与光照强度成非线性关系，通常近似对数关系；其饱和趋势与具体器件、光谱、材料、温度、暗流和工作条件有关，不能把2000lx当作通用饱和阈值。

因此，光电池作为测量元件时通常应作为电流源使用，使其接近短路工作状态，以利用短路电流与光照强度间的线性关系；开路电压可经非线性标定用于定量测量，光伏电池也可作发电电源，不能无条件禁止电压读出。

负载电阻的影响：对于不同的负载电阻，可在不同的照度范围内使光电流与光照强度保持线性关系。负载电阻越小，光电流与照度间的线性关系越好，线性范围也越宽。应用光电池时，所用负载电阻的大小应根据光照的具体情况决定。

光谱特性

光电池对不同波长的光灵敏度不同。硅光电池的光谱响应波长范围为0.4～1.2μm，峰值在0.8μm附近；硒光电池的光谱响应范围为0.38～0.75μm，峰值在0.5μm附近。硅光电池光谱响应范围更宽；硒光电池在可见光谱范围内有较高灵敏度，适宜测可见光。使用光电池时应对光源有所选择。

频率特性

光电池的PN结面积大、极间电容大，因此频率特性较差。硅光电池比硒光电池有更好的频率特性和更高的频率响应，一般在高速计算器中采用。

温度特性

光电池的开路电压和短路电流随温度变化。硅光电池在1000lx光照下：开路电压随温度升高而快速下降，短路电流随温度升高而增加，在一定温度范围内二者都与温度成线性关系。温度对光电池工作影响较大，作测量元件时最好保证温度恒定或采取温度补偿措施。

稳定性

光电池密封良好、电极引线可靠且应用合理时性能相当稳定；硅光电池的性能比硒光电池更稳定。其性能和寿命主要取决于材料及制造工艺以及使用环境条件。

与其他光电器件的区别

光电池与光敏二极管、光敏晶体管都是PN结器件，主要区别在于后者的PN结通常处于反向偏置，无光照时反向电阻很大、反向电流很小，相当于截止状态；有光照时产生光生电子-空穴对形成光电流。光敏晶体管放大区是集电结反偏、发射结正偏，不能把全部PN结均说成反偏；光敏二极管也可零偏工作。光电池则工作在零偏或正向偏置（光伏状态），直接输出光生电动势。