光敏電阻、光電池

1、1光敏電阻光敏電阻 一、結(jié)構(gòu)與原理一、結(jié)構(gòu)與原理 光敏電阻利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成。光敏電阻利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成。 當(dāng)入射光子使電子由價(jià)帶躍升到導(dǎo)帶時(shí)，導(dǎo)帶中的電阻和價(jià)帶中的空穴二者均參與導(dǎo)電，因此電阻顯著減小，稱為光敏因此電阻顯著減小，稱為光敏電阻電阻。 本征光電導(dǎo)效應(yīng)可用本征光電導(dǎo)效應(yīng)可用來檢測可見光和近紅外輻射來檢測可見光和近紅外輻射。 如果入射光子從雜質(zhì)能級(jí)躍升到導(dǎo)帶如果入射光子從雜質(zhì)能級(jí)躍升到導(dǎo)帶(非本征光電導(dǎo)非本征光電導(dǎo))，那么，那么N型型材料的電導(dǎo)率增大。當(dāng)光子能量使電子由價(jià)帶躍升到材料的電導(dǎo)率增大。當(dāng)光子能量使電子由價(jià)帶躍升到P型主能級(jí)，型主能級(jí)，從而使價(jià)帶中留有可移動(dòng)的空穴時(shí)，從而使

2、價(jià)帶中留有可移動(dòng)的空穴時(shí)，P型材料就會(huì)出現(xiàn)非本征光型材料就會(huì)出現(xiàn)非本征光電導(dǎo)。電導(dǎo)。 非本征光電導(dǎo)體主要非本征光電導(dǎo)體主要檢測波長很長的輻射檢測波長很長的輻射 用于超過用于超過5微米的波段。微米的波段。2光電導(dǎo)探測器 光電導(dǎo)探測器是基于半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電探測器，光電導(dǎo)效應(yīng)的主要特點(diǎn)是受光照射時(shí)其電阻值明顯變小，故又稱為光敏電阻。光電導(dǎo)探測器廣泛應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化、攝影機(jī)自動(dòng)測光等監(jiān)控系統(tǒng)，也廣泛應(yīng)用于目前其他探測器難以實(shí)現(xiàn)的紅外測量系統(tǒng)。3半導(dǎo)體對光的吸收半導(dǎo)體對光的吸收 半導(dǎo)體對光的吸收是產(chǎn)生光電效應(yīng)的基礎(chǔ)。光照半導(dǎo)體材料時(shí)，若入射光子的能量大于某一值，就可以產(chǎn)生光激發(fā)，從而產(chǎn)生光生

3、載流子。采取一定的措施合理利用這些光生載流子，便可以制出各種光子效應(yīng)探測器。4光生載流子光生載流子 在光輻射作用下，半導(dǎo)體材料吸收入射光子的能量，使束縛態(tài)的電荷產(chǎn)生能級(jí)躍遷而變成自由電荷，這些由光激發(fā)產(chǎn)生的載流子稱為光生載流子。相對于熱平衡狀態(tài)下由熱激發(fā)與復(fù)合而產(chǎn)生的熱平衡載流子而言，光生載流子又稱為非平衡載流子。光電探測器的工作原理就是基于這些光生載流子，采取一定的措施利用這些非平衡載流子，將它們的變化耦合到外電路中，使外電路中的電流或電壓的變化反映入射光輻射功率的變化，從而達(dá)到光檢測的目的。 5本征吸收本征吸收 本征吸收指光照半導(dǎo)體材料時(shí)，價(jià)帶中的電子吸收入射光子的能量躍遷到導(dǎo)帶中去，這種

4、激發(fā)過程稱為半導(dǎo)體的本征吸收。在本征吸收過程中，價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶中留下空穴，產(chǎn)生了電子空穴對。與熱平衡狀態(tài)相比，在導(dǎo)帶中多出了一部分電子，在價(jià)帶中多出了一部分空穴，它們是因?yàn)楣庹斩a(chǎn)生的載流子，稱為光生載流子。在光照時(shí)，半導(dǎo)體中總的載流子濃度比熱平衡狀態(tài)下載流子濃度大。本征吸收產(chǎn)生的條件是入射光子的能量必須大于材料的禁帶寬度，6雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收 摻有雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料，在光照時(shí)也會(huì)產(chǎn)生光激發(fā)。對于n型半導(dǎo)體，施主雜質(zhì)中的束縛電子吸收了光子的能量躍遷到導(dǎo)帶；對于p型半導(dǎo)體，受主雜質(zhì)中的束縛空穴吸收了光子能量躍遷到價(jià)帶。施主釋放束縛電子到導(dǎo)帶、受主釋放束縛空穴到價(jià)帶所需的能量稱為雜

