07光敏功能材料及傳感器

1、光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 光敏材料能夠?qū)⒎请娏康墓庑盘栟D(zhuǎn)換成可檢測的電光敏材料能夠?qū)⒎请娏康墓庑盘栟D(zhuǎn)換成可檢測的電 量，利用具有這種特性的材料制成的傳感器。量，利用具有這種特性的材料制成的傳感器。 由光引起的電效應(yīng)由光引起的電效應(yīng) 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 光照作用下使電子逸出物體表面的現(xiàn)象光照作用下使電子逸出物體表面的現(xiàn)象 如：光電管、光電倍增器等如：光電管、光電倍增器等 光的作用僅使物體的光的作用僅使物體的電阻率改變電阻率改變的現(xiàn)象的現(xiàn)象 如：光敏電阻如：光敏電阻 光照作用下使物體產(chǎn)生一定的電勢光照作用下使物體產(chǎn)生一定的電勢 如：

2、光敏二極管、光敏三極管、光電池、如：光敏二極管、光敏三極管、光電池、 光敏晶體管等光敏晶體管等 光敏功能材料及傳感器 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生 電動勢的原理制成的光電器件稱內(nèi)光電效應(yīng)器件，電動勢的原理制成的光電器件稱內(nèi)光電效應(yīng)器件， 常見的有常見的有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。 一一 、內(nèi)光電效應(yīng)器件、內(nèi)光電效應(yīng)器件 （一）光敏電阻（一）光敏電阻( (光導(dǎo)管光導(dǎo)管) ) 純電阻元件，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值純電阻元件，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值 隨

3、光照增強而減小。隨光照增強而減小。 優(yōu)點：靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量輕、機械優(yōu)點：靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量輕、機械 強度高，耐沖擊、耐振動、抗過載能力強和壽命長等。強度高，耐沖擊、耐振動、抗過載能力強和壽命長等。 不足：不足：需要外部電源，有電流時會發(fā)熱。需要外部電源，有電流時會發(fā)熱。 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 4 1 1、光敏電阻的結(jié)構(gòu)、光敏電阻的結(jié)構(gòu) A 金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu)圖金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu)圖 光導(dǎo)電材料 絕緣襯底 引線 電極 引線 光電導(dǎo)體 為了獲得高的靈敏度，為了獲得高的靈敏度， 光敏電阻的光敏電阻的電極一般采用梳電極一般

4、采用梳 狀圖案狀圖案，結(jié)構(gòu)見下圖。，結(jié)構(gòu)見下圖。 光敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖所示。管芯是一塊安裝在絕緣襯底上光敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖所示。管芯是一塊安裝在絕緣襯底上 帶有帶有兩個歐姆接觸電極兩個歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體。的光電導(dǎo)體。 光導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的表面薄光導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的表面薄 層，雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴(kuò)散到內(nèi)部去，但擴(kuò)散深度有層，雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴(kuò)散到內(nèi)部去，但擴(kuò)散深度有 限，因此光電導(dǎo)體一般都做成薄層。限，因此光電導(dǎo)體一般都做成薄層。 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 1-光導(dǎo)層光導(dǎo)層; 2-玻璃窗口玻璃窗口; 3-金屬外殼金屬外

5、殼; 4-電極電極; 5-陶瓷基座陶瓷基座; 6-黑色絕緣玻璃黑色絕緣玻璃; 7-電阻引線。電阻引線。 (b)電極 RG (c)符號 u 光敏電阻的制作方式光敏電阻的制作方式 CdS光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號（硫化鎘）光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號（硫化鎘） 123 4 5 6 7 (a)結(jié)構(gòu) 是在一定的掩模下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金（是在一定的掩模下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金（Au）或銦）或銦 （In）等金屬形成的。這種梳狀電極，由于在間距很近的）等金屬形成的。這種梳狀電極，由于在間距很近的 電極之間有可能采用大的靈敏面積，所以提高了光敏電阻的電極之間有可能采用大的靈敏面積，所以提高了光敏電阻的 靈敏度。圖（靈敏度。

6、圖（c）是光敏電阻的代表符號。）是光敏電阻的代表符號。 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響，因此要將光光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響，因此要將光 電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在玻璃殼體中。如果把光敏電阻連接電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在玻璃殼體中。如果把光敏電阻連接 到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改 變電路中電流的大小，其連線電路如圖所示。變電路中電流的大小，其連線電路如圖所示。 RG RL E I 光敏電阻具有光敏電阻具有很高的靈敏度，很好的光譜特性，很高的靈敏度，很好的光譜特性， 光譜響應(yīng)可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內(nèi)。而且體

7、積小、光譜響應(yīng)可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內(nèi)。而且體積小、 重量輕、性能穩(wěn)定、價格便宜重量輕、性能穩(wěn)定、價格便宜，因此應(yīng)用比較廣泛。，因此應(yīng)用比較廣泛。 u 光敏電阻的制作方式光敏電阻的制作方式 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 2 2、光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性、光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性 （1 1）暗電流、亮電流、光電流）暗電流、亮電流、光電流 暗電流暗電流(Id)：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照 射）后經(jīng)過一定時間測量的電阻值，稱為射）后經(jīng)過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻暗電阻。此。此 時在給定電壓下流過的電流稱為時在給定電壓下流過的電流稱為

8、暗電流暗電流。 亮電流：亮電流：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下 的的亮電阻亮電阻。此時在給定電壓下流過的電流稱為。此時在給定電壓下流過的電流稱為亮電流亮電流。 光電流光電流(IL) ：亮電流與暗電流之差。亮電流與暗電流之差。 光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小, ,則性能越好。也就則性能越好。也就 是說，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越是說，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越 高。高。 實用的光敏電阻的暗電阻往往超過實用的光敏電阻的暗電阻往往超過1M,1M,甚至高達(dá)甚至高達(dá)100M

