第三章结型光电器件

I D = I oe
qU kT
ID与外加电压
− I0
有关
当U>0时？ 时 当U=0时？ 时 当U<0时？ 时
（1）.PN 结正向偏置
变薄 + + + +
内电场被削弱， 内电场被削弱，多子 的扩散加强能够形成 较大的扩散电流。 较大的扩散电流。
－
+ P
－ － －
_ N
内电场 外电场
R
E
（2）.PN结反向偏置 结反向偏置
普通二极管工作在第一象限； 普通二极管工作在第一象限；光电二极 管工作在第三象限，否则没有光电效应。 管工作在第三象限，否则没有光电效应。
零偏置的开路状态 的开路状态， 在 零偏置 的开路状态 ， 结型光电器件产生光生 伏特效应，称为光伏工作模式。 伏特效应，称为光伏工作模式。 反偏置状态 无光照时结电阻很大， 状态， 在 反偏置 状态 ， 无光照时结电阻很大 ， 结电流 很小； 有光照时，结电阻变小，电流变大， 很小 ； 有光照时 ， 结电阻变小 ， 电流变大 ， 而且流 过它的光电流随照度变化而变化， 过它的光电流随照度变化而变化 ， 称为光电导工作 模式。 模式。 通常把光导工作模式的光伏探测器称为光电二极 通常把光导工作模式的光伏探测器称为光电二极 因为它的外回路特性与光电导探测器十分相似。 管，因为它的外回路特性与光电导探测器十分相似。
Voc
在要求输出电流与光 在线性测量中, 在线性测量中, 这就是硅光电池 实际应用时， 实际应用时，都接 照度成线性关系时， 照度成线性关系时，负载 光电池常以电流形式 负载，的开路电压和短 负载，光电池光照与负 使用, 使用,因此短路电流 电阻在条件许可的情况下 路电流与光照的 载的特性曲线 的这种线性关系是光 越小越好， 由此图可 越小越好，并限制在强光 关系, 关系, 电池重要的光照特性 照范围内使用 ? 看出什麽? 看出什麽
通常把光伏工作模式的光伏探测器称为光电池。 通常把光伏工作模式的光伏探测器称为光电池。 光电池
二、硅光电池 20世纪以来，人类在太阳能的利用方面， 20世纪以来，人类在太阳能的利用方面，主要 世纪以来 开发3项技术： 开发3项技术： 1.把太阳能转换为热能技术，如太阳能热水器、 1.把太阳能转换为热能技术，如太阳能热水器、取 把太阳能转换为热能技术 暖器等； 暖器等；
自偏置
P
ID + U RL IP
N
流过负载的电流产生的压降， PN结来说就好 流过负载的电流产生的压降，对PN结来说就好 压降 像是一个正偏置，从而产生正向电流！ 像是一个正偏置，从而产生正向电流！
I L = I P − I D = I P − I 0 (e
qU kT
− 1)
IP与光照有关， 与光照有关，
（三） 硅光电池的特性参数 特性参数主要有：光照特性、光谱特性、 特性参数主要有：光照特性、光谱特性、频率 特性、 特性、温度特性 1.光照特性 1.光照特性 光照特性有伏安特性、照度-电流电压特性和 光照特性有伏安特性、照度-电流电压特性和照 伏安特性 负载特性。 度-负载特性。 伏安特性： 伏安特性：表示输出电流和电压随负载电阻变化 不同照度时的伏不同照度时的伏-安特性 的曲线。 的曲线。 曲线. 曲线.一般硅光电池工作 在第四象限。 在第四象限。若硅光电池 工作在反偏置状态， 工作在反偏置状态，则伏 安特性将延伸到第三象限
4．温度特性 光电池的温度特性曲线主要指光照射时它的开路 随温度变化的情况。 电压Uoc与短路电流Isc随温度变化的情况。 光电池的温度特性曲线如图所示
内电场被被加强， 内电场被被加强，多子的扩 散受抑制。少子漂移加强， 散受抑制。少子漂移加强， 但少子数量有限， 但少子数量有限，只能形成 较小的反向电流。 较小的反向电流。
变厚 － + + + + 内电场 外电场 E
_ P
－ － －
N
+
R
).光照下的PN结 光照下的PN (二).光照下的PN结 假定光生电子假定光生电子-空穴对 PN结的结区内产生 结的结区内产生。 在PN结的结区内产生。由于 内电场作用，电子从P区向N 内电场作用，电子从P区向N 区漂移运动， 区漂移运动，被内电场分离 的电子和空穴就在外回路中 形成电流。 形成电流。
开路)时 光电池的开路电压， 当RL=∞(开路 时，光电池的开路电压，以Voc表示 开路
V oc Ip kT = ln( + 1) q I0
Voc ≈ (kT / q) ln(I p / I 0 )
I sc = I p = S E ⋅ E
当RL＝0 时所得的电流 称为光电池短路电流， 称为光电池短路电流， 以Isc表示
两种转换方式? 两种转换方式
2.太阳能电池和太阳能电站等； 2.太阳能电池和太阳能电站等； 太阳能电池和太阳能电站等 3.正在进行可行性研究技术，如太阳能卫星（ 3.正在进行可行性研究技术，如太阳能卫星（太空 正在进行可行性研究技术 电站）。 电站）。 由卫星组成的太空电站可在高空轨道上大面积 光电池主要功能是在零偏置的情况下能将光信号 光电池主要功能是在零偏置的情况下能将光信号 聚集阳光，并转换成电能， 聚集阳光，并转换成电能，再通过微波发生器转换 转换成电信号。按用途光电池可分为太阳能光电池和 转换成电信号。按用途光电池可分为太阳能光电池和 成微波发回地面， 成微波发回地面，地面接收天线再把微波整流并送 测量光电池 往相关电力网，供用户使用。 往相关电力网，供用户使用。