5、質(zhì)的電離能和。 7光電導(dǎo)探測器的結(jié)構(gòu) 光電導(dǎo)探測器的結(jié)構(gòu)很簡單，只要在一塊勻質(zhì)的半導(dǎo)體兩端裝上電極就可以構(gòu)成一個(gè)光敏電阻。 8靈敏度靈敏度 靈敏度通常指的是在一定條件下，單位照度所引起的光電流。由于各種器件使用的范圍及條件不一致，因此靈敏度有各種不同的表示法。光電導(dǎo)體的靈敏度表示在一定光強(qiáng)下光電導(dǎo)的強(qiáng)弱。它可以用光電增益G來表示。根據(jù)定態(tài)條件下電子與空穴的產(chǎn)生率與復(fù)合率相等 可推導(dǎo)出 9 為量子產(chǎn)額，即吸收一個(gè)光子所產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)； 為光生載流子壽命； 為載流子在光電導(dǎo)兩極間的渡越時(shí)間。 1011光電導(dǎo)的弛豫 光電導(dǎo)是非平衡載流子效應(yīng)，因此有一定的弛豫現(xiàn)象：光照射到樣品后，光電導(dǎo)逐漸增加，

6、最后達(dá)到定態(tài)。光照停止，光電導(dǎo)在一段時(shí)間內(nèi)逐漸消失。這種弛豫現(xiàn)象表現(xiàn)了光電導(dǎo)對光強(qiáng)變化反應(yīng)的快慢。光電導(dǎo)上升或下降的時(shí)間就是弛豫時(shí)間，或稱為響應(yīng)時(shí)間(惰性)。顯然，弛豫時(shí)間長，表示光電導(dǎo)反應(yīng)慢，這時(shí)稱慣性大；弛豫時(shí)間短，即光電導(dǎo)反應(yīng)快，稱慣性小。從光電導(dǎo)的機(jī)構(gòu)來看，弛豫現(xiàn)象表現(xiàn)為在光強(qiáng)變化時(shí)，光生載流子的積累和消失的過程。因此，要討論弛豫現(xiàn)象，必須研究光生載流子的產(chǎn)生與復(fù)合。 光電導(dǎo)的馳豫決定在迅速變化的光強(qiáng)下，一個(gè)光電器件能否有效工作的問題。12 在分析定態(tài)光電導(dǎo)和光強(qiáng)之間的關(guān)系時(shí)，盡管實(shí)際情況比較復(fù)雜，但通常討論下面兩種典型情況：直線性光電導(dǎo)，即光電導(dǎo)與光強(qiáng)成線性關(guān)系，如Si、Ge、PbO

7、等許多材料至少在較低的光強(qiáng)下都具有這種性質(zhì)；拋物線性光電導(dǎo)，指的是光電導(dǎo)與光強(qiáng)的平方根成正比。有不少光電導(dǎo)體在低光強(qiáng)下屬于直線性光電導(dǎo)，但在較高的光強(qiáng)下則為拋物線性光電導(dǎo)。 13光敏電阻工作機(jī)理較復(fù)雜，但結(jié)構(gòu)簡單，光敏電阻工作機(jī)理較復(fù)雜，但結(jié)構(gòu)簡單，只是在一塊勻質(zhì)的光電導(dǎo)體兩端只是在一塊勻質(zhì)的光電導(dǎo)體兩端加上電極即成，如圖所示。加上電極即成，如圖所示。1光譜響應(yīng)相當(dāng)寬光譜響應(yīng)相當(dāng)寬根據(jù)不同的光電導(dǎo)材料，光敏電阻根據(jù)不同的光電導(dǎo)材料，光敏電阻的靈敏域可在的靈敏域可在紫外光區(qū)紫外光區(qū)，可見光區(qū)可見光區(qū)，也可在也可在紅外區(qū)和遠(yuǎn)紅外區(qū)紅外區(qū)和遠(yuǎn)紅外區(qū)。光敏電阻有以下優(yōu)點(diǎn)：光敏電阻有以下優(yōu)點(diǎn)：2所測的光

8、強(qiáng)范圍寬，即可對強(qiáng)光響應(yīng)，也可對弱光響應(yīng)。所測的光強(qiáng)范圍寬，即可對強(qiáng)光響應(yīng)，也可對弱光響應(yīng)。3無極性之分，使用方便，成本低，壽命長。無極性之分，使用方便，成本低，壽命長。4靈敏度高，工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安靈敏度高，工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安 14 使用時(shí)必須在光敏電阻兩端加上電壓，一般再串一個(gè)負(fù)載電阻，構(gòu)成閉合回路。當(dāng)光照光敏電阻時(shí)，其電導(dǎo)率發(fā)生變化，電阻值隨之變化，那么流經(jīng)整個(gè)回路的電流發(fā)生變化。負(fù)載上電流的變化反映了光照信號(hào)的變化。在負(fù)載上取出其變化信號(hào)，便達(dá)到了檢測入射光信號(hào)的目的。光照時(shí)，光敏電阻的電阻值通常稱為明電阻或亮電阻，無光照時(shí)的電阻稱為暗電阻。 15模型16結(jié)構(gòu)示意圖17偏置電路

