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光电池
阅读:21252时间:2010-11-09 11:05:26

  光电池是一种自发电式的光电元件,它受到光照时自身能产生一定方向的电动势,在不加电源的情况下,只要接通外电路,便有电流通过。光电池的种类很多,有硒、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、锗、硅、砷化镓光电池等,其中应用最广泛的是硅光电池,因为它有一系列优点,例如性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高,能耐高愠辐射等。另外,由于硒光电池的光谱峰值位于人眼的视觉范围,所以很多分析仪器、测量仪表也常用到它。

工作原理

  硅光电池的工作原理基于光生伏特效应,它是在一块N型硅片上用扩散的方法掺人一些P型杂质而形成的一个大面积PN结,见图7-1-16a。当光照射P区表面时,若光子能量加大于硅的禁带宽度,则在P型区内每吸收一个光子便产生一个电子-空穴对,P区表面吸收的光子最多,激发的电子空穴最多,越向内部越少。这种浓度差便形成从表面向体内扩散的自然趋势。由于PN结内电场的方向是由N区指向P区的,它使扩散到PN结附近的电子—空穴对分离,光生电子被推向N区,光生空穴被留在P区。从而使N区带负电,P区带正电,形成光生电动势。若用导线连接P区和N区,电路中就有光电流流过。

光谱特性

  光电池对不同波长的光,灵敏度是不同的。图7-1-17是硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。从图中可知,不同材料的光电池适用的人射光波长范围也不相同。硅光电池的适用范围宽,对应的入射光波长可在0.45~1.1之间,而硒光电池只能在0.34~0.57波长范围,它适用于可见光检测。

光电特性

  光电池在不同的光照度下,光生电动势和光电流是不相同的。硅光电池的光电特性如图7-1-18所示。其中曲线1是负载电阻无穷大时的开路电压特性曲线,曲线2是负载电阻相对于光电池内阻很小时的短路电流特性曲线。开路电压与光照度的关系是非线性的,而且在光照度为20001x时就趋于饱和,而短路电流在很大范围内与光照度成线性关系,负载电阻越小,这种线性关系越好,而且线性范围越宽。因此检测连续变化的光照度时,应当尽量减小负载电阻,使光电池在接近短路的状态工作,也就是把光电池作为电流源来使用。在光信号断续变化的场合,也可以把光电池作为电压源使用。

光电特性

温度特性

  光电池的温度特性是指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设备的温度漂移,影响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。从图7-1-19中可以看出硅光电池开路电压随温度上升而明显下降,温度上升,开路电压约降低3mV。短路电流随温度上升却是缓慢增加的。因此,光电池作为检测元件时,应考虑温度漂移的影响,并采用相应的措施进行补偿。

频率特性

  光电池的频率特性是指输出电流与入射光调制频率的关系。

  当入射光照度变化时,由于光生电子—空穴对的产生和复合都需要一定时间,因此入射光。调制频率太高时,光电池输出电流的变化幅度将下降。硅光电池的频率特性较好,工作频率的上限约为数万赫兹,而硒光电池的频率特性较差。在调制频率较高的场合,应采用硅光电池,并选择面积较小的硅光电池和较小的负载电阻,进一步减小响应时间,改善频率特性。

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