分类： （二）分类： （1）按基底材料来分： ）按基底材料来分： 2DR（P型Si为基底） （ 型 为基底 为基底） 2CR（N型Si为基底） （ 型 为基底 为基底）
图2DR型硅光电池，它是以P型硅为衬底，然后在 型硅光电池，它是以 型面 型层并将其作为受光面。 衬底上扩散磷而形成 型层并将其作为受光面。
2.光谱特性 2.光谱特性 光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件 下，光电池所产生的短路电流与入射光波长之间的关 一般用相对响应表示。 相对响应表示 系，一般用相对响应表示。 线性测量中， 线性测量中，要求光电池有高的灵敏度和稳定 同时要求与人眼视见函数有相似 视见函数有相似的光谱响应特 性，同时要求与人眼视见函数有相似的光谱响应特 性。 2CR型硅光电池的 2CR型硅光电池的 几种常见光电池的 光谱曲线， 光谱曲线，其响应范围 相对光谱响应曲线:硒 相对光谱响应曲线: 锗光电池长波响 0.4～1.1μm， 为0.4～1.1μm，峰值 光电池与人眼视见函数 应宽， 应宽 波长为0.8 适合作红 0.8～ 波长为0.8～0.9μm， 相似， ， 0.9μm， 相似，砷化镓量子效率 外探测器 是非常适合人眼的光电 噪声低， 高，噪声低，响应在紫 池 外区和可见光区。 外区和可见光区。
（一） 硅光电池的基本结构和工作原理 金属-半导体接触型（肖特基结）（硒光电池）； ）（硒光电池 1、金属-半导体接触型（肖特基结）（硒光电池）； PN结型 硅光电池）。 结型（ 2、PN结型（硅光电池）。
电极 (− )
N P
电极 (+ )
透明的二氧化 硅保护膜： 硅保护膜：防 潮、增加对入 射光的吸收
3.频率特性 3.频率特性 结型光电器件，PN结内载流子的扩散、漂移， 结型光电器件，PN结内载流子的扩散、漂移，产 结内载流子的扩散 生与复合都需要一定的时间，当光照变化很快时， 生与复合都需要一定的时间，当光照变化很快时，光 电流变化就滞后于光照变化。 电流变化就滞后于光照变化。 对矩形脉冲光，用光电流上升时间常数tr和下降 对矩形脉冲光， 来表征光电流滞后于光照的程度； 时间常数tf来表征光电流滞后于光照的程度；对正弦 型光照常用频率特性曲线表示 由图可见： 由图可见：负载大时频 右图为硅光 率特性变差， 率特性变差，减小负载可减 电池的频率 提高频响。 小时间常数τ，提高频响。 特性曲线。 特性曲线。 但是负载电阻R 但是负载电阻 L的减小会使 输出电压降低， 输出电压降低，实际使用时 根据具体要求而定。 根据具体要求而定。
开路电压 短路电流
随着光照增大 而增大 不同光照下的伏安特性曲线
光伏效应有两个重要参数: 光伏效应有两个重要参数: 开路电压和短路电流 当负载电阻R 断开( 端对N端的电压 当负载电阻 L断开(IL＝0)时，P端对 端的电压 ) 端对 称为开路电压 开路电压， 称为开路电压，用Uoc表示
U oc Ip kT = ln(1 + ) q I0
光电池外形
光敏面
能提供较大电流的 大面积光电池外形
（3）按用途 太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低）； 太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低）； 测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等）。 测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等）。 （4）按材料 硅光电池：光谱响应宽，频率特性好； 硅光电池：光谱响应宽，频率特性好； 硒光电池：波谱峰值位于人眼视觉内； 硒光电池：波谱峰值位于人眼视觉内； 薄膜光电池：CdS增强抗辐射能力； 薄膜光电池：CdS增强抗辐射能力； 增强抗辐射能力 紫光电池：PN结 600nm。 紫光电池：PN结0.2~0.3 µm,短波峰值600nm。 ,短波峰值600nm
mA
热平衡状态下的PN PN结 （一）热平衡状态下的PN结 PN结 P型材料和N型材料紧密接触，在交界处就形成PN结 型材料和N型材料紧密接触，在交界处就形成PN 在热平衡条件下，PN结中净电流为零 在热平衡条件下，PN结中净电流为零 如果有外加电压时结内平衡被破坏，此时流经PN 如果有外加电压时结内平衡被破坏，此时流经PN 结的电流方程？ 结的电流方程？
硅光电池的受光面的输出电极多做成梳齿状或 “E”字型电极，其目的是便于透光和减小硅光电池 字型电极， 字型电极 的内电阻。 的内电阻。 注意： 注意： 1、上、下电极区分 2、受光表面涂保护膜的目的