9、18等效電路19二、特性二、特性 1光照特性光照特性 圖示出硫化鎘光敏電阻的光照特性。光圖示出硫化鎘光敏電阻的光照特性。光敏電阻受光照時(shí)的電流與不受光照時(shí)的敏電阻受光照時(shí)的電流與不受光照時(shí)的電流之差，稱電流之差，稱光電流光電流。由于有上述的光。由于有上述的光電流放大作用，它的靈敏度高，光照特電流放大作用，它的靈敏度高，光照特性為性為非線性非線性。在實(shí)用范圍內(nèi)，它們的關(guān)。在實(shí)用范圍內(nèi)，它們的關(guān)系可表示如下：系可表示如下： I通過光敏電阻的電流；通過光敏電阻的電流；U加于光敏電阻的電壓；加于光敏電阻的電壓；L光敏電阻上的照度；光敏電阻上的照度；K比例系數(shù)；比例系數(shù)；a電壓指數(shù)，一般近于電壓指數(shù)，一

10、般近于1； b 照度指數(shù)。照度指數(shù)。 baLKUI 20光譜特性與所用的材料光譜特性與所用的材料有關(guān)，圖有關(guān)，圖(b)的曲線的曲線1、2、3分別示出硫化鎘、分別示出硫化鎘、硒化鎘、硫化鉛光敏電硒化鎘、硫化鉛光敏電阻的光譜特性。從圖可阻的光譜特性。從圖可以看出，硫化鉛光敏電以看出，硫化鉛光敏電2光譜特性光譜特性 光敏電阻的光譜分布，不僅和材料的性質(zhì)有關(guān)，也和工藝過程有關(guān)。光敏電阻的光譜分布，不僅和材料的性質(zhì)有關(guān)，也和工藝過程有關(guān)。例如硫化鎘光敏電阻，隨著摻銅濃度的增加，光譜峰值由例如硫化鎘光敏電阻，隨著摻銅濃度的增加，光譜峰值由5000埃移埃移至至6400埃。而硫化鉛隨薄層的減薄，光譜峰值位置移

11、向短波方向。埃。而硫化鉛隨薄層的減薄，光譜峰值位置移向短波方向。 阻在較寬的光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度。阻在較寬的光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度。 21本征光電導(dǎo)光譜特性222324252627283伏安特性伏安特性 圖圖(c)的曲線的曲線1和和2分別表示照度分別表示照度為零和某值時(shí)的伏安特性。如為零和某值時(shí)的伏安特性。如果所加電壓越高，則光電流越果所加電壓越高，則光電流越大而且無飽和現(xiàn)象。對于大多大而且無飽和現(xiàn)象。對于大多數(shù)半導(dǎo)體，電場強(qiáng)度超過數(shù)半導(dǎo)體，電場強(qiáng)度超過10伏伏厘米時(shí)才開始不遵循歐姆定厘米時(shí)才開始不遵循歐姆定律。只有硫化鎘是例外，它的律。只有硫化鎘是例外，它的伏安特性在伏安特性在100多

12、伏時(shí)就產(chǎn)生轉(zhuǎn)多伏時(shí)就產(chǎn)生轉(zhuǎn)折點(diǎn)而不再呈線性了。光敏電阻的最高使用電壓由它的耗散折點(diǎn)而不再呈線性了。光敏電阻的最高使用電壓由它的耗散功率所決定，而耗散功率又和面積大小、散熱情況等有關(guān)。功率所決定，而耗散功率又和面積大小、散熱情況等有關(guān)。29因?yàn)榉蔡匦猿删€性，光敏電阻除用積分靈敏度外，用比靈敏度也因?yàn)榉蔡匦猿删€性，光敏電阻除用積分靈敏度外，用比靈敏度也很方便。比靈敏度很方便。比靈敏度Sb的定義如下的定義如下: I 光敏電阻被照射時(shí)和黑暗時(shí)的電流差；光敏電阻被照射時(shí)和黑暗時(shí)的電流差； U 光敏電阻上所加的電壓；光敏電阻上所加的電壓； 照射于光敏電阻上的光通量。照射于光敏電阻上的光通量。比靈敏度乘

13、以電壓就得積分靈敏度，積分靈敏度與電壓成正比這是比靈敏度乘以電壓就得積分靈敏度，積分靈敏度與電壓成正比這是容易理解的，因?yàn)樵谙嗤墓馔肯?，光敏電路的電流與電壓成正容易理解的，因?yàn)樵谙嗤墓馔肯?，光敏電路的電流與電壓成正比。一般需要經(jīng)過幾百小時(shí)后，光敏電阻的靈敏度才趨穩(wěn)定。光敏比。一般需要經(jīng)過幾百小時(shí)后，光敏電阻的靈敏度才趨穩(wěn)定。光敏電阻的主要優(yōu)點(diǎn)之一是積分靈敏度較高電阻的主要優(yōu)點(diǎn)之一是積分靈敏度較高)/( UISb304頻率特性頻率特性 圖圖(d)的曲線的曲線l和和2分別表示出硫分別表示出硫化鎘和硫化鉛光敏電阻的頻率化鎘和硫化鉛光敏電阻的頻率特性。光敏電阻的頻率特性較特性。光敏電阻的頻率特

