光生伏特效應(yīng)及器件

1、2022-3-61 第二節(jié)第二節(jié) 光電傳感器光電傳感器2 2 本章學(xué)習(xí)光電效應(yīng)、光電本章學(xué)習(xí)光電效應(yīng)、光電元件的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性元件的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性以及光電傳感器以及光電傳感器 徐徐 琳琳2022-3-62 一一 內(nèi)光電效應(yīng)及器件內(nèi)光電效應(yīng)及器件 當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類(lèi)： 1 光電導(dǎo)效應(yīng)及器件 (1)光電導(dǎo)效應(yīng) 在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻

2、。2022-3-63過(guò)程：過(guò)程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價(jià)帶越過(guò)禁帶躍入導(dǎo)帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價(jià)電子所占能帶Eg2022-3-64材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對(duì)于一種光電導(dǎo)材料，總存在一個(gè)照射光波長(zhǎng)限0，只有波長(zhǎng)小于0的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子能級(jí)間的躍進(jìn)，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。式中、分別為入射光的頻率和波長(zhǎng)。 Eg24. 1hch為了實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，即2022-3-65光敏電

3、阻光敏電阻的工作原理和結(jié)構(gòu)金屬電極半導(dǎo)體玻璃底板電源檢流計(jì)RLEI(a)(b)(c)Ra 光敏電阻結(jié)構(gòu) (a) 光敏電阻結(jié)構(gòu)； (b) 光敏電阻電極； (c) 光敏電阻接線圖2022-3-66光敏電阻演示 當(dāng)光敏當(dāng)光敏電阻受到光電阻受到光照時(shí)，照時(shí)，光生光生電子電子空穴空穴對(duì)增加，對(duì)增加，阻阻值減小，電值減小，電流增大。流增大。暗電流（越小越好）暗電流（越小越好）2022-3-67光電池的示意圖+光PNSiO2RL(a) 光電池的結(jié)構(gòu)圖I光(b) 光電池的工作原理示意圖 P N2 光生伏特效應(yīng)及器件 光生伏特效應(yīng) 在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。 基于該效應(yīng)的

4、光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。 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。 光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理 硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖所示。2022-3-682022-3-69光敏二極管光敏二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理 光敏二極管符號(hào)如圖。 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，其PN結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)反向工作狀態(tài)，如圖所示。PN光光敏二極管符號(hào)RL 光PN光敏二極管接線 2022-3-610光敏二極管光敏二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理2022-3-611光敏二極管外形光敏二極管外形 將光敏二極管的將光敏二極管的PN 結(jié)設(shè)置在透明

5、管結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，光殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的照射到光敏二極管的PN結(jié)時(shí)，電子結(jié)時(shí)，電子-空穴空穴對(duì)數(shù)量增加，光電流對(duì)數(shù)量增加，光電流與照度成正比。與照度成正比。 2022-3-612 光敏二極管的反向偏置接線光敏二極管的反向偏置接線（參考上頁(yè)圖）及光電特性演示（參考上頁(yè)圖）及光電特性演示 在沒(méi)有光照時(shí)，由于二在沒(méi)有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，反向電流極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。（暗電流）很小。 當(dāng)當(dāng)光照增加光照增加時(shí)，時(shí)，光電流光電流I與光照度成正與光照度成正比關(guān)系。比關(guān)系。 光敏光敏二二極管的極管的反向偏反向偏置接法置接法UO+光照光照2022-3-613

6、光敏三極管光敏三極管 光敏三極管有兩光敏三極管有兩個(gè)個(gè)PN結(jié)結(jié)。與普通。與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基極沒(méi)敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基極沒(méi)有引出線，有引出線，只有正負(fù)（只有正負(fù)（c、e）兩個(gè)引腳，兩個(gè)引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。上很難區(qū)別。 2022-3-614光敏三極管光敏三極管有PNP型和NPN型兩種，如圖。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)射極一邊做的很大,以擴(kuò)大光的照射面積,且其基極不接引線。當(dāng)集電極加上正電壓,基極開(kāi)路時(shí),集電極處于反向

7、偏置狀態(tài)。當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時(shí),會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì),在內(nèi)電場(chǎng)的作用下,光生電子被拉到集電極,基區(qū)留下空穴,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,形成輸出電流,且集電極電流為光電流的倍。 PPNNNPe b bc RL Eec2022-3-615光敏三極管2022-3-6162022-3-617NNP2022-3-618光敏三極管外形光敏三極管外形 2022-3-619光敏三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)光敏三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu) a) 內(nèi)部組成內(nèi)部組成 b)管芯結(jié)構(gòu)管芯結(jié)構(gòu) c）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖 1集電極引腳集電極引腳 2管芯管芯 3外殼外殼 4玻璃聚光鏡玻璃聚光鏡 5發(fā)射極引腳發(fā)射極引腳 6N+