9、100M， 而亮電阻則在幾而亮電阻則在幾k k以下，暗電阻與亮電阻之比在以下，暗電阻與亮電阻之比在10102 210106 6之間，之間， 可見光敏電阻的靈敏度很高?？梢姽饷綦娮璧撵`敏度很高。 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 8 （2 2）光照特性）光照特性 下圖表示下圖表示CdSCdS光敏電阻的光照特性。在一定外加電壓下，光光敏電阻的光照特性。在一定外加電壓下，光 敏電阻的光電流和光照度之間的關(guān)系。不同類型光敏電阻光照敏電阻的光電流和光照度之間的關(guān)系。不同類型光敏電阻光照 特性不同特性不同. . 1000 0 1 2 3 4 5 I/mA E/lx 2000 但光照特性曲線均呈非線

10、性。因此它不宜作定量檢測元件，這是但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測元件，這是 光敏電阻的不足之處。一般在自動控制系統(tǒng)中用作光敏電阻的不足之處。一般在自動控制系統(tǒng)中用作光電開關(guān)光電開關(guān)。 Lx:照度的國際單照度的國際單 位（位（SI），又稱），又稱 米燭光。米燭光。1流明的流明的 光通量均勻分布光通量均勻分布 在在1平方米面積上平方米面積上 的照度，就是一的照度，就是一 勒克斯?？梢詷?biāo)勒克斯。可以標(biāo) 作勒克斯，作勒克斯， 簡稱勒。英為簡稱勒。英為lux， 簡作簡作lx 。 2 2、光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性、光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器

11、光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。從圖中可知，硫化光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。從圖中可知，硫化 鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值 在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。因此，在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。因此， 在選用光敏電阻時，應(yīng)把光敏電阻的材料和光源的種類結(jié)在選用光敏電阻時，應(yīng)把光敏電阻的材料和光源的種類結(jié) 合起來考慮，才能獲得滿意的效果。合起來考慮，才能獲得滿意的效果。 20 40 60 80 100 0.40.81.21.622.4 /m 312相 對 靈 敏 度 1硫化鎘硫化鎘 2硒化鎘硒化鎘

12、3硫化鉛硫化鉛 （3 3）光譜特性）光譜特性 2 2、光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性、光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān) 系稱為伏安特性。圖中曲線系稱為伏安特性。圖中曲線1、2分別表示照度為分別表示照度為零零及照度為及照度為某某 值值時的伏安特性。由曲線可知，在給定偏壓下時的伏安特性。由曲線可知，在給定偏壓下,光照度較大，光照度較大， 光電流也越大。在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流光電流也越大。在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流 越大，而且無飽和

13、現(xiàn)象。越大，而且無飽和現(xiàn)象。 但是電壓不能無限地增大，但是電壓不能無限地增大， 因為任何光敏電阻都受額定因為任何光敏電阻都受額定 功率、最高工作電壓和額定功率、最高工作電壓和額定 電流的限制。超過最高工作電流的限制。超過最高工作 電壓和最大額定電流，可能電壓和最大額定電流，可能 導(dǎo)致光敏電阻永久性損壞。導(dǎo)致光敏電阻永久性損壞。 50 100 150 200 1 2 U/V 0 2040 I/ A （4 4） 伏安特性伏安特性 2 2、光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性、光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 當(dāng)光敏電阻受到當(dāng)光敏電阻受到脈沖光脈沖光照射時，光電流要經(jīng)過

14、一段時間照射時，光電流要經(jīng)過一段時間 才能達(dá)到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，才能達(dá)到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零， 這就是光敏電阻的時延特性。由于不同材料的光敏電阻時延這就是光敏電阻的時延特性。由于不同材料的光敏電阻時延 特性不同，所以它們的頻率特性也不同。特性不同，所以它們的頻率特性也不同。 如圖。硫化鉛的使用頻率比硫如圖。硫化鉛的使用頻率比硫 化鎘高得多，但多數(shù)光敏電阻化鎘高得多，但多數(shù)光敏電阻 的時延的時延（時間常數(shù)）（時間常數(shù)）都比較大，都比較大， 所以，它不能用在要求快速響所以，它不能用在要求快速響 應(yīng)的場合。應(yīng)的場合。 20 40 60 80 100 I

15、 / % f / Hz 0 10102103104 硫化鉛 硫化鎘 （5 5）頻率特性）頻率特性 2 2、光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性、光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 光電二極管光電二極管基本結(jié)構(gòu)是一個基本結(jié)構(gòu)是一個PN結(jié)。結(jié)。它的結(jié)面積它的結(jié)面積 小，因此它的頻率特性特別好。小，因此它的頻率特性特別好。輸出電流小，一般輸出電流小，一般 為幾為幾A到幾十到幾十A。按材料分，光電二極管有硅、砷按材料分，光電二極管有硅、砷 化鎵、銻化銦光電二極管等許多種?；?、銻化銦光電二極管等許多種。 國產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)電類型不同國產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)

16、電類型不同 ，分為，分為2CU和和2DU兩種系列。兩種系列。2CU系列以系列以N-Si為襯底為襯底 ，2DU系列以系列以P-Si為襯底。為襯底。2CU系列的光電二極管只系列的光電二極管只 有兩條引線，而有兩條引線，而2DU系列光電二極管有三條引線。系列光電二極管有三條引線。 (二）光敏二極管和光敏三極管 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極 管相似、它裝在透明玻璃外殼中，管相似、它裝在透明玻璃外殼中， 其其PNPN結(jié)裝在管頂，可直接受到光照結(jié)裝在管頂，可直接受到光照 射。射。 光敏二極管在電路中一般是處光敏二極管在電路中一般是處 于于反

17、向工作狀態(tài)反向工作狀態(tài)，如圖所示。，如圖所示。 光敏二極管符號光敏二極管符號 PN 光 RL 光 PN 光敏二極管接線光敏二極管接線 1、光敏二極管、光敏二極管 CL-5M3B 5mm Phototransistor 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 14 光敏二極管的光電流光敏二極管的光電流 I 與照度之間呈線性關(guān)系。光敏二極與照度之間呈線性關(guān)系。光敏二極 管的光照特性是線性的，所以管的光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的適合檢測等方面的應(yīng)用。應(yīng)用。 光敏二極管在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電光敏二極管在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電 流很小。光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，這時只