14、性較差，這是因?yàn)楣饷綦娮璧膶?dǎo)電差，這是因?yàn)楣饷綦娮璧膶?dǎo)電性與被俘獲的載流子有關(guān)，當(dāng)性與被俘獲的載流子有關(guān)，當(dāng)入射光強(qiáng)上升時(shí)，被俘獲的自入射光強(qiáng)上升時(shí)，被俘獲的自由載流子到相應(yīng)的數(shù)值需要一由載流子到相應(yīng)的數(shù)值需要一定時(shí)間；同樣，入射光強(qiáng)降低時(shí)，被俘獲的電荷釋放出來也是比較定時(shí)間；同樣，入射光強(qiáng)降低時(shí)，被俘獲的電荷釋放出來也是比較慢的，光敏電阻的阻值，要花一段時(shí)間后才能達(dá)到相應(yīng)的數(shù)值慢的，光敏電阻的阻值，要花一段時(shí)間后才能達(dá)到相應(yīng)的數(shù)值(新新的平衡值的平衡值)，故其頻率特性較差。有時(shí)以時(shí)間常數(shù)說明頻率響應(yīng)的，故其頻率特性較差。有時(shí)以時(shí)間常數(shù)說明頻率響應(yīng)的好壞。當(dāng)光敏電阻突然受到光照時(shí)，電導(dǎo)率上升到

15、最終值的好壞。當(dāng)光敏電阻突然受到光照時(shí)，電導(dǎo)率上升到最終值的63所所花的時(shí)間，被稱為花的時(shí)間，被稱為上升時(shí)間常數(shù)。上升時(shí)間常數(shù)。同樣，同樣，降低時(shí)間降低時(shí)間常數(shù)是把器件突常數(shù)是把器件突然黑暗時(shí)，其導(dǎo)電率降到起始值的然黑暗時(shí)，其導(dǎo)電率降到起始值的37(即降低即降低63)所花的時(shí)間。所花的時(shí)間。315疲乏特性疲乏特性 圖圖(e)的曲線的曲線l和和2分別表示出型分別表示出型號(hào)不同的兩種硫化鎘光敏電阻號(hào)不同的兩種硫化鎘光敏電阻的疲乏特性。初制成的光敏電的疲乏特性。初制成的光敏電阻，由于體內(nèi)機(jī)構(gòu)的不穩(wěn)定，阻，由于體內(nèi)機(jī)構(gòu)的不穩(wěn)定，以及電阻體與其介質(zhì)間的作用以及電阻體與其介質(zhì)間的作用還沒有達(dá)到平衡，所以性

16、能是還沒有達(dá)到平衡，所以性能是不夠穩(wěn)定的。不夠穩(wěn)定的。在人為地加溫、光照及加負(fù)載情況下，經(jīng)一至二個(gè)星期的老化，性在人為地加溫、光照及加負(fù)載情況下，經(jīng)一至二個(gè)星期的老化，性能可達(dá)到穩(wěn)定。光敏電阻在開始一段時(shí)間的老化過程中，有些樣品能可達(dá)到穩(wěn)定。光敏電阻在開始一段時(shí)間的老化過程中，有些樣品阻值上升了，有些樣品阻值下降了，各不一樣，但最后總能達(dá)到一阻值上升了，有些樣品阻值下降了，各不一樣，但最后總能達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，以后就不再變了。這是光敏電阻的主要優(yōu)點(diǎn)，它以其高個(gè)穩(wěn)定值，以后就不再變了。這是光敏電阻的主要優(yōu)點(diǎn)，它以其高度的穩(wěn)定性而被廣泛地應(yīng)用在自動(dòng)化技術(shù)上。度的穩(wěn)定性而被廣泛地應(yīng)用在自動(dòng)化技術(shù)上。

17、326溫度特性溫度特性 光敏電阻的性質(zhì)受溫度的光敏電阻的性質(zhì)受溫度的影響較大。隨著溫度的升影響較大。隨著溫度的升高靈敏度要下降。硫化鎘高靈敏度要下降。硫化鎘的光電流的光電流I和溫度和溫度T的關(guān)系的關(guān)系如圖如圖(f)所示。有時(shí)為了提所示。有時(shí)為了提高靈敏度，將元件降溫使高靈敏度，將元件降溫使用。例如，利用制冷器使用。例如，利用制冷器使光敏電阻的溫度降低。光敏電阻的溫度降低。隨著溫度的升高，光敏電阻黑暗時(shí)電流上升，光照時(shí)的電流增加不隨著溫度的升高，光敏電阻黑暗時(shí)電流上升，光照時(shí)的電流增加不多。因此，它的光電流下降，即光電靈敏度下降。不同材料的光敏多。因此，它的光電流下降，即光電靈敏度下降。不同材料

18、的光敏電阻，溫度特性也不一樣，一般硫化鎘的溫度特性比硒化鎘好，硫電阻，溫度特性也不一樣，一般硫化鎘的溫度特性比硒化鎘好，硫化鉛的溫度特性比硒化鉛好。光敏電阻的光譜特性也隨著溫度而變化鉛的溫度特性比硒化鉛好。光敏電阻的光譜特性也隨著溫度而變化。例如硫化鉛光敏電阻，在化。例如硫化鉛光敏電阻，在+20與與-20溫度范圍內(nèi)，隨著溫度溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，其光譜特性向短波方向移動(dòng)。為了使元件對波長較長的光的升高，其光譜特性向短波方向移動(dòng)。為了使元件對波長較長的光有較高的響應(yīng)，有時(shí)也可采用降溫措施。有較高的響應(yīng)，有時(shí)也可采用降溫措施。33體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單而牢固，允許的光電流大，工作壽命長；體

