解析光电传感器器件之光电池的结构原理

光电池的种类很多,有硒光电池、氧化亚铜光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓光电池等。其中,最受重视的是硅光电池,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、能耐高温辐射等。

  根据阻挡层光电效应而工作的光电池,在有光线作用下,实质上就是电源。电路中有了这种光电元件就不再需要外加电源。

  光电池的种类很多,有硒光电池、氧化亚铜光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓光电池等。其中,最受重视的是硅光电池,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、能耐高温辐射等。另外,由于硒光电池的光谱峰值位置在人眼的视觉范围,所以很多分析仪器、测量仪表也常常用到它。下面着重介绍硅光电池,同时顺便介绍一下硒光电池。

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  光电池的结构原理

  硅光电池也称硅太阳能电池,它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质(例如,硼)形成P-N结,如下图所示。


硅光电伏特电池的构造和图示符号

  当入射光照射P型区表面时,若光子能量大于半导体材料的禁带宽度,则在P型区每吸收一个光子便产生一个自由电子和空穴。P型区表面吸收的光子最多,激发出的电子空穴对也最多。越向内部,电子空穴对越少。由于浓差,形成从表面向体内扩散的自然趋势。空穴是P型区的多数载流子。入射光所产生的空穴浓度比原有热生空穴要低得多,而入射光所产生的电子则向内部扩散。若能在它复合之前到达P-N结过浓区,则在结电场的作用下正好将电子推向N型区。这样光照所产生的电子空穴对就被结电场分离开来,从而使P型区带阳电,N型区带阴电,形成光生电动势(即两者之间形成电位差)。

  目前,硅光电池有两种系列:2DR型和2CR型。2DR型是以P型硅为衬底,进行N掺杂形成PN结;2CR型是以N型硅为衬底,进行P掺杂形成PN结。在结构上相似于光电二极管,其区别在于硅光电池用的衬底材料的电阻率低,约为0.1〜0.01Ω•cm,而硅光电二极管衬底材料的电阻率约为10000Ω•cm。下图为2DR型硅光电池的结构原理和符号。上电极为栅状受光电极,下电极为衬底铝电极。栅状电极能减小电极与光敏面的接触电阻,增大透光面积。其上还蒸镀增透膜,可减少反射损失,同时对光电池起保护作用。


  图 2DR型硅光电池的结构原理

  在一定光照下,如果改变负载电阻RL,则负载电阻的电流I和电压U都要变化。输出电流和电压随负载电阻变化的曲线为光电池的伏-安特性。下图为不同照度下的伏-安特性曲线族。

  从能量转换观点,希望负载电阻获得最大功率,即输出电流和电压之积RL值最大。由下图伏-安特性可知,Q点对应的IU面积最大,即光电池输出功率最大。


图 光电池的付安特行曲线

  硅光电池与其他能量转换器件相比具有很多优点:轻便,简单,不会产生气体或热污染,易于适应环境。因此凡是不能铺设电缆的地方都可采用光电池,尤其适于为宇宙飞行器的各种仪表提供电源。

  下表为国产硅光电池的特性参数。由下表可见,硅光电池的最大开路电压为600mV;在辐照度相等的情况下,光敏面积越大,输出的光电流也越大。


  表 硅光电池2CR型特性参数

  硒光电池是在铝片上涂硒,再用濺射的方法,在硒层上形成一层半透明的氧化镉。在正反两面喷上低溶合金作为电极,如下图所示。


硒光电伏特电池的构造和图示符号

        由于硒和氧化镉的逸出功不同,氧化镉中的电子向硒扩散,使得硒的表面带负电,氧化镉的表面因失去电子而带正电,从而在两者的交界面上出现一内电场。内电场的方向由氧化镉指向硒。当硒被光照后,原来被原子束缚的电子,吸收光子的能量后,离开原来的原子,变成自由电子。自由电子在内电场作用下,跑向氧化镉,经外电路形成光电流。所以光电池的特点是电路中不需要外接电源就能产生电流。

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