07光敏功能材料及傳感器課件

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：光敏二極管、光敏三極管

2、、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)，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。隨光照增強(qiáng)而減小。優(yōu)點(diǎn)：

3、靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量輕、機(jī)械優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊、耐振動、抗過載能力強(qiáng)和壽命長等。強(qiáng)度高，耐沖擊、耐振動、抗過載能力強(qiáng)和壽命長等。不足：不足：需要外部電源，有電流時(shí)會發(fā)熱。需要外部電源，有電流時(shí)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

4、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

5、-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）1234567(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。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

6、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。RGRLEI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(jià)格便宜重量輕、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜，因此應(yīng)用比較廣泛。

7、，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(shí)間測量的電阻值，稱為射）后經(jīng)過一定時(shí)間測量的電阻值，稱為暗電阻暗電阻。此。此時(shí)在給定電壓下流過的電流稱為時(shí)在給定電壓下流過的電流稱為暗電流暗電流。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(shí)在給定

8、電壓下流過的電流稱為。此時(shí)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(shí)用的光敏電阻的暗電阻往往超過實(shí)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)100M100M，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

9、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. .1000012345I/mA E/lx2000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

10、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 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；

11、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(shí)，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(shí)，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。204060801000.40.81.21.622.4/m312相對靈敏度1硫化鎘硫化鎘2硒化鎘硒化鎘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

12、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(shí)的伏安特性。由曲線可知，在給定偏壓下時(shí)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?yàn)槿魏喂饷綦娮瓒际茴~定因?yàn)槿魏喂饷綦娮瓒际茴~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

13、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。5010015020012U/V02040I/ 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(shí)，光電流要經(jīng)過一段時(shí)間照射時(shí)，光電流要經(jīng)過一段時(shí)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(shí)延特性。由于不同材料的光敏電阻時(shí)延這就是光敏電阻的時(shí)延特性。由于不同材料的光敏電阻時(shí)延特性不同，所以它們的頻率特性也不同。特性不同，所以

14、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(shí)延的時(shí)延（時(shí)間常數(shù)）（時(shí)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。20406080100I / %f / Hz010102103104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

15、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)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。 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

16、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

17、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(shí)，反向電阻很大，反向電光敏二極管在沒有光照射時(shí)，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(shí)只有少數(shù)載流子流很小。光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)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(shí)，光敏二極管導(dǎo)通。受光照射時(shí)，當(dāng)光照射時(shí)，光敏二極管導(dǎo)通。受光照射時(shí)，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

18、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-SiPIN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(diǎn)是，在管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)

19、特點(diǎn)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)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(diǎn)：頻帶寬，可達(dá)最大特點(diǎn)：頻帶寬，可達(dá)10GHz10GHz。特點(diǎn)：特點(diǎn)：另一個特點(diǎn)是，因?yàn)榱硪粋€特點(diǎn)是，因?yàn)镮 I層很厚，在反偏壓下運(yùn)用層很厚，在反偏壓下運(yùn)用, ,可承受較可承受較高的反向電

20、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(diǎn)幾微安，一般多為零點(diǎn)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(yùn)算放大器集成在同一硅片管與前置運(yùn)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

21、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(qiáng)，電場極強(qiáng)，光生電子在這種強(qiáng)電場中可得到極大的加速光生電子在這種強(qiáng)電場中可得到極大的加速，同時(shí)與晶格碰撞，同時(shí)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(shí)，當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時(shí)，電流增益可

22、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(diǎn)。由于雪崩反應(yīng)是隨機(jī)的，所以是這種管子目前的一個主要缺點(diǎn)。由于雪崩反應(yīng)是隨機(jī)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(shí)，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(shí)，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(shí)間極短，靈敏的響應(yīng)時(shí)間極短，靈敏度很高，

23、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)(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10-21、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

24、電極加上正電壓, 基極開路時(shí)基極開路時(shí),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)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時(shí)。當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時(shí),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 ECEPPNNNPe b bcec（1）（2）光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器)(1(CBOpCIII IC:集電