19、積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單而牢固，允許的光電流大，工作壽命長； 光敏電阻在黑暗時(shí)的電阻值一般大于光敏電阻在黑暗時(shí)的電阻值一般大于10兆歐，如果它被光線照射，兆歐，如果它被光線照射，電阻值顯著降低，稱為亮阻，約在幾萬歐以下。暗阻和亮阻之比電阻值顯著降低，稱為亮阻，約在幾萬歐以下。暗阻和亮阻之比在在 之間。這一比值越大，光敏電阻的靈敏度越高。隨之間。這一比值越大，光敏電阻的靈敏度越高。隨著溫度的升高，暗電阻下降，這對光敏電阻的工作不利。著溫度的升高，暗電阻下降，這對光敏電阻的工作不利。光敏電阻有下列優(yōu)點(diǎn)：光敏電阻有下列優(yōu)點(diǎn)： 7暗電阻和暗電流暗電阻和暗電流 210610型號(hào)相同的光敏電阻的參數(shù)也參差不

20、齊，光照特性的非線性使它不型號(hào)相同的光敏電阻的參數(shù)也參差不齊，光照特性的非線性使它不適合于測量要求線性的場合。適合于測量要求線性的場合。缺點(diǎn)缺點(diǎn)光敏電阻雖有它的缺點(diǎn)，但在很多情況下這些缺點(diǎn)并不重要光敏電阻雖有它的缺點(diǎn)，但在很多情況下這些缺點(diǎn)并不重要,因而它因而它的應(yīng)用較廣的應(yīng)用較廣.例如遙控設(shè)備的主要要求是靈敏度高而采用光敏電阻。例如遙控設(shè)備的主要要求是靈敏度高而采用光敏電阻。另外，由于很多光敏電阻對紅外線敏感，適宜于在紅外線光譜區(qū)工另外，由于很多光敏電阻對紅外線敏感，適宜于在紅外線光譜區(qū)工作。作。3435光敏電阻的符號(hào)和連接電路如圖所光敏電阻的符號(hào)和連接電路如圖所示。圖示。圖(a)中的輸出電

21、壓中的輸出電壓 與入射與入射光通量的變化成反相，圖光通量的變化成反相，圖(b)中中 與與入射光通量變化成同相。在入射光入射光通量變化成同相。在入射光通量變化范圍一定情況下，為了使通量變化范圍一定情況下，為了使輸出電壓輸出電壓 變化范圍最大，一般變化范圍最大，一般取取 。 三、電路三、電路 當(dāng)入射光通量當(dāng)入射光通量連續(xù)變化時(shí)，連續(xù)變化時(shí)， 為光敏電阻變化的中間值，即為光敏電阻變化的中間值，即當(dāng)入射光通量跳躍變化時(shí)，當(dāng)入射光通量跳躍變化時(shí)， 和和 是指入射光通量是指入射光通量最大和最最大和最小時(shí)的光敏電阻值，可通過實(shí)驗(yàn)得到。同時(shí)，電源小時(shí)的光敏電阻值，可通過實(shí)驗(yàn)得到。同時(shí)，電源E也應(yīng)滿足下式也應(yīng)滿

22、足下式 oVoVoVGLRRGR2/ )(minmaxGGGRRRmaxGRminGR2/)4(maxLRPE 為光敏電阻的最大允許功耗。為光敏電阻的最大允許功耗。 maxP36 1采用光調(diào)制技術(shù)，一般調(diào)制頻率為采用光調(diào)制技術(shù)，一般調(diào)制頻率為8001000Hz。 2制冷或恒溫，使熱噪聲減少。制冷或恒溫，使熱噪聲減少。 3采用合理的偏置，選擇最佳的偏置電流，使信噪比達(dá)到最高。采用合理的偏置，選擇最佳的偏置電流，使信噪比達(dá)到最高。 在圖中，當(dāng)入射光通量變化時(shí)，會(huì)引起在圖中，當(dāng)入射光通量變化時(shí)，會(huì)引起I和和 的同時(shí)變化，使整的同時(shí)變化，使整個(gè)系統(tǒng)線性變壞，噪聲增加。為了降低光敏電阻的噪聲，提高信息個(gè)

23、系統(tǒng)線性變壞，噪聲增加。為了降低光敏電阻的噪聲，提高信息轉(zhuǎn)換精度，可采取以下辦法：轉(zhuǎn)換精度，可采取以下辦法： 恒流偏置電路恒流偏置電路如圖所示。圖中，由如圖所示。圖中，由于采用了穩(wěn)壓管于采用了穩(wěn)壓管D，故，故 不變，使不變，使 不變，不變， 不變，達(dá)到恒流的目的，不變，達(dá)到恒流的目的，這時(shí)，入射光通量的變化僅引起這時(shí)，入射光通量的變化僅引起 電壓的變化。電壓的變化。oVbVbIcIoV37恒壓偏置電路如圖所示。圖恒壓偏置電路如圖所示。圖中，由于采用了穩(wěn)壓管中，由于采用了穩(wěn)壓管D， 故故 不變不變, 也不變。也不變。入射光通量的變化僅引起入射光通量的變化僅引起的變化，可以證明，恒壓偏的變化，可以