18、有少數(shù)載流子流很小。光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，這時只有少數(shù)載流子 在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流。在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流。 暗電流；暗電流； 當(dāng)光照射時，光敏二極管導(dǎo)通。受光照射時，當(dāng)光照射時，光敏二極管導(dǎo)通。受光照射時，PN結(jié)附結(jié)附 近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對，從而使空穴對，從而使P 區(qū)和區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓 和內(nèi)電場的作用下，和內(nèi)電場的作用下， P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入?yún)^(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入N區(qū)，區(qū)， N區(qū)的少

19、數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入?yún)^(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入P區(qū)，從而使通過區(qū)，從而使通過PN結(jié)的結(jié)的 反向電流大為增加，形成了光電流。反向電流大為增加，形成了光電流。 光電流：光電流： 1、光敏二極管、光敏二極管 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 （1 1） PINPIN管結(jié)光電二極管管結(jié)光電二極管 P-Si N-Si I-Si PIN管結(jié)構(gòu)示意圖 PIN PIN管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點是，在管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點是，在P P型型 半導(dǎo)體和半導(dǎo)體和N N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導(dǎo)型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導(dǎo) 體。這樣，體。這樣，PNPN結(jié)

20、的內(nèi)電場就基本上全集中于結(jié)的內(nèi)電場就基本上全集中于 I I 層中，從而層中，從而 使使PNPN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小, ,頻帶將變寬。頻帶將變寬。 1、光敏二極管、光敏二極管 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 最大特點：頻帶寬，可達(dá)最大特點：頻帶寬，可達(dá)10GHz10GHz。 特點：特點： 另一個特點是，因為另一個特點是，因為I I層很厚，在反偏壓下運用層很厚，在反偏壓下運用, ,可承受較可承受較 高的反向電壓高的反向電壓，線性輸出范圍寬。由耗盡層寬度與外加電壓，線性輸出范圍寬。由耗盡層寬度與外加電壓 的關(guān)系可知，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，從

21、而結(jié)電的關(guān)系可知，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，從而結(jié)電 容要進(jìn)一步減小，使頻帶寬度變寬。容要進(jìn)一步減小，使頻帶寬度變寬。 I I層電阻很大，管子的層電阻很大，管子的輸出電流小輸出電流小，一般多為零點幾微安，一般多為零點幾微安 至數(shù)微安。目前有將至數(shù)微安。目前有將PINPIN管與前置運算放大器集成在同一硅片管與前置運算放大器集成在同一硅片 上并封裝于一個管殼內(nèi)的商品出售。上并封裝于一個管殼內(nèi)的商品出售。 不足：不足： 1、光敏二極管、光敏二極管 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 雪崩光電二極管是利用雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪

22、崩效應(yīng)來工作的 一種二極管。一種二極管。 這種管子這種管子工作電壓很高工作電壓很高，約，約100200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi) 電場極強，電場極強，光生電子在這種強電場中可得到極大的加速光生電子在這種強電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞，同時與晶格碰撞 而產(chǎn)生而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)電離雪崩反應(yīng)。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百。 當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時，當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達(dá)電流增益可達(dá)106，即產(chǎn)生所謂的雪崩。這種，即產(chǎn)生所謂的雪崩。這種 管子響應(yīng)速度特別快，管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)帶寬

23、可達(dá)100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電 二極管。二極管。 噪聲大噪聲大是這種管子目前的一個主要缺點。由于雪崩反應(yīng)是隨機的，所以是這種管子目前的一個主要缺點。由于雪崩反應(yīng)是隨機的，所以 它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時，噪聲可增大它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時，噪聲可增大 到放大器的噪聲水平，以至無法使用。但由于到放大器的噪聲水平，以至無法使用。但由于APD的響應(yīng)時間極短，靈敏的響應(yīng)時間極短，靈敏 度很高，它在光通信中應(yīng)用前景廣闊。度很高，它在光通信中應(yīng)用前景廣闊。 （2 2） 雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD)

24、(APD) 光敏二極管的種類和用途見表光敏二極管的種類和用途見表10-2 1、光敏二極管、光敏二極管 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 （1 1）光敏三極管有）光敏三極管有PNPPNP型和型和NPNNPN型兩種，如圖。型兩種，如圖。 2、光敏三極管、光敏三極管 其結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，具有電流增益其結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，具有電流增益,只是它的發(fā)射極一邊做的只是它的發(fā)射極一邊做的 很大很大,以擴(kuò)大光的照射面積以擴(kuò)大光的照射面積,且其基極不接引線。當(dāng)且其基極不接引線。當(dāng)集電極加上正電壓集電極加上正電壓, 基極開路時基極開路時,集電極處于集電極處于反向偏置狀態(tài)反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光線照射在集

25、電結(jié)的基區(qū)時。當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時, 會產(chǎn)生電子會產(chǎn)生電子-空穴對空穴對,在內(nèi)電場的作用下在內(nèi)電場的作用下,光生電子被拉到集電極光生電子被拉到集電極,基區(qū)留下空基區(qū)留下空 穴穴,使基極與發(fā)射極間的電壓升高使基極與發(fā)射極間的電壓升高,這樣便有大量的電子流向集電極這樣便有大量的電子流向集電極,形成輸形成輸 出電流出電流,且集電極電流為光電流的且集電極電流為光電流的倍。倍。 RL E C E PPN NNP e b b c ec （1） （2） 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 )(1( CBOpC III IC:集電極電流；集電極電流；IP：基極與集電極：基極與集電極p-n結(jié)的光生電