25、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)的光生電流；結(jié)的光生電流；ICBO：無光照時(shí)：無光照時(shí)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)。pCII)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(shí)，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(shí)，相對靈敏度要下降。因?yàn)楣庾幽芰刻?，不足以激發(fā)電子空穴對。當(dāng)入射相

26、對靈敏度要下降。因?yàn)楣庾幽芰刻。蛔阋约ぐl(fā)電子空穴對。當(dāng)入射光的波長縮短時(shí)，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(shí)，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/40008000120001600010080604020 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

27、性能較差。故在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(shí)，一般選用硅管態(tài)物體時(shí)，一般選用硅管；但對但對紅外線進(jìn)行探測時(shí)紅外線進(jìn)行探測時(shí),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(shí)的輸出特性一樣。因此，只要將入射光照在發(fā)射極時(shí)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，所產(chǎn)生

28、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。0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080光敏晶體管的伏安特性U/V2、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 / AL/lx200400600800100001.02.03.0 光敏三極管的光照特性如圖所示。它給出了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

29、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(shí)，會出現(xiàn)飽時(shí)，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/mA10 20 30 40 50 60 70T /C25 050光電流/mA100 02003004001020 30 4050 60 70 80T/C光敏晶體管的溫度特性 光敏三極管的溫

30、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(bǔ)償，否則大所以電子線路中應(yīng)該對暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)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

31、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。0100100050050001000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k入射光調(diào)制頻率 / HZ相對靈敏度/%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

32、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(shí)，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(shí)，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(jì)方向兩個碼盤轉(zhuǎn)動，紅外管接收到一個個紅外線脈沖。計(jì)算機(jī)分別統(tǒng)計(jì)算機(jī)分別統(tǒng)計(jì) 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 光傳感器的應(yīng)用光傳感器的應(yīng)用光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器26(光敏三極管的應(yīng)用光敏三極管的應(yīng)用)2. 火災(zāi)報(bào)警器火災(zāi)報(bào)警器光電三極管是煙霧火警報(bào)警器中的光傳感器。平時(shí)，發(fā)光電三極管是煙霧火警報(bào)警器中的光傳感器。平時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的

33、光被不透明擋板擋住。當(dāng)有煙霧時(shí)，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(shí)，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(bào)光有散射作用，光電三極管接收到散射光，電阻變小，使報(bào)警電路工作。警電路工作。 光傳感器的應(yīng)用光傳感器的應(yīng)用光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器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

34、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(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。結(jié)上時(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。 光傳感器的應(yīng)用光傳感器的應(yīng)用光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器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。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

35、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(jià)格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外價(jià)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(jì)。，最適宜制造照度計(jì)。 光傳感器的應(yīng)用光傳感器的應(yīng)用光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及

36、傳感器 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PNSiO2RL(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(shí)，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(shí)，如果光子能量足夠大，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，

37、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(shí)間內(nèi)到達(dá)結(jié)區(qū)，只要在載流子壽命時(shí)間內(nèi)到達(dá)結(jié)區(qū)，強(qiáng)大的內(nèi)建強(qiáng)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

38、電動勢。 光傳感器的應(yīng)用光傳感器的應(yīng)用光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器光電池的示意圖光電池的示意圖+光PNSiO2RL(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)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 光傳感器的應(yīng)用光傳感器的應(yīng)用光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器光電池的表示符號、基本電路及等效電路如圖所示。光電池的表示符

39、號、基本電路及等效電路如圖所示。IU(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IdUIRLI(c)(a) 光傳感器的應(yīng)用光傳感器的應(yīng)用光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器204060801000.40.60.81.01.20.2I / %12/m 光電池的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

40、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 光傳感器的應(yīng)用光傳感器的應(yīng)用光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 光電池作為光電池作為測量、計(jì)數(shù)、接收元件測量、計(jì)數(shù)、接收元件時(shí)常用調(diào)制光時(shí)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

41、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。204060801000I / %1234512f / kHz1硒光電池2硅光電池頻率特性頻率特性 光傳感器的應(yīng)用光傳感器的應(yīng)用光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器 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

