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硅光电池特性的研究 光电池是一种光电转换元件，它不需外加电源而能直接把光能转换为电能。光电池的种类很多，常见的有硒、锗、硅、砷化镓、氧化铜等。其中应用最广的是硅光电池。硅光电池是根据光生伏特效应而制成的光电转换元件，它的用途主要有两个方面：一是作为光辐射探测器件，在气象、农业、林业等部门探测太阳光的辐射，或在工程技术、科学研究等领域，用于各种光电自动控制和测量装置；二是作为太阳能电源装置，可为某些仪器、仪表和设备提供轻便的电源，特别是为人造地球卫星提供无可替代的节能电源。硅光电池有一系列的优点：性能稳定，光谱响应范围宽，转换效率高，线性响应好，耐高温辐射，使用寿命长；硅光电池的光谱灵敏度与人眼的灵敏度较为接近，很多分析仪器和测量仪器常用到它。人类生活的衣、食、住、行都离不开能源，开发新能源的光伏技术已成为国际上热门课题。本实验对硅光电池的基本特性和简单应用作了初步的探讨，这对于了解和使用日益广泛的各种光电器件，具有十分重要的意义。 【实验目的】 1.掌握PN结形成原理及其工作机理。 2.了解LED发光二极管的驱动电流和输出光功率的关系。 3.掌握硅光电池的工作原理及其工作特性。 【实验原理】 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。 1．PN结的形成及单向导电性 如果采用某种工艺，使一块硅片的一边成为P型半导体，另一边为N型半导体，由于P区有大量空穴（浓度大），而N区的空穴极少（浓度小），因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散，并与N区的电子复合，在交界面附近的空穴扩散到N区，在交界面附近一侧的P区留下一些带负电的三价杂质离子，形成负空间电荷区。同样，N区的自由电子也要向P区扩散，并与P区的空穴复合，在交界面附近一侧的N区留下一些带正电的五价杂质离子，形成正空间电荷区。这些离子是不能移动的，因而在P型半导体和N型半导体交界面两侧形成一层很薄的空间电荷区，也称为耗尽层，这个空间电荷区就是PN结。 正负空间电荷在交界面两侧形成一个电场，称为内电场，其方向从带正电的N区指向带负电的P区，如图5.8-1所示。空间电荷区的内电场一个方面对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，另一方面对少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）起推动作用，使它们越过空间电荷区进入对方区域。少数载流子在内电场作用下的定向运动称为漂移运动。在一定条件下，载流子的扩散运动和漂移运动达到动态平衡。达到平衡后，空间电荷区的宽度基本上稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。 若在PN结上加正向电压，即外电源的正极接P区，负极接N区，也称为正向偏置。此时外加电压在PN结中产生的外电场和内电场方向相反，内电场被削弱，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流（正向电流），PN结处于导通状态。在一定范围内，外电场愈强，正向电流（由P区流向N区的电流）愈大。正向偏置时，PN结呈现的电阻很低，一般为几欧到几百欧。 若在PN结上加反向电压，即外电源的正极接N区，负极接P区，也称为反向偏置。此时外加电压在PN结中产生的外电场和内电场方向一致，也破坏了扩散和漂移运动的平衡。外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移动，使得空间电荷增强，空间电荷区变宽，内电场增强，使多数载流子的扩散运动很难进行。但另一方面，内电场的增强也加强了少数载流子的漂移运动。由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，即PN结呈现的反向电阻很高，可以认为PN结基本上不导电，处于截至状态。反向电阻一般为几千欧到十几兆欧。由于少数载流子是由于价电子获得热能（热激发）挣脱共价键的束缚而产生的。环境温度愈高，少数载流子的数量愈多，所以温度对反向电流的影响较大。 由以上分析可知，PN结具有单向导电性。在PN结上加正向电压时，PN结电阻很低，正向电流较大，PN结处于正向导通状态；加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小，PN结处于截至状态。 图5.8-1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，耗尽区在外加电场作用下变窄，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。硅光电池是属于一种有PN结的单结光电池．