24、證明，恒壓偏置的最大特點(diǎn)是光敏電阻的置的最大特點(diǎn)是光敏電阻的靈敏度與光敏電阻的暗阻值靈敏度與光敏電阻的暗阻值無關(guān)，因而互換性好，調(diào)換無關(guān)，因而互換性好，調(diào)換光敏電阻時(shí)不影響儀器的精光敏電阻時(shí)不影響儀器的精度。度。bVeV恒壓偏置電路恒壓偏置電路cI383940增大加于探測器上的直流偏壓可以增大信號(hào)和噪聲輸出，但加偏壓不能過大，只能在允許的條件下增大工作偏壓。 41習(xí)題 1光電導(dǎo)探測器靈敏度與其工作偏流有何關(guān)系?它在實(shí)用中的重要意義是什么? 2光電導(dǎo)探測器響應(yīng)時(shí)間(頻率特性五受哪些因素限制?為什么光電導(dǎo)探測器的工作頻率都不如光伏高，一般上限頻率最高約為多少量級(jí)?實(shí)際使用時(shí)如何改善其頻率響應(yīng)? 3

25、試?yán)L出光電導(dǎo)探測器的等效電路，并進(jìn)一步繪出(1)信號(hào)交流等效電路；(2)噪聲等效電路；(3)信號(hào)、噪聲等效電路。 4光電導(dǎo)探測器的內(nèi)增益與哪些量有關(guān)?為什么說，內(nèi)增益系數(shù)是一個(gè)隨機(jī)變量。 42 4光電發(fā)射和二次電子發(fā)射兩者有哪些不同?簡述光電倍增管的工作原理。 5光電倍增管中倍增極有哪幾種結(jié)構(gòu)?每一種的主要特點(diǎn)是什么? 6如何選擇倍增極之間的級(jí)間電壓? 7分析電阻分壓器的電壓再分配效應(yīng)和負(fù)載電阻的反饋效應(yīng)，怎樣才能減少這些效應(yīng)的影響? 43光生伏特效應(yīng) 光伏型探測器是一種結(jié)型結(jié)構(gòu)的探測器，它是基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)制成的。光伏效應(yīng)是光照射光敏材料時(shí)產(chǎn)生光生電壓的現(xiàn)象。 通過檢測光生電壓，或者

26、檢測探測器回路的光生感應(yīng)電流達(dá)到檢測入射光功率的目的。根據(jù)探測器的具體結(jié)構(gòu)不同，光電探測器可以分為以下幾種：光電池、光電二極管、PIN光電二極管、雪崩光電二極管、光電三極管以及其它派生的光電探測器。光伏探測器的主要特點(diǎn)是：線性好，響應(yīng)速度快，使用方便，它們廣泛應(yīng)用在測量系統(tǒng)。44 光伏探測器與光電導(dǎo)探測器相比較，主要區(qū)別在于： (1)產(chǎn)生光電變換的部位不同，光電導(dǎo)探測器是均值型，光無論照在它的哪一部分，受光部分的電導(dǎo)率都要增大，而光伏探測器是結(jié)型，只有到達(dá)結(jié)區(qū)附近的光才產(chǎn)生光伏效應(yīng)。 (2)光電導(dǎo)探測器沒有極性，工作時(shí)必須外加偏壓，而光伏探測器有確定的正負(fù)極，不需外加偏壓也可以把光信號(hào)變?yōu)殡娦?/p>

27、號(hào)。 (3)光電導(dǎo)探測器的光電效應(yīng)主要依賴于非平衡載流子中的多子產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動(dòng)，弛豫時(shí)間較大，響應(yīng)速度慢，頻率響應(yīng)性能較差。而光伏探測器的光伏效應(yīng)主要依賴于結(jié)區(qū)非平衡載流子中的少于漂移運(yùn)動(dòng)，弛豫時(shí)間較小，因此，響應(yīng)速度快，頻率響應(yīng)特性好。另外，像雪崩二極管和光電三極管還有很大的內(nèi)增益作用，不僅靈敏度高，還可以通過較大的電流。 基于上述特點(diǎn)，光伏探測器的應(yīng)用非常廣泛。一般多用于光度測量、光開關(guān)、報(bào)警系統(tǒng)、圖像識(shí)別、自動(dòng)控制等方面。45 光生伏特效應(yīng)是光照使不均勻半導(dǎo)體或均勻半導(dǎo)體中光生電子和空穴在空間分開而產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。對于不均勻半導(dǎo)體，由于同質(zhì)的半導(dǎo)體不同的摻雜形成的pn結(jié)、不同質(zhì)的半導(dǎo)體