42、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(shí)，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(shí)，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。2004060904060UOC/ mVT / CISCUOCISC / A600400200UOC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二、二、 外光電效應(yīng)器件外光電效應(yīng)器件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

43、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、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

44、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(qiáng)度強(qiáng)度, , 或者說光子的數(shù)目?；蛘哒f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(jī)理。工作機(jī)理。 圖圖

45、 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(shí)在受光照射時(shí), 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(jià)帶中則光子就激發(fā)價(jià)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?？昭ā?1、（復(fù)習(xí)）光（

46、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(qiáng)電場的吸引區(qū)的空穴）就受勢壘區(qū)強(qiáng)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

47、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。32Ec表示導(dǎo)帶底能量表示導(dǎo)帶底能量; Ev表示價(jià)帶頂能量。表示價(jià)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

48、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(yùn)動到勢壘邊緣的少數(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(yùn)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(shí)結(jié)外電路短路時(shí), 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

49、, , 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(shí)外回路中的電流是短接時(shí)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(shí)端。這時(shí), 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(shí)結(jié)開路或接有負(fù)載時(shí), 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

50、。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（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(shí)的衰減光在半導(dǎo)體中傳播時(shí)的衰減是由于價(jià)帶電子吸收光子而從價(jià)是由于價(jià)帶電子吸收光子而從價(jià)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

51、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

52、子流的比值大流與入射光子流的比值大小。小。 其物理意義是指單位時(shí)間其物理意義是指單位時(shí)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(jì)算可以得根據(jù)理論計(jì)算可以得到到, P區(qū)在不同結(jié)深時(shí)量子效率隨區(qū)在不同結(jié)深時(shí)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

53、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 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(shí)當(dāng)有入射光照射時(shí), 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

54、敏度高管對紫外光的靈敏度高, 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的可

55、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(shí)在具體應(yīng)用時(shí), , 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SD2SD2SD1SD1,

56、, SD1SD1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。 SD2SD2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(shí)測出某一單色光時(shí)的短路電流比值實(shí)測出某一單色光時(shí)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表示了不表示了不同結(jié)深二極管的光譜同結(jié)深二極管

57、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(bǔ)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(bǔ)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, , 所以通所以通常

58、可不考慮溫度的影響。?？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 短路電流比短路電流比波長特性是表征半導(dǎo)體色敏器件對波長的識別能力波長特

59、性是表征半導(dǎo)體色敏器件對波長的識別能力, , 是賴以確定被測波長的基本特性。圖是賴以確定被測波長的基本特性。圖9 - 159 - 15（b b）表示上述）表示上述CS-CS-型半導(dǎo)型半導(dǎo)體色敏器件的短路電流比體色敏器件的短路電流比波長特性曲線。波長特性曲線。 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)體色敏傳感器光敏功能材料及傳感器光敏功能材料及傳感器復(fù)習(xí)題：復(fù)習(xí)題：1、簡述正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。、簡述正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。石英晶體是壓電性能好的材料，有三個互相垂直的晶軸，說出他石英晶體是壓電性能好的材料，有三個互相垂直的晶軸，說出他們的名稱，并說明每個晶軸方向的

60、晶體特性。們的名稱，并說明每個晶軸方向的晶體特性。試說明石英晶片符號試說明石英晶片符號(YXl)-30的物理意義并畫出石英晶片的物理意義并畫出石英晶片(YXl)-30的原始位置和切割方向。的原始位置和切割方向。2、磁電轉(zhuǎn)換的基本原理之一是霍爾效應(yīng)，試說明以下問題、磁電轉(zhuǎn)換的基本原理之一是霍爾效應(yīng)，試說明以下問題: 什么是霍爾效應(yīng)現(xiàn)象？給出霍爾電壓）和霍爾系數(shù)（不考慮復(fù)什么是霍爾效應(yīng)現(xiàn)象？給出霍爾電壓）和霍爾系數(shù)（不考慮復(fù)合作用）的計(jì)算公式；合作用）的計(jì)算公式；3、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，從而、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，從而制成光電傳感器，它的基本原