26、流；結(jié)的光生電流； ICBO：無光照時：無光照時p-n結(jié)反向飽和電流；結(jié)反向飽和電流； ：共發(fā)射極直流放大系數(shù)。：共發(fā)射極直流放大系數(shù)。 pC II)1( 一般反向飽和電流一般反向飽和電流ICBO很小，所以有：很小，所以有： 2、光敏三極管、光敏三極管 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 20 （2）光敏三極管的主要特性：）光敏三極管的主要特性： 光敏三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。當(dāng)入射光的波長增加時，光敏三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。當(dāng)入射光的波長增加時， 相對靈敏度要下降。因為光子能量太小，不足以激發(fā)電子空穴對。當(dāng)入射相對靈敏度要下降。因為光子能量太小，不足以激發(fā)電子空穴

27、對。當(dāng)入射 光的波長縮短時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導(dǎo)體表面附近就光的波長縮短時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導(dǎo)體表面附近就 被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對不能到達(dá)被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對不能到達(dá)PNPN結(jié)，因而使相對靈敏度結(jié)，因而使相對靈敏度 下降。下降。 光譜特性光譜特性 相對靈敏度/% 硅 鍺 入射光 / 400080001200016000 100 80 60 40 20 0 硅的峰值波長為硅的峰值波長為9000， 鍺的峰值波長為鍺的峰值波長為15000。 由于鍺管的暗電流比硅管由于鍺管的暗電流比硅管 大，因此鍺管的性能較差。大，因此鍺管的性能較差。 故在

28、故在可見光或探測赤熱狀可見光或探測赤熱狀 態(tài)物體時，一般選用硅管態(tài)物體時，一般選用硅管； 但對但對紅外線進(jìn)行探測時紅外線進(jìn)行探測時, 則采用鍺管較合適。則采用鍺管較合適。 2、光敏三極管、光敏三極管 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 伏安特性伏安特性 光敏三極管的伏安特性曲線如圖所示。光敏三極管在不光敏三極管的伏安特性曲線如圖所示。光敏三極管在不 同的照度下的伏安特性，就像一般晶體管在不同的基極電流同的照度下的伏安特性，就像一般晶體管在不同的基極電流 時的輸出特性一樣。因此，只要將入射光照在發(fā)射極時的輸出特性一樣。因此，只要將入射光照在發(fā)射極e與基極與基極 b之間的之間的PN結(jié)附近，所

29、產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將結(jié)附近，所產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將 光敏三極管看作一般的晶體管。光敏三極管能把光信號變成光敏三極管看作一般的晶體管。光敏三極管能把光信號變成 電信號，而且輸出的電信號較大。電信號，而且輸出的電信號較大。 0 500lx 1000lx 1500lx 2000lx 2500lx I/mA 2 4 6 20406080 光敏晶體管的伏安特性 U/V 2、光敏三極管、光敏三極管 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 光敏晶體管的光照特性 I / A L/lx 2004006008001000 0 1.0 2.0 3.0 光敏三極管的光照特性如圖所示。它給出了

30、光敏三光敏三極管的光照特性如圖所示。它給出了光敏三 極管的輸出電流極管的輸出電流 I I 和照度之間的關(guān)系。它們之間呈現(xiàn)和照度之間的關(guān)系。它們之間呈現(xiàn) 了近似線性關(guān)系。當(dāng)光照足夠大了近似線性關(guān)系。當(dāng)光照足夠大( (幾幾klx)klx)時，會出現(xiàn)飽時，會出現(xiàn)飽 和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可 作開關(guān)元件。作開關(guān)元件。 光照特性光照特性 2、光敏三極管、光敏三極管 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 暗電流/mA 10 20 30 40 50 60 70 T /C 25 0 50 光電流/mA 100 0 200 300 40

31、0 1020 30 4050 60 70 80 T/C 光敏晶體管的溫度特性 光敏三極管的溫度特性曲線反映的是光敏三極管的光敏三極管的溫度特性曲線反映的是光敏三極管的 暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。從特性曲線可以看出，暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。從特性曲線可以看出， 溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的影響很溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的影響很 大所以電子線路中應(yīng)該對暗電流進(jìn)行溫度補償，否則大所以電子線路中應(yīng)該對暗電流進(jìn)行溫度補償，否則 將會導(dǎo)致輸出誤差。將會導(dǎo)致輸出誤差。 溫度特性溫度特性 2、光敏三極管、光敏三極管 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 光敏三極管的頻率特性

32、曲線如圖所示。光敏三極管的頻率光敏三極管的頻率特性曲線如圖所示。光敏三極管的頻率 特性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)。一特性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)。一 般來說，光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差。對于鍺管，般來說，光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差。對于鍺管， 入射光的調(diào)制頻率要求在入射光的調(diào)制頻率要求在5 5k kHzHz以下。硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管以下。硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管 好。好。 01001000500500010000 20 40 60 100 80 RL=1k RL=10k RL=100k 入射光調(diào)制頻率 / HZ 相 對 靈 敏 度 /%

33、 光敏晶體管的頻率特性光敏晶體管的頻率特性 頻率特性頻率特性 2、光敏三極管、光敏三極管 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 光傳感器的應(yīng)用光傳感器的應(yīng)用 鼠標(biāo)中的紅外接收管就是光傳感器。鼠標(biāo)移動時，滾球帶動鼠標(biāo)中的紅外接收管就是光傳感器。鼠標(biāo)移動時，滾球帶動 x、y 方向兩個碼盤轉(zhuǎn)動，紅外管接收到一個個紅外線脈沖。計方向兩個碼盤轉(zhuǎn)動，紅外管接收到一個個紅外線脈沖。計 算機分別統(tǒng)計算機分別統(tǒng)計 x、y 兩個方向上的脈沖信號，就能確定鼠標(biāo)的位兩個方向上的脈沖信號，就能確定鼠標(biāo)的位 置。置。 1.鼠標(biāo)器鼠標(biāo)器 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 光傳感器的應(yīng)用光傳感器的應(yīng)用 26 (光