28、組成的異質(zhì)結(jié)或金屬與半導(dǎo)體接觸形成的肖特基勢壘都存在內(nèi)建電場，當(dāng)光照這種半導(dǎo)體時(shí)，由于半導(dǎo)體對光的吸收而產(chǎn)生了光生電子和空穴，它們在內(nèi)建電場的作用下就會(huì)向相反的方向移動(dòng)和積聚而產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象是最重要的一類光生伏特效應(yīng)。對于均勻半導(dǎo)體，由于體內(nèi)沒有內(nèi)建電場，當(dāng)光照這種半導(dǎo)體一部分時(shí)，由于光生載流子濃度梯度的不同而引起載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。但電子和空穴的遷移率不等，由于兩種載流子擴(kuò)散速度的不同而導(dǎo)致兩種電荷的分開，從而出現(xiàn)光生電勢。這種現(xiàn)象稱為丹倍效應(yīng)。此外，如果存在外加磁場，也可使得擴(kuò)散中的兩種載流子向相反方向偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生光生電勢，稱為光磁電效應(yīng)。通常把丹倍效應(yīng)和光磁電效應(yīng)稱為體積光生伏特效

29、應(yīng)。46從晶體管理論可知，當(dāng)把從晶體管理論可知，當(dāng)把N型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，N型半導(dǎo)體中的電子和型半導(dǎo)體中的電子和P型半導(dǎo)體中的空穴就會(huì)互相擴(kuò)散，見圖型半導(dǎo)體中的空穴就會(huì)互相擴(kuò)散，見圖(a)，結(jié)果在結(jié)果在PN區(qū)交界面附近形成一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)，產(chǎn)生如圖區(qū)交界面附近形成一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)，產(chǎn)生如圖(b)所示的內(nèi)電場，方向由所示的內(nèi)電場，方向由N區(qū)指向區(qū)指向P區(qū)。區(qū)。一、原理與結(jié)構(gòu)一、原理與結(jié)構(gòu) 光電池光電池47 硒光電池結(jié)構(gòu)示意圖48硅光電池結(jié)構(gòu)示意圖49當(dāng)光線照射當(dāng)光線照射PN結(jié)時(shí)，結(jié)時(shí)，PN結(jié)將吸收入射光子。如果光子能量超過結(jié)將吸收入射光子。如

30、果光子能量超過半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則由半導(dǎo)體能帶理論可知，在半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則由半導(dǎo)體能帶理論可知，在PN結(jié)附結(jié)附近會(huì)產(chǎn)生電子和空穴。在內(nèi)電場的作用下，空穴移向近會(huì)產(chǎn)生電子和空穴。在內(nèi)電場的作用下，空穴移向P區(qū)，電子區(qū)，電子移向移向N區(qū)，移動(dòng)的結(jié)果，在區(qū)，移動(dòng)的結(jié)果，在N區(qū)聚集大量的電子而帶上負(fù)電，在區(qū)聚集大量的電子而帶上負(fù)電，在P區(qū)聚集大量的空穴而帶上正電。于是在區(qū)聚集大量的空穴而帶上正電。于是在P區(qū)和區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生了電區(qū)之間產(chǎn)生了電勢，成為光生電動(dòng)勢。如果用導(dǎo)線和電阻把勢，成為光生電動(dòng)勢。如果用導(dǎo)線和電阻把N區(qū)和區(qū)和P區(qū)連接起來，區(qū)連接起來，回路中就會(huì)有光電流回路中就會(huì)有光電流I

31、流過，電流方向是由流過，電流方向是由P區(qū)流向區(qū)流向N區(qū)，如圖區(qū)，如圖313-1(c)所示，這就是光電池受光照時(shí)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢和光所示，這就是光電池受光照時(shí)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢和光電流的簡單原理。電流的簡單原理。50光電池的符號(hào)如圖所示，光電池的光電池的符號(hào)如圖所示，光電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等效電路如圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)等效電路如圖(b)所示。所示。從以上分析可知，由光照產(chǎn)生的電從以上分析可知，由光照產(chǎn)生的電子和空穴在內(nèi)電場的作用下才形成子和空穴在內(nèi)電場的作用下才形成光生電動(dòng)勢和光電流。由于內(nèi)電場光生電動(dòng)勢和光電流。由于內(nèi)電場另外，光電池的輸出也受外接負(fù)載電阻大小的影響，如圖所示另外，光電池的輸出也受外接負(fù)載電阻大小的

32、影響，如圖所示. 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)， ，是由摻雜的是由摻雜的P區(qū)和區(qū)和N區(qū)自由擴(kuò)散形成的，故內(nèi)電場的強(qiáng)度是非常有區(qū)自由擴(kuò)散形成的，故內(nèi)電場的強(qiáng)度是非常有限的，就導(dǎo)致了光電池的光電轉(zhuǎn)換效率非常低，最高也只能是百分限的，就導(dǎo)致了光電池的光電轉(zhuǎn)換效率非常低，最高也只能是百分之十幾。之十幾。0LR0USII即輸出電流與入射光通量即輸出電流與入射光通量成線性成線性關(guān)系。關(guān)系。 51上式中，S是光電池的靈敏度。當(dāng)時(shí) ， ，隨著U的增大，PN結(jié)的等效電阻 開始變小，則 開始增大，由于 顯然，顯然，I與與成非線性關(guān)系。當(dāng)成非線性關(guān)系。當(dāng)U繼續(xù)增大到繼續(xù)增大到PN結(jié)的導(dǎo)通電壓時(shí)結(jié)的導(dǎo)通電壓時(shí) ( 非常大時(shí)非常大時(shí))

