光电池是一种很重要的光电探测元件，它不需要外加电源而能直
接把光能转换成电能．光电池的种类很多，常见的有硒，锗，硅，砷
化镓等．其中最受重视的是硅光电池，因为它有一系列优点：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．同时，
硅光电池的光谱灵敏度与人眼的灵敏度较为接近，所以很多分析仪器
和测量仪器常用到它．本实验仅对硅光电池的基本特性和简单应用作
初步的了解和研究．
1、硅光电池的基本结构
目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太阳电池等领域
得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深刻
理解硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN
结原理﹑光电效应理论和光伏电池产生机理。
零偏 反偏 正偏
图 2-1. 半导体PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区
图2-1是半导体PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区，当P 型
和N 型半导体材料结合时，由于P 型材料空穴多电子少，而N 型材料
电子多空穴少，结果P 型材料中的空穴向N 型材料这边扩散，N 型材
料中的电子向P 型材料这边扩散，扩散的结果使得结合区两侧的P 型
区出现负电荷，N 型区带正电荷，形成一个势垒，由此而产生的内电
场将阻止扩散运动的继续进行，当两者达到平衡时，在PN 结两侧形
成一个耗尽区，耗尽区的特点是无自由载流子，呈现高阻抗。当PN
结反偏时，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，
使势垒加强；当PN 结正偏时，外加电场与内电场方向相反，耗尽区
在外电场作用下变窄，势垒削弱，使载流子扩散运动继续形成电流，
此即为PN 结的单向导电性, 电流方向是从P 指向N 。
2．硅光电池的工作原理
光电转换器件主要是利用物质的光电效应，即当物质在一定频率
的照射下，释放出光电子的现象。当光照射、金属氧化物或半导体材
料的表面时，会被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够大，
吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而溢出材料表面，这种电子称为
光电子，这种现象称为光电子发射，又称为外光电效应。有些物质受
到光照射时，其内部原子释放电子，但电子仍留在物体内部，使物体
的导电性增强，这种现象称为内光电效应。
光电二极管是典型的光电效应探测器，具有量子噪声低、响应快、
使用方便等优点，广泛用于激光探测器。外加反偏电压与结内电场方向
一致，当PN 结及其附近被光照射时，就会产生载流子（即电子-空穴对）。
结区内的电子-空穴对在势垒区电场的作用下，电子被拉向N 区，空穴
被拉向P 区而形成光电流。同时势垒区一侧一个扩展长度内的光生载流
子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场的作用下也参与导电。当入射光
强度变化时，光生载流子的浓度及通过外回路的光电流也随之发生相应
的变化。这种变化在入射光强度很大的动态范围内仍能保持线性关系。
硅光电池是一个大面积的光电二极管，它被设计用于把入射到它
表面的光能转化为电能，因此，可用作光电探测器和光电池，被广泛
用于太空和野外便携式仪器等的能源。
光电池的基本结构如图1.1所示，当半导体PN 结处于零偏或负偏
时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场。
当没有光照射时，光电二极管相当于普通的二极管。其伏安特性
是
⎡⎤⎛eV ⎫I =I s (e kT -1) =I s ⎢exp ⎪-1⎥⎝kT ⎭⎣⎦eV
（1-3）
式(1-3)中I 为流过二极管的总电流,I s
为反向饱和电流，e 为电子电荷，k 为玻耳
兹曼常量，T 为工作绝对温度，V 为加在二
极管两端的电压。对于外加正向电压，I
随V 指数增长，称为正向电流；当外加电压反向时，在反向击穿电压
之内，反向饱和电流基本上是个常数。