34、敏三極管的應(yīng)用光敏三極管的應(yīng)用)2. 火災(zāi)報警器火災(zāi)報警器 光電三極管是煙霧火警報警器中的光傳感器。平時，發(fā)光電三極管是煙霧火警報警器中的光傳感器。平時，發(fā) 光二極管發(fā)出的光被不透明擋板擋住。當(dāng)有煙霧時，煙霧對光二極管發(fā)出的光被不透明擋板擋住。當(dāng)有煙霧時，煙霧對 光有散射作用，光電三極管接收到散射光，電阻變小，使報光有散射作用，光電三極管接收到散射光，電阻變小，使報 警電路工作。警電路工作。 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 光傳感器的應(yīng)用光傳感器的應(yīng)用 3.3.光電池光電池 光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。由由 于它

35、可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。它是基于光生伏于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。它是基于光生伏 特效應(yīng)制成的，是發(fā)電式有源元件。它有較大面積的特效應(yīng)制成的，是發(fā)電式有源元件。它有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射結(jié)，當(dāng)光照射 在在PN結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 光傳感器的應(yīng)用光傳感器的應(yīng)用 u命名方式：命名方式：把光電池的半導(dǎo)體材料的名稱冠于光電池把光電池的半導(dǎo)體材料的名稱冠于光電池(或太或太 陽能電池陽能電池)之前。如，硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池之前。如，硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池 等。

36、目前等。目前,應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。 u砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性則砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性則 與太陽光譜最吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的與太陽光譜最吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的 輻射。因此，它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等電源方輻射。因此，它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等電源方 面的應(yīng)用是有發(fā)展前途的。面的應(yīng)用是有發(fā)展前途的。 u硅光電池硅光電池價格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外價格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外 光。光。 u硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低硒光電池光電轉(zhuǎn)換

37、效率低(0.02)、壽命短，適于接收可、壽命短，適于接收可 見光見光(響應(yīng)峰值波長響應(yīng)峰值波長0.56m)，最適宜制造照度計。，最適宜制造照度計。 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 光傳感器的應(yīng)用光傳感器的應(yīng)用 硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖所示。它是在一塊硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖所示。它是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻 入一些入一些P型雜質(zhì)型雜質(zhì)(如硼如硼)形成形成PN結(jié)。結(jié)。 （1 1）光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理）光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理 + 光 P N SiO2 RL (a) 光電池的結(jié)構(gòu)圖光電池的結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)光照到當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出結(jié)區(qū)時，如

38、果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出 電子電子-空穴對，空穴對，只要只要入射光子能量比半導(dǎo)體禁帶寬度大入射光子能量比半導(dǎo)體禁帶寬度大，在結(jié)區(qū)、，在結(jié)區(qū)、P區(qū)和區(qū)和 N區(qū)都會引起本征激發(fā)而區(qū)都會引起本征激發(fā)而產(chǎn)生電子空穴對產(chǎn)生電子空穴對，N區(qū)的光生空穴和區(qū)的光生空穴和P區(qū)的光區(qū)的光 生電子會向結(jié)區(qū)擴(kuò)散生電子會向結(jié)區(qū)擴(kuò)散，只要在載流子壽命時間內(nèi)到達(dá)結(jié)區(qū)，只要在載流子壽命時間內(nèi)到達(dá)結(jié)區(qū)，強大的內(nèi)建強大的內(nèi)建 電場就會把電場就會把P區(qū)的光生電子拉向區(qū)的光生電子拉向N區(qū)，把區(qū)，把N區(qū)的光生空穴拉向區(qū)的光生空穴拉向P區(qū)。區(qū)。 因而導(dǎo)致在因而導(dǎo)致在N區(qū)區(qū)邊界有邊界有光生電子光生電子 積累積累，在，在P區(qū)區(qū)邊

39、界有邊界有光生空穴光生空穴積累，產(chǎn)積累，產(chǎn) 生一個與內(nèi)建電場相反的光生電場，生一個與內(nèi)建電場相反的光生電場， 使原來的勢壘高度降低，相當(dāng)于在使原來的勢壘高度降低，相當(dāng)于在PN 結(jié)上加上一個正向電壓結(jié)上加上一個正向電壓V，這就是光，這就是光 生電動勢。生電動勢。 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 光傳感器的應(yīng)用光傳感器的應(yīng)用 光電池的示意圖光電池的示意圖 + 光 P N SiO2 RL (a) 光電池的結(jié)構(gòu)圖 (b) 光電池的工作原理示意圖 I 光 P N 若將若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來，電路中有電流流過，結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來，電路中有電流流過， 電流的方向由電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至區(qū)

40、流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，區(qū)。若將外電路斷開， 就可測出光生電動勢。就可測出光生電動勢。 （1 1）光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理）光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 光傳感器的應(yīng)用光傳感器的應(yīng)用 光電池的表示符號、基本電路及等效電路如圖所示。光電池的表示符號、基本電路及等效電路如圖所示。 I U (b) 光電池符號和基本工作電路光電池符號和基本工作電路 Id U I RL I (c)(a) 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 光傳感器的應(yīng)用光傳感器的應(yīng)用 20 40 60 80 100 0.40.60.81.01.20.2 I / % 12 /m 光電池的

41、光譜特性決定于材料。從曲線可看出，硒光光電池的光譜特性決定于材料。從曲線可看出，硒光 電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在 540nm附近，適宜測可見光。硅光電池應(yīng)用的范圍附近，適宜測可見光。硅光電池應(yīng)用的范圍 400nm1100nm，峰值波長在，峰值波長在850nm附近，因此硅光電池附近，因此硅光電池 可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用?？梢栽诤軐挼姆秶鷥?nèi)應(yīng)用。 1硒光電池 2硅光電池 （2 2）基本特性）基本特性 光譜特性光譜特性 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 光傳感器的應(yīng)用光傳感器的應(yīng)用 光電池作為光電池作為測量、計數(shù)、接收元件測量

