硅光电池脉动光信号的频率响应.doc

_BPW34型硅光电池脉动光信号的频率响应摘要：随着现代社会的发展，新新能源得到空前发展，光能作为其中一种最有前景的新能源得到广泛的应用，光电池就是大家现在所熟知的一种对光能的利用。为了研究光电池的特性，用等效电路可以模拟分析光电池在脉动光信号下的频率响应。本文介绍了光电池的工作原理，以及光电池的伏安特性。在Multisim平台上作出对光电池的等效电路，分析光电池在实际光照下的工作情况，导出了频率特性曲线。关键字：光电池，脉动光信号，频率响应 BPW34 type Solar cells Frequency Response under impulse light signal Abstract: With the development of modern society, the new energy like bamboo shoots after a spring rain. And light energy as one of the most promising new energy has been widely used., as every body knows , the Solar cells is one way to use the light energy. Application of equivalent circuit can simulate and analysis the Solar cells frequency what works under impulse light. The working principle had been introduced in this test, according to the working principle we can got that the Solar cells voltage-current characteristic. Drawing the equivalent circuit about Solar cells upon the Multisim 11.0, analysis how the Solar cells going in the actual situation, and find out the Amplitude-frequency Curve.Keywords: Solar cells, slow changing light signal, frequency response一、引言 随着社会的发展，地球上的传统能源正在日益变少，环境也被破坏、污染严重。人们渐渐将目光投向可再生的新新能源，如太阳能、潮汐能、风能等，这些能源有着很好的发展前景。其中，受关注最高的是太阳能，因为太阳能除了新新能源共有的优点外，还有应用范围广，不受空间约束等其他能源不具有的优点。光能产品很多，其中应用最为广泛的是光电池。光电池是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件。光电池的种类很多，常用有硒光 电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。主要用于仪表，自动化遥测和遥控方面。有的光电池可以直接把太阳能转变为电能，这种光电池又叫太阳能电池。太阳能电池作为能源广泛应用在人造地卫星、灯塔、无人气象站等处。二、工作原理及等效电路在一块N形硅片表面，用扩散的方法掺入一些P型杂质，形成PN结，这就是一块硅光电池。当照射在PN上时，如光子能量hv大于硅的禁带宽度E时，则价带中的电子跃迁到导带，产生电子空穴对。因为PN结阻挡层的电场方向指向P区，所以，任阻挡层电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而在硅光电池与PN结平行的两外表而形成电势差，P区带正电，为光电池的正极，N区带负电，为光电池的负极。照在PN结上的光强增加，就有更多的空穴流向P区，更多的电子流向N区，从而硅光电池两外侧的电势差增加。如上所述，在光的作用下，产生一定方向一定大小的电动势的现象，叫作光生伏特效应光电池的工作原理正是基于“光生伏特效应”。光电池实质上是一个大面积的PN结。BPW34型硅光电池的结构如图1所示。它是在N型硅片上扩散硼形成P型层，并用电极引线把P型和N型层引出，形成正、负极。为防止表面反射光，提高转换效率，通常在器件受光面上进行氧化，形成SiO2保护膜。光电池的形状，更具需要可以制成方形、矩形、圆形、三角形和环形等。 图1 BPW34型硅光电池的结构示意 当光找到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子空穴对，在N区聚积负电荷，在P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差，即光生电动势。光电池工作原理图如图2所示。图2： 光电池的工作原理光电池的伏安特性曲线如图3所示，由图3可知，在“暗”的时候，它是一条典型的二极管曲线。