当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带，
激发出的电子空穴对在内电场作用下分
别飘移到N 型区和P 型区，当在PN 结两端加负载时就有一 图1.1
光电池结构示意图
光生电流流过负载。流过PN 结两端的电流可由式（1-4）确定：
I =I
⎡⎤⎛eV ⎫kT (e -1) +I =I exp -1（1-4） ⎪s p s ⎢⎥ +I p kT ⎝⎭⎣⎦eV 此式表示硅光电池的伏安特性。
式（1-4）中I 为流过硅光电池的总电流,I s 为反向饱和电流，V 为PN 结两端电压，T 为工作绝对温度，I p 为产生的反向光电流。从式中可以看到，当光电池处于零偏时，V=0，流过PN 结的电流I=Ip ；当光电池处于负偏时（在本实验中取V=-5V），流过PN 结的电流I=Ip +Is 。因此，当光电池用作光电转换器时，光电池必须处于零偏或负偏状态。
比较（1-3）式和（1-4）式可知，硅光电池的伏安特性曲线相当于把普通二极管的伏安特性曲线向下平移。
光电池处于零偏或负偏状态时，产生的光电流I p 与输入光功率P i 有以下关系：
I p =RP i （1-5）
式（1-5）中R 为响应率，R 值随入射光波长的不同而变化，对不同材料制作的光电池R 值分别在短波长和长波长处存在一截止波长，在长波长处要求入射光子的能量大于材料的能级间隙E g ，以保证处于介带中的束缚电子得到足够的能量被激发到导带，对于硅光电池其长波截止波长为λc =1.1μm，在短波长处也由于材料有较大吸收系数使R 值很小。
图1-2是光电池光电信号接收端的工作原理框图，光电池把接收到的光信号转变为与之成正比的电流信号，再经I/V转换模块把光电流信号转换成与之成正比的电压信号。比较光电池零偏和反偏时的信号，就可以测定光电池的饱和电流I s 。当发送的光信号被正弦信号调制时，则光电池输出电压信号中将包含正弦信号，据此可通过示波器测定光电池的频率响应特性。
（1） 硅光电池的短路电流与照度关系
当光照射硅光电池时，将产生一个由N 区流向P 区的光生电流I Ph ，同时由于PN 结二极管的特性，存在正向二极管管电流I D ．此电流方
向从P 区到N 区，与光生电流相反，因此实际获得电流I 为
（1）
式中V 为结电压，I 0为二极管反向饱和电流，I Ph 是与入射光的强度成正比的光生电流，其比例系数与负载电阻大小以及硅光电池的结构和材料特性有关．n 为理想系数是表示PN 结特性的参数，通常在1-2之间，q 为电子电荷，k B 为波尔茨曼常数，T 为绝对温度．在一定照度下，光电池被短路（负载电阻为零）则V = 0 由（1）式可得到短路电流
（2）
硅光电池短路电流与照度特性见图1．
SiO 2膜
电极
(a ) (b )
（2）硅光电池的开路电压与照度关系
当硅光电池的输出端开路时，I = 0， 由（1）与（2）式可得开路电压
（3） 硅光电池开路电压与照度特性见图1．
电极
(a)(b)
(3)负载特性(输出特性)
光电池作为电池使用如图2所示。在内电场作用下，入射光子由于内光电效应把处于介带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压，在光电池两端加一个负载就会有电流流过，当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。实验时可改变负载电阻RL 的值来测定硅光电池的负载特性。
图2 硅光电池负载特性的测定
在线性测量中，光电池通常以电流形式使用，故短路电流与光照度（光能量）呈线性关系，是光电池的重要光照特性。实际使用时都接有负载电阻RL ，输出电流I 随照度L （光通量）的增加而非线性缓慢地增加，并且随负载RL 的增大线性范围也越来越小。因此，在要求输出的电流与光照度呈线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在光照范围内使用。光电池光照与负载特性曲线如图3所示。
图3 硅光电池光照与负载特性曲线
(4)伏安特性
如图2-6，在硅光电池输入光强度不变时，测量当负载一定的范围内变化时，光电池的输出电压及电流随负载电阻变化关系曲线称为硅光电池的伏安特性。
图4 硅光电池的伏安特性测试
五、注意事项
1、当电压表和电流表显示为“1＿”是说明超过量程，应更换为合适量程；
2、连线之前保证电源关闭。
3、实验过程中，请勿同时拨开两种或两种以上的光源开关，这样会造成实验所测试的数据不准确。