42、、計數(shù)、接收元件時常用調(diào)制光時常用調(diào)制光 輸入。輸入。光電池的頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光電池的頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制 光頻率變化的關(guān)系光頻率變化的關(guān)系。由于光電池。由于光電池PNPN結(jié)面積較大，極間結(jié)面積較大，極間 電容大，故頻率特性較差。圖示為光電池的頻率響應(yīng)曲線。電容大，故頻率特性較差。圖示為光電池的頻率響應(yīng)曲線。 由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，如曲線由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，如曲線2 2，而，而 硒光電池則較差，如曲線硒光電池則較差，如曲線1 1。 20 40 60 80 100 0 I / % 12345 1 2 f / kHz 1硒光電池 2硅光電池 頻

43、率特性頻率特性 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 光傳感器的應(yīng)用光傳感器的應(yīng)用 光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化 的關(guān)系。由圖可見，開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，的關(guān)系。由圖可見，開路電壓與短路電流均隨溫度而變化， 它將關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測量它將關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測量 或控制精度等主要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池作為測量元件時，或控制精度等主要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池作為測量元件時， 最好能保持溫度恒定，或采取溫度補償措施。最好能保持溫度恒定，或采取溫度補償措施。 20 0406

44、090 40 60 UOC/ mV T / C ISCUOC ISC / A 600 400 200 UOC開路電壓開路電壓 ISC 短路電流短路電流 硅光電池在硅光電池在1000lx照照 度下的溫度特性曲線度下的溫度特性曲線 溫度特性溫度特性 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 二、二、 外光電效應(yīng)器件外光電效應(yīng)器件 利用物質(zhì)在光的照射下發(fā)射電子的外光電利用物質(zhì)在光的照射下發(fā)射電子的外光電 效應(yīng)而制成的光電器件效應(yīng)而制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的一般都是真空的或充氣的 光電器件，如光電管和光電倍增管。光電器件，如光電管和光電倍增管。 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 三

45、、半導(dǎo)體色敏傳感器三、半導(dǎo)體色敏傳感器 半導(dǎo)體色敏傳感器是半導(dǎo)體光敏感器件中的一半導(dǎo)體色敏傳感器是半導(dǎo)體光敏感器件中的一 種。種。 它是基于內(nèi)光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的它是基于內(nèi)光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的 光輻射探測器件。色敏傳感器是各種類型測色儀器光輻射探測器件。色敏傳感器是各種類型測色儀器 的關(guān)鍵元素。的關(guān)鍵元素。 光敏傳感器件不管是光電導(dǎo)器件還是光生伏特光敏傳感器件不管是光電導(dǎo)器件還是光生伏特 效應(yīng)器件，它們檢測的都是在一定波長范圍內(nèi)效應(yīng)器件，它們檢測的都是在一定波長范圍內(nèi)光的光的 強度強度, , 或者說光子的數(shù)目。或者說光子的數(shù)目。 半導(dǎo)體色敏器件則可用來直接測量半導(dǎo)體色敏器件

46、則可用來直接測量從可見光到從可見光到 近紅外波段內(nèi)單色輻射的波長。近紅外波段內(nèi)單色輻射的波長。這是近年來出這是近年來出 現(xiàn)的一種新型光敏器件?，F(xiàn)的一種新型光敏器件。 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 三、半導(dǎo)體色敏傳感器三、半導(dǎo)體色敏傳感器 其結(jié)構(gòu)原理及等效電其結(jié)構(gòu)原理及等效電 路如圖路如圖3131所示。所示。 為了說明為了說明 色敏傳感器的工作原理色敏傳感器的工作原理, , 有必要了解光電二極管的有必要了解光電二極管的 工作機理。工作機理。 圖圖 31 （一）半導(dǎo)體色敏傳感器的基本原理（一）半導(dǎo)體色敏傳感器的基本原理 半導(dǎo)體色敏傳感器相當(dāng)于兩只結(jié)構(gòu)不同的光電二極管的半導(dǎo)體色敏傳感器相

47、當(dāng)于兩只結(jié)構(gòu)不同的光電二極管的 組合組合, 故又稱光電雙結(jié)二極管。故又稱光電雙結(jié)二極管。 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 三、半導(dǎo)體色敏傳感器三、半導(dǎo)體色敏傳感器 對于用半導(dǎo)體硅制造的光電二極管對于用半導(dǎo)體硅制造的光電二極管, 在受光照射時在受光照射時, 若入若入 射光子的能量射光子的能量h 大于硅的禁帶寬度大于硅的禁帶寬度Eg, 則光子就激發(fā)價帶中則光子就激發(fā)價帶中 的電子躍遷到導(dǎo)帶而產(chǎn)生一對電子的電子躍遷到導(dǎo)帶而產(chǎn)生一對電子-空穴。空穴。 1、（復(fù)習(xí)）光（敏）電二極管的工作原理、（復(fù)習(xí)）光（敏）電二極管的工作原理 這些由光子激發(fā)而產(chǎn)生的電子這些由光子激發(fā)而產(chǎn)生的電子空穴統(tǒng)稱為空穴

48、統(tǒng)稱為光生載流子光生載流子。 光電二極管的基本部分是一個光電二極管的基本部分是一個-結(jié)結(jié), 產(chǎn)生的光生載流子只產(chǎn)生的光生載流子只 要能擴(kuò)散到勢壘區(qū)的邊界要能擴(kuò)散到勢壘區(qū)的邊界, 其中少數(shù)載流子（專指其中少數(shù)載流子（專指P P區(qū)區(qū) 中的電子和中的電子和N N區(qū)的空穴）就受勢壘區(qū)強電場的吸引區(qū)的空穴）就受勢壘區(qū)強電場的吸引 而被拉向?qū)γ鎱^(qū)域而被拉向?qū)γ鎱^(qū)域, , 這部分少數(shù)載流子對電流作出這部分少數(shù)載流子對電流作出 貢獻(xiàn)。貢獻(xiàn)。 多數(shù)載流子（多數(shù)載流子（P區(qū)中的空穴或區(qū)中的空穴或N區(qū)中的電子）區(qū)中的電子）則受則受 勢壘區(qū)電場的排斥而留在勢壘區(qū)的邊緣。勢壘區(qū)電場的排斥而留在勢壘區(qū)的邊緣。 光敏功能材