当有光时，在不同的光照下伏安特性曲线显然是由典型的二极管曲线沿负电流轴移动而形成的。曲线在第四象限的这部分说明了硅光电池已成为一个功率发生器，在不同的光照度次啊可以得出不同的伏安特性曲线。P=0P1P2P3光功率增大ui 图3： 光电池的伏安特性光电池的特性受很多因素的影响，下面是它的几个重要特性1、光谱特性：光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池波长在0.8m附近，硒光电池在0.5m附近。硅光电池的光谱响应波长范围为0.41.2m，而硒光电池只能为0.380.75m。可见，硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。2、光照特性：光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系，开路电压（即负载电阻RL无限大时）与光照度的关系是非线性的，并且当照度在2000lx时就趋于饱和了。因此用光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。3、温度特性：光电池的温度特性是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的仪器或设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标，因此温度特性是光电池的重要特性之一。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。由于温度对光电池的工作有很大影响，因此把它作为测量元件使用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。4、频率特性：光电池的频率特性是指输出电流和入射光调制频率的关系。当入射光照度变化时，由于光生电子空穴对的产生和复合都需要一定时间，因此入射光。调制频率太高时，光电池输出电流的变化幅度将下降。硅光电池的频率特性较好，工作频率的上限约为数万赫兹，而硒光电池的频率特性较差。在调制频率较高的场合，应采用硅光电池，并选择面积较小的硅光电池和较小的负载电阻，进一步减小响应时间，改善频率特性。本文主要研究的是它的频率特性。负载i1图4：光电池的等效电路i2C1一般产品的手册中只给出光电池在特定光照度下的开路电压值。而在实际应用时，需要知道实际使用照度下的开路电压值。硅光电池的等效电路图如图4 所示，根据等效电路图，可以讨论在实际光照下的光电池的开路电压。其中i1为光电流，i2为二极管电流，C1为结电容。光电池中还受到PN结漏电流和泄露电阻影响，但是漏电流很小，泄露电阻很大，可以看似为开路，所以在等效电路中将它们等效进去。由于要研究光电池在脉动光信号的频率响应，所以光电流不可能是一个恒流源，应该是一个变化的电流源，为了模拟这个量，可以用一个受控电流源，这样可以将光信号这个因素添加到里面。由图4可以很容易求得，光电池的短路电流 (1)这表明光电池的短路电流与光功率成正比。光电池的开路电压 (2)当实际照射功率为时，光电流变为，对应的开路电压为 （3）由于，则公式（2）（3）里的1可以忽略不计，联立两式可得 (4)式中，P为手册中给定的光功率，在室温（300K）下，于是 （v） （5） 三、工作电路四、仿真结果 Multisim仿真结果图五、结论脉动光信号探测光电池用以探测脉动光信号的变换电路及伏安工作特性如图3。为了方便分析，令入射光功率为正弦脉动形式，即P=P0+Pmsin(wt);在这种情况下，光信号功率以P0为平均值在最大值P0+Pm和最小值P0-Pm之间。套用慢变化光信号探测器的分析结果，有以下结论。（1）光电池工作在光电压区域。为了得到搞的输出电压，要求满足条件RlRbRlm式中，Rlm为光电池在入射光功率峰值（P0+Pm）下的最佳负载电阻，R0为直流负载（对应为P0）,Rl为工作负载电阻，即后级放大器等效输出阻抗。一般说，采用这种工作方式，频率特性不好。（2）光电池工作在光电流区域。这时要求RbRlm工作情况同样存在电输出和电流输出问题。在电流输出状态，要求只RlRb.显然频率特性变坏。下面利用光电池的伏安交，直流负载线方法，分析光电池输出参数的计算公式。在脉动光信号情况下，直流负载线是通过原点，斜率为tan=1/Rb=Gb的直线，如图所示，Q为静态或工作直流工作点。光电池的交流负载为Rb和Rl并联的等效电阻，因此交流负载是通过Q断背，tan=1/Rl+1/Rb的直线。器件资料BPW34 是一种高速、高灵敏度的PIN 光电二极管在微型塑料包装单位。它的最高查看结构使得它作为一种理想的低成本替代，由于其waterclear 环氧树脂装置是灵敏的可见光和红外辐射。大有效面积具有一个平面相结合提供了一个高灵敏在宽视角。特点（1）大辐射敏感区（A=7.5 平方毫米）（2）广角半灵敏度 = 65 度（3）高光敏感性（4）响应时间短，能快速响应（5）小结电容（6）适用于可见光和近红外辐射参考文献1 安毓英、曾晓东、冯喆珺，光电探测