光电池是一种很重要的光电探测元件，它不需要外加电源而能直
接把光能转换成电能．光电池的种类很多，常见的有硒，锗，硅，砷
化镓等．其中最受重视的是硅光电池，因为它有一系列优点：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．同时，
硅光电池的光谱灵敏度与人眼的灵敏度较为接近，所以很多分析仪器
和测量仪器常用到它．本实验仅对硅光电池的基本特性和简单应用作
初步的了解和研究．
1、硅光电池的基本结构
目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太阳电池等领域
得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深刻
理解硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN
结原理﹑光电效应理论和光伏电池产生机理。
零偏 反偏 正偏
图 2-1. 半导体PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区
图2-1是半导体PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区，当P 型
和N 型半导体材料结合时，由于P 型材料空穴多电子少，而N 型材料
电子多空穴少，结果P 型材料中的空穴向N 型材料这边扩散，N 型材
料中的电子向P 型材料这边扩散，扩散的结果使得结合区两侧的P 型
区出现负电荷，N 型区带正电荷，形成一个势垒，由此而产生的内电
场将阻止扩散运动的继续进行，当两者达到平衡时，在PN 结两侧形
成一个耗尽区，耗尽区的特点是无自由载流子，呈现高阻抗。当PN
结反偏时，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，
使势垒加强；当PN 结正偏时，外加电场与内电场方向相反，耗尽区
在外电场作用下变窄，势垒削弱，使载流子扩散运动继续形成电流，
此即为PN 结的单向导电性, 电流方向是从P 指向N 。
2．硅光电池的工作原理
光电转换器件主要是利用物质的光电效应，即当物质在一定频率
的照射下，释放出光电子的现象。当光照射、金属氧化物或半导体材
料的表面时，会被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够大，
吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而溢出材料表面，这种电子称为
光电子，这种现象称为光电子发射，又称为外光电效应。有些物质受
到光照射时，其内部原子释放电子，但电子仍留在物体内部，使物体
的导电性增强，这种现象称为内光电效应。
光电二极管是典型的光电效应探测器，具有量子噪声低、响应快、
使用方便等优点，广泛用于激光探测器。外加反偏电压与结内电场方向
一致，当PN 结及其附近被光照射时，就会产生载流子（即电子-空穴对）。
结区内的电子-空穴对在势垒区电场的作用下，电子被拉向N 区，空穴
被拉向P 区而形成光电流。同时势垒区一侧一个扩展长度内的光生载流
子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场的作用下也参与导电。当入射光
强度变化时，光生载流子的浓度及通过外回路的光电流也随之发生相应
的变化。这种变化在入射光强度很大的动态范围内仍能保持线性关系。
硅光电池是一个大面积的光电二极管，它被设计用于把入射到它
表面的光能转化为电能，因此，可用作光电探测器和光电池，被广泛
用于太空和野外便携式仪器等的能源。
光电池的基本结构如图1.1所示，当半导体PN 结处于零偏或负偏
时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场。
当没有光照射时，光电二极管相当于普通的二极管。其伏安特性
是
⎡⎤⎛eV ⎫I =I s (e kT -1) =I s ⎢exp ⎪-1⎥⎝kT ⎭⎣⎦eV
（1-3）
式(1-3)中I 为流过二极管的总电流,I s
为反向饱和电流，e 为电子电荷，k 为玻耳
兹曼常量，T 为工作绝对温度，V 为加在二
极管两端的电压。对于外加正向电压，I
随V 指数增长，称为正向电流；当外加电压反向时，在反向击穿电压
之内，反向饱和电流基本上是个常数。