49、料及傳感器光敏功能材料及傳感器 三、半導(dǎo)體色敏傳感器三、半導(dǎo)體色敏傳感器 在勢壘區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生電子和光生空穴在勢壘區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生電子和光生空穴, 則分別被電場則分別被電場 掃向掃向N區(qū)和區(qū)和P區(qū)區(qū), 它們對電流也有貢獻(xiàn)。它們對電流也有貢獻(xiàn)。 用能帶圖來表示上用能帶圖來表示上 述過程如圖述過程如圖32所示。所示。 32 Ec表示導(dǎo)帶底能量表示導(dǎo)帶底能量; Ev表示價帶頂能量。表示價帶頂能量?！?” 表示帶正電荷的空穴表示帶正電荷的空穴; “ ” 表示電子表示電子 IL表示光電流表示光電流 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 三、半導(dǎo)體色敏傳感器三、半導(dǎo)體色敏傳感器 光電流由勢壘區(qū)兩邊能運動

50、到勢壘邊緣的少數(shù)載流子和勢壘區(qū)中產(chǎn)生光電流由勢壘區(qū)兩邊能運動到勢壘邊緣的少數(shù)載流子和勢壘區(qū)中產(chǎn)生 的電子的電子-空穴對構(gòu)成空穴對構(gòu)成, 其方向是由其方向是由N區(qū)流向區(qū)流向P區(qū)區(qū), 即與無光照射即與無光照射P-N結(jié)的反向飽結(jié)的反向飽 和電流方向相同。和電流方向相同。 當(dāng)當(dāng)P-N結(jié)外電路短路時結(jié)外電路短路時, 這個光電流將全部流過短接回路這個光電流將全部流過短接回路, 即從即從P P區(qū)和勢區(qū)和勢 壘區(qū)流入壘區(qū)流入N N區(qū)的光生電子將通過外短接回路全部流到區(qū)的光生電子將通過外短接回路全部流到P P區(qū)電極處區(qū)電極處, , 與與P區(qū)流出區(qū)流出 的光生空穴復(fù)合。因此的光生空穴復(fù)合。因此, 短接時外回路中的

51、電流是短接時外回路中的電流是L, 方向由方向由P端經(jīng)外接回端經(jīng)外接回 路流向路流向N端。這時端。這時, P-N結(jié)中的載流子濃度保持平衡值結(jié)中的載流子濃度保持平衡值, 勢壘高度（圖勢壘高度（圖32a中中 的的q(UD-U)）亦無變化。）亦無變化。 當(dāng)當(dāng)P-N結(jié)開路或接有負(fù)載時結(jié)開路或接有負(fù)載時, 勢壘區(qū)電場收集的光生載流子便要在勢壘勢壘區(qū)電場收集的光生載流子便要在勢壘 區(qū)兩邊積累區(qū)兩邊積累, 從而使從而使P區(qū)電位升高區(qū)電位升高, N區(qū)電位降低區(qū)電位降低, 造成一個光生電動勢造成一個光生電動勢, 如圖如圖 32（b）所示。該電動勢使原）所示。該電動勢使原P-N結(jié)的勢壘高度下降為結(jié)的勢壘高度下降為q

52、（U -U）。其中 ）。其中V 即光生電動勢即光生電動勢,它相當(dāng)于在它相當(dāng)于在P-N結(jié)上加了正向偏壓。只不過這是光照形成的結(jié)上加了正向偏壓。只不過這是光照形成的, 而不是電源饋送的而不是電源饋送的, 這稱為光生電壓這稱為光生電壓, 這種現(xiàn)象就是光生伏特效應(yīng)。這種現(xiàn)象就是光生伏特效應(yīng)。 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 三、半導(dǎo)體色敏傳感器三、半導(dǎo)體色敏傳感器 光在半導(dǎo)體中傳播時的衰減光在半導(dǎo)體中傳播時的衰減 是由于價帶電子吸收光子而從價是由于價帶電子吸收光子而從價 帶躍遷到導(dǎo)帶的結(jié)果帶躍遷到導(dǎo)帶的結(jié)果, 這種吸收光這種吸收光 子的過程稱為本征吸收。硅的本子的過程稱為本征吸收。硅的本 征

53、吸收系數(shù)隨入射光波長變化的征吸收系數(shù)隨入射光波長變化的 曲線如右圖所示。由圖可見曲線如右圖所示。由圖可見, 在紅在紅 外部分吸收系數(shù)小外部分吸收系數(shù)小, 紫外部分吸收紫外部分吸收 系數(shù)大。系數(shù)大。 這就表明這就表明, 波長短的光子波長短的光子 衰減快衰減快, 穿透深度較淺穿透深度較淺, 而波長長而波長長 的光子則能進(jìn)入硅的較深區(qū)域。的光子則能進(jìn)入硅的較深區(qū)域。 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 三、半導(dǎo)體色敏傳感器三、半導(dǎo)體色敏傳感器 對于光電器件而言對于光電器件而言, 還常用還常用 量子效率來表征光生電子量子效率來表征光生電子 流與入射光子流的比值大流與入射光子流的比值大 小。小。

54、其物理意義是指單位時間其物理意義是指單位時間 內(nèi)每入射一個光子所引起的流動內(nèi)每入射一個光子所引起的流動 電子數(shù)。電子數(shù)。 根據(jù)理論計算可以得根據(jù)理論計算可以得 到到, P區(qū)在不同結(jié)深時量子效率隨區(qū)在不同結(jié)深時量子效率隨 波長變化的曲線如圖波長變化的曲線如圖9 - 13所示。所示。 圖中圖中xj即表示結(jié)深。即表示結(jié)深。淺的淺的P-NP-N結(jié)結(jié) 有較好的藍(lán)紫光靈敏度有較好的藍(lán)紫光靈敏度, 深深 的的P-NP-N結(jié)則有利于紅外靈敏結(jié)則有利于紅外靈敏 度的提高度的提高, 半導(dǎo)體色敏器件正半導(dǎo)體色敏器件正 是利用了這一特性。是利用了這一特性。 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 三、半導(dǎo)體色敏傳感

