采用硅光电池实现光照度计电路设计和分析
2 硅光电池的工作特性
2.1 硅光电池的工作原理
光电二极管是典型的光电效应探测器，具有量子噪声低、响应
快、使用方便等特点，广泛应用于激光探测器。外反偏电压与结内电场一致，当PN结及其附近被光照时，就会产生载流子（及电子空穴对）。结区内的电子-空穴对在势垒去电场的作用下，电子被拉向N区，空穴被拉向P区而形成光电流。同时势垒区一侧一个扩展长度内的光生载流子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场作用下也参与导电。当入射光强度变化时，光生载流子的浓度及通过外回路的光电流也随之发生相应的变化。这种变化在入射光强度很大的动态范围内仍能保持线性关系。
硅光电池是一个大面积的光电二极管，他被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能，因此，可用作光电探测器，被广泛用于太空
和野外便携式仪器等的能源。
光电池的结构如图2.1所示，当半导体PN结处于零偏或负片时，在他们结合面耗尽区存在一内电场。当没有光照时，光电二极管相当于普通的二极管。其伏安特性是：
eV （1.1） kTs
I?I(e?1)
-4-
采用硅光电池实现光照度计电路设计和分析
图2.1 光电池结构示意图
式（1.1）中I为流过二极管的总电流，Is为反向饱和电流，e为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，T为工作绝对温度，V为加在二极管两端的电压。对于外加正向电压，I随V指数增长，成为正向电流：当外加电压反向时，在方向击穿电压之内，反向饱和电流基本是个常数。
当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别漂移到N型区和P型区，当PN结两端加载负载时就有一光生电流流过负载。流过PN结两端的电流可由式(式1.2)确定：
I?Is(eeVkT?1)?Ip （1.2）
此式表示硅光电池的伏安特性。式（1.2）中I为流过硅光电池的总电流，Is反向饱和电流，V为PN结两端电压，T为工作绝对温度，Ip为产生的反向光电流。从式中可以看到，当光电池处于零偏时，V=0，流过PN结的电流I?Ip；当光电池处于负偏时，流过PN结的电流I?Ip?Is。因此，当光电池作光电转换器时，光电池必须处于零偏或负偏状态。
-5-
比较（1.1）式和（1.2）式可知，硅光电池的伏安特性曲线相当于
采用硅光电池实现光照度计电路设计和分析
普通二极管的伏安特性曲线向下平移。
光电池处于零偏或负偏状态时，产生的光电流Ip与输入光功率Pi有一下关系：
Ip?RPi （1.3）
式（1.3）中R值随入射光波长的不同而变化，对不同材料制作的光电池R值分别在短波长和长波长处存在一截止波长，在长波长处要求入射光子的能量大于材料的能级间隙Eg，以保证处于介带中的束缚电子得到足够的能量被激发到导带，对于硅光电池其长波截止波长为
?c?1.1?m，在波长也处于也由于材料有较大吸收系数使R值很小。
图2.2是光电池光信号接收端的工作原理框图，光电池把接收到的光信号转变为之成正比的电流信号，就可以测定光电池的饱和电流Is。当发送的光信号被正弦信号调制时，则光电池输出电压信号中将包含正弦信号，据此可通过示波器测定光电池的频率响应特性。
零偏 反偏 光电池 数显器 I/V变换器 V 示波器 图2.2 光电池光电信号接收框图
2.2 硅光电池的负载特性
光电池作为电池使用如图2.3所示。在内电场作用下，入射光子由于内光电效应把处于介带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电
-6-
采用硅光电池实现光照度计电路设计和分析
压，在光电池两端加一个负载就会有电流流过，当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。实验时可改变负载电阻RL的值来测定硅光电池的伏安特性。
图2.3 硅光电池伏安特性的测定
硅光电池特性试验仪框图如图2.4所示。超高亮度LED在可调电流和调制信号驱动下发出的光照射到光电池表面功能转换开关可分别打到零偏、负载或负载。
LED 驱动
负载特性 电流电压转换 LED 光电池
图2.4 硅光电池特性试验仪框图
2.2.1硅光电池零偏和负偏时光电流与输入光信号的关系
打开仪器电源，调节发光二极管静态驱动电流，其调节范围为0~20mA（相应于发光强度指示0~20.00），将功能转换开关分别打到零偏和负偏，将硅光电池输出端连接到I/V转换模块的输入端，将I/V转换模块的输出端连接到数显电压表头的输入端，分别测定光电池在
-7-