当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带，
激发出的电子空穴对在内电场作用下分
别飘移到N 型区和P 型区，当在PN 结两端加负载时就有一 图1.1
光电池结构示意图
光生电流流过负载。流过PN 结两端的电流可由式（1-4）确定：
I =I
⎡⎤⎛eV ⎫kT (e -1) +I =I exp -1（1-4） ⎪s p s ⎢⎥ +I p kT ⎝⎭⎣⎦eV 此式表示硅光电池的伏安特性。
式（1-4）中I 为流过硅光电池的总电流,I s 为反向饱和电流，V 为PN 结两端电压，T 为工作绝对温度，I p 为产生的反向光电流。从式中可以看到，当光电池处于零偏时，V=0，流过PN 结的电流I=Ip ；当光电池处于负偏时（在本实验中取V=-5V），流过PN 结的电流I=Ip +Is 。因此，当光电池用作光电转换器时，光电池必须处于零偏或负偏状态。
比较（1-3）式和（1-4）式可知，硅光电池的伏安特性曲线相当于把普通二极管的伏安特性曲线向下平移。
光电池处于零偏或负偏状态时，产生的光电流I p 与输入光功率P i 有以下关系：
I p =RP i （1-5）
式（1-5）中R 为响应率，R 值随入射光波长的不同而变化，对不同材料制作的光电池R 值分别在短波长和长波长处存在一截止波长，在长波长处要求入射光子的能量大于材料的能级间隙E g ，以保证处于介带中的束缚电子得到足够的能量被激发到导带，对于硅光电池其长波截止波长为λc =1.1μm，在短波长处也由于材料有较大吸收系数使R 值很小。
图1-2是光电池光电信号接收端的工作原理框图，光电池把接收到的光信号转变为与之成正比的电流信号，再经I/V转换模块把光电流信号转换成与之成正比的电压信号。比较光电池零偏和反偏时的信号，就可以测定光电池的饱和电流I s 。当发送的光信号被正弦信号调制时，则光电池输出电压信号中将包含正弦信号，据此可通过示波器测定光电池的频率响应特性。
（1） 硅光电池的短路电流与照度关系
当光照射硅光电池时，将产生一个由N 区流向P 区的光生电流I Ph ，同时由于PN 结二极管的特性，存在正向二极管管电流I D ．此电流方
向从P 区到N 区，与光生电流相反，因此实际获得电流I 为
（1）
式中V 为结电压，I 0为二极管反向饱和电流，I Ph 是与入射光的强度成正比的光生电流，其比例系数与负载电阻大小以及硅光电池的结构和材料特性有关．n 为理想系数是表示PN 结特性的参数，通常在1-2之间，q 为电子电荷，k B 为波尔茨曼常数，T 为绝对温度．在一定照度下，光电池被短路（负载电阻为零）则V = 0 由（1）式可得到短路电流
（2）
硅光电池短路电流与照度特性见图1．
SiO 2膜
电极
(a ) (b )
（2）硅光电池的开路电压与照度关系
当硅光电池的输出端开路时，I = 0， 由（1）与（2）式可得开路电压
（3） 硅光电池开路电压与照度特性见图1．
电极
(a)(b)
(3)负载特性(输出特性)
光电池作为电池使用如图2所示。在内电场作用下，入射光子由于内光电效应把处于介带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压，在光电池两端加一个负载就会有电流流过，当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。实验时可改变负载电阻RL 的值来测定硅光电池的负载特性。
图2 硅光电池负载特性的测定
在线性测量中，光电池通常以电流形式使用，故短路电流与光照度（光能量）呈线性关系，是光电池的重要光照特性。实际使用时都接有负载电阻RL ，输出电流I 随照度L （光通量）的增加而非线性缓慢地增加，并且随负载RL 的增大线性范围也越来越小。因此，在要求输出的电流与光照度呈线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在光照范围内使用。光电池光照与负载特性曲线如图3所示。
图3 硅光电池光照与负载特性曲线
(4)伏安特性
如图2-6，在硅光电池输入光强度不变时，测量当负载一定的范围内变化时，光电池的输出电压及电流随负载电阻变化关系曲线称为硅光电池的伏安特性。
图4 硅光电池的伏安特性测试
五、注意事项
1、当电压表和电流表显示为“1＿”是说明超过量程，应更换为合适量程；
2、连线之前保证电源关闭。
3、实验过程中，请勿同时拨开两种或两种以上的光源开关，这样会造成实验所测试的数据不准确。