硅光電池SpC（Siliconphotocell）的工作原理
 

硅光電池是一個大面積的光電二極管（photodiode），它被設計用于把入射到它表面的光能轉化為電能，因此可用作光電探測器和光電池，被廣泛用于太空和野外便攜式儀器等的能源。

當半導體pN結處于零偏或反偏時，在它的結合面耗盡區(qū)存在一內電場。當有光照時，入射光子將把處于價帶中的束縛電子激發(fā)到導帶，激發(fā)出的電子-空穴對在內電場作用下分別漂移到N型區(qū)和p型區(qū)，形成一個正向光伏電壓Vp，可用作光電池SpC，對外輸出電流。當在pN結兩端加負載時就有一光生電流Ip流過負載，方向是從p型區(qū)流入負載，然后流入光電二極管的N型區(qū)，與pN結的正向導通電流方向相反。于是，流過pN結兩端的電流I可由式（3）確定：

其中IS為沒有光照射時的反向飽和電流，V為pN結兩端電壓，T為絕對溫度，k為玻爾茲曼常數，Ip為產生的光電流。室溫300K下，e/kT=26mV。從式中可以看到，當光電二極管處于零偏時，V=0V，流過pN結的電流I=–Ip；當光電二極管處于反偏時（本實驗取–5V），流過pN結的電流I≡–IpS=–（Ip+IS），從而IS=IpS–Ip。因此，當光電二極管光電池用作光電池時，光電二極管必須處于零偏，而用作一般的光電轉換器時，必須處于零偏或反偏狀態(tài)。

光電池SpC處于零偏或反偏狀態(tài)時，產生的光電流Ip與輸入光功率pi有以下關系：

式中R為響應率，R值隨入射光波長的不同而變化，對不同材料制作的光電池R值分別在短波長和長波長處存在一截止波長，在長波長處要求入射光子的能量大于材料的能級間隙Eg，以保證處于價帶中的束縛電子得到足夠的能量被激發(fā)到導帶，對于硅光電池其長波截止波長為λT=1.1μm，在短波長處也由于材料有較大紫外吸收系數使R值很小。

圖4左部是光電信號接收端的工作原理框圖，光電池把接收到的光信號轉變?yōu)榕c之成正比的電流信號（μA級），再經電流電壓轉換器（I/V轉換器）把光電信號轉換成與之成正比的電壓信號（mV級）。比較光電池零偏和反偏時的信號，就可以測定光電池的IS。當發(fā)送的光信號被正弦信號調制時，則光電池輸出電壓信號中將包含正弦信號，據此可通過示波器測定光電池的頻率響應特性。4.光電池的負載特性

光電池作為電池使用如圖4右部所示。在內電場的作用下，入射光子由于內光電效應把處于價帶中的束縛電子激發(fā)到導帶，而產生光伏電壓Vp，在光電池兩端加一個負載RL就會有電流流過，當負載電阻RL很大時，電壓較大；當負載電阻RL很小時，電壓較小。實驗時可改變負載電阻RL的值來測定光電池的負載特性，進而可以得到光電池的伏安特性。

圖4.光電池光電信號接收、特性測試框圖（數字1~4分別表示需連線的4個實驗序號）。

除示波器外，其它全部器件在TKGD-1型硅光電池特性儀上