55、器三、半導(dǎo)體色敏傳感器 圖圖 3 如圖所示的如圖所示的P-N-P不是晶體管不是晶體管, 而是結(jié)深不同的兩個而是結(jié)深不同的兩個P-N結(jié)二極管結(jié)二極管, 淺淺 結(jié)的二極管是結(jié)的二極管是P P-N-N結(jié)結(jié); 深結(jié)的二極管深結(jié)的二極管 是是P-NP-N結(jié)結(jié)。 當(dāng)有入射光照射時當(dāng)有入射光照射時, P、N、 P三個區(qū)域及其間的勢壘區(qū)中都有光子三個區(qū)域及其間的勢壘區(qū)中都有光子 吸收吸收, 但效果不同。如上所述但效果不同。如上所述, 紫外光紫外光 部分吸收系數(shù)大部分吸收系數(shù)大, 經(jīng)過很短距離已基本經(jīng)過很短距離已基本 吸收完畢。在此吸收完畢。在此, 淺結(jié)的即是光電二極淺結(jié)的即是光電二極 管對紫外光的靈敏度高管對

56、紫外光的靈敏度高, 而而紅外部分紅外部分吸吸 收系數(shù)較小收系數(shù)較小, 這類波長的光子則這類波長的光子則主要在主要在 深結(jié)區(qū)被吸收深結(jié)區(qū)被吸收。 因此因此, 深結(jié)的那只光電深結(jié)的那只光電 二極管對紅外光的靈敏度較高。二極管對紅外光的靈敏度較高。 2、半導(dǎo)體色敏傳感器工作原理、半導(dǎo)體色敏傳感器工作原理 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 三、半導(dǎo)體色敏傳感器三、半導(dǎo)體色敏傳感器 這就是說這就是說, , 在半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌牟ㄩL分別具有在半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌牟ㄩL分別具有 不同的靈敏度。這一特性給我們提供了將這種器件用于顏色不同的靈敏度。這一特性給我們提供了將這種器件用于顏色 識別

57、的可能性識別的可能性, , 也就是可以用來測量入射光的波長。將兩只也就是可以用來測量入射光的波長。將兩只 結(jié)深不同的光電二極管組合結(jié)深不同的光電二極管組合, , 圖圖 9 - 149 - 14硅色敏管中硅色敏管中V VD D 和 和V VD D 的光譜響應(yīng)曲線就構(gòu)成了可以測定波長的半導(dǎo)體色敏傳感器。的光譜響應(yīng)曲線就構(gòu)成了可以測定波長的半導(dǎo)體色敏傳感器。 在具體應(yīng)用時在具體應(yīng)用時, , 應(yīng)先對該色敏器件進(jìn)行標(biāo)定。也就是說，測應(yīng)先對該色敏器件進(jìn)行標(biāo)定。也就是說，測 定不同波長的光照射下定不同波長的光照射下, , 該器件中兩只光電二極管短路電流該器件中兩只光電二極管短路電流 的比值的比值SD2 SD

58、2 SD1 SD1, , SD1 SD1是淺結(jié)二極管的短路電流 是淺結(jié)二極管的短路電流, , 它在短它在短 波區(qū)較大。波區(qū)較大。 SD2 SD2是深結(jié)二極管的短路電流 是深結(jié)二極管的短路電流, , 它在長波區(qū)較大它在長波區(qū)較大, , 因而二因而二 者的比值與入射單色光波長的關(guān)系就可以確定。根據(jù)標(biāo)定的者的比值與入射單色光波長的關(guān)系就可以確定。根據(jù)標(biāo)定的 曲線曲線, , 實測出某一單色光時的短路電流比值實測出某一單色光時的短路電流比值, , 即可確定該單即可確定該單 色光的波長。色光的波長。 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 三、半導(dǎo)體色敏傳感器三、半導(dǎo)體色敏傳感器 圖圖9 - 14表示了

59、不表示了不 同結(jié)深二極管的光譜同結(jié)深二極管的光譜 響應(yīng)曲線。響應(yīng)曲線。 圖中圖中VD 代表淺結(jié)二極管代表淺結(jié)二極管,VD 代表深結(jié)二極管。代表深結(jié)二極管。 光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 三、半導(dǎo)體色敏傳感器三、半導(dǎo)體色敏傳感器 3. 3. 溫度特性溫度特性 由于半導(dǎo)體色敏器件測定的是兩只光電二極管短路電流之比由于半導(dǎo)體色敏器件測定的是兩只光電二極管短路電流之比, , 而這而這 兩只光電二極管是做在同一塊材料上的兩只光電二極管是做在同一塊材料上的, , 具有相同的溫度系數(shù)具有相同的溫度系數(shù), , 這種內(nèi)這種內(nèi) 部補償作用使半導(dǎo)體色敏器件的短路電流比對溫度不十分敏感部補償作用使半導(dǎo)體色

60、敏器件的短路電流比對溫度不十分敏感, , 所以通所以通 ?？刹豢紤]溫度的影響。?？刹豢紤]溫度的影響。 （二）半導(dǎo)體色敏傳感器的基本特征（二）半導(dǎo)體色敏傳感器的基本特征 1. 光譜特性光譜特性 半導(dǎo)體色敏器件的光譜特性是表示它所能檢測的波長范圍半導(dǎo)體色敏器件的光譜特性是表示它所能檢測的波長范圍, , 不同型不同型 號之間略有差別。號之間略有差別。 圖圖9 - 159 - 15（a a）給出了國產(chǎn)）給出了國產(chǎn)CSCS型半導(dǎo)體色敏器件型半導(dǎo)體色敏器件 的光譜特性的光譜特性, , 其波長范圍是其波長范圍是4001000 nm4001000 nm。 2. 2. 短路電流比短路電流比波長特性波長特性 短路