光电池的工作原理及特性

1.光电池结构原理

光电池是有源器件，这种器件受到光照时就产生一定方向的电动势，不需要外部电源供电。光电池的种类很多，有硒光电池、氧化亚铜光电池、硫化铊电池、硫化镉光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓光电池等。用可见光作为光源的光电池的常用半导体材料有硒和硅等。

图11-12所示的是硅光电池的结构原理、外形及电路符号。它是用单晶硅制成的，在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型杂质而形成一个大面积的PN结，P层很薄，从而使光能穿透到PN结上。由于光线的照射，使P区带正电荷，N区带负电荷，从而在两区之间形成电位差，即构成光电池，若接于外电路中就可产生电流。

2.光电池的特性

A.光电池的光谱特性：硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线如图11-13所示。从图示曲线可以看出，不同的光电池其光谱峰值的位置不同。硅光电池的在800nm附近，硒光电池的在540nm附近。硅光电池的光谱范围很广，在450~1100nm之间，硒光电池的光谱范围为340~750nm。因此，硒光电池适用于可见光，常用于照度计测定光的强度。

B.光电池的光照特性：光电池在不同的光照强度照射下可以产生不同的光电流和光生电动势。硅光电池的光照特性曲线如图11-14所示。从该曲线可看出，短路电流在很大范围内与光照成线性关系。开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx时就趋于饱和。因此，把光电池作为测量元件时，应把它当做电流源来使用，不宜用作电压源。

所谓光电池的短路电流，就是反应负载电阻相对于光电池内阻很小时的光电流。而光电池的内阻是随着照度增加而减小的，所以在不同照度下可用大小不同的负载电阻为近似“短路”条件。从实验中知道，负载电阻越小，光电流与照度之间的线性关系越好，且线性范围越宽，对不同的负载电阻，可以在不同的照度范围内，使光电流与光强保持线性关系。所以，应用光电池做测量元件时，所用负载电阻的大小，应根据光强的具体情况而定。总之，负载电阻越小越好。

3.光电池的频率特性：光电池作为测量、计数、接收元件时，常用交变光照。光电池的频率特性就是反应光的交变频率和光电池输出电流的关系，如图11-15所示。从该曲线可以看出，硅光电池有很高的频率响应，可以用在高速计数、有声电影等方面。这是硅光电池在所有光电元件中最为突出的优点。

4.光电池的温度特性：光电池的温度特性主要描述光电池的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设备的温度飘逸，影响到测量精度或控制精度等主要指标，因此是光电池的重要特征之一。光电池的温度特性曲线如图11-16所示。从该曲线可以看出，开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓慢增加。因此，当使用光电池作为测量元件时，在系统设计中应考虑到温度的漂移，并采取相应的措施进行补偿。