33、，U就不會(huì)再增大，此時(shí)，就不會(huì)再增大，此時(shí)，PN結(jié)的結(jié)的 變得很小，光變得很小，光照所產(chǎn)生的光電流照所產(chǎn)生的光電流 幾乎全部流向二極管，即幾乎全部流向二極管，即 這時(shí)，在負(fù)載這時(shí)，在負(fù)載RL上除有少量的電流維持上除有少量的電流維持PN結(jié)的導(dǎo)通電壓結(jié)的導(dǎo)通電壓U外，光外，光照產(chǎn)生的光電流幾乎都消耗在光電池內(nèi)部。照產(chǎn)生的光電流幾乎都消耗在光電池內(nèi)部。這種現(xiàn)象也可以從圖這種現(xiàn)象也可以從圖(c)中看出。當(dāng)中看出。當(dāng) 較大時(shí)，光電流流過較大時(shí)，光電流流過 時(shí)，必然使時(shí)，必然使U增大，由于增大，由于U的方向是與內(nèi)電場方向相反，故要削弱的方向是與內(nèi)電場方向相反，故要削弱內(nèi)電場的強(qiáng)度，從而使光生的電子和空穴不

34、能移過內(nèi)電場的強(qiáng)度，從而使光生的電子和空穴不能移過PN結(jié)，使對外結(jié)，使對外輸出的光電流減少。輸出的光電流減少。0LR0UDrDIDIIILRDrIDIIILRLR52光電池的種類光電池的種類硒光電池，氧化亞銅光電池，硫化鉈光電池，硫化鎘光電硒光電池，氧化亞銅光電池，硫化鉈光電池，硫化鎘光電池，鍺光電池，硅光電池，砷化鎵光電池等。池，鍺光電池，硅光電池，砷化鎵光電池等。其中最受重視的是硅光電池，因?yàn)樗幸幌盗械钠渲凶钍苤匾暤氖枪韫怆姵?，因?yàn)樗幸幌盗械膬?yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)，例如例如性能穩(wěn)定性能穩(wěn)定、光譜范圍寬光譜范圍寬、頻率特性好頻率特性好、換能效率高換能效率高、能耐能耐高能輻射高能輻射等。等。硒光電池比硅

35、光電池價(jià)廉，它的光譜峰值位置在人的視覺范圍硒光電池比硅光電池價(jià)廉，它的光譜峰值位置在人的視覺范圍內(nèi)，因而應(yīng)用在不少測量儀器上。內(nèi)，因而應(yīng)用在不少測量儀器上。 。 53二、特性二、特性 1光照特性光照特性 圖圖(a)和圖和圖(b)分別示出分別示出硅光電池和硒光電的硅光電池和硒光電的光照特性，它指光生光照特性，它指光生電動(dòng)勢和光電流與照電動(dòng)勢和光電流與照度的關(guān)系。度的關(guān)系。 光電池的電動(dòng)勢，即光電池的電動(dòng)勢，即開路電壓與照度開路電壓與照度L L成非線性關(guān)系成非線性關(guān)系，在照度，在照度20002000勒克斯照射下就趨向飽和了。勒克斯照射下就趨向飽和了。 光電池的光電池的短路電流與照度成線性關(guān)系短路電

36、流與照度成線性關(guān)系，而且受照結(jié)面積越大，而且受照結(jié)面積越大，短路電流亦越大短路電流亦越大( (可把光電池看成由許多小光電池并聯(lián)而成可把光電池看成由許多小光電池并聯(lián)而成) )。 光電池的所謂短路電流是指外接負(fù)載電阻相對于光電池的內(nèi)阻來光電池的所謂短路電流是指外接負(fù)載電阻相對于光電池的內(nèi)阻來講很小。而光電池在不同照度時(shí)，其內(nèi)阻也不同，所以在不同的講很小。而光電池在不同照度時(shí)，其內(nèi)阻也不同，所以在不同的照度時(shí)可用不同大小的外接負(fù)載近似地滿足照度時(shí)可用不同大小的外接負(fù)載近似地滿足“短路短路”條件。條件。 當(dāng)光電池作為測量元件時(shí)，應(yīng)以電流源的形式來使用。當(dāng)光電池作為測量元件時(shí)，應(yīng)以電流源的形式來使用。5

37、4圖圖(c)(c)示出硒光電池的光照特性與示出硒光電池的光照特性與負(fù)載電阻的關(guān)系。硅光電池也有相負(fù)載電阻的關(guān)系。硅光電池也有相類似的關(guān)系。從圖可類似的關(guān)系。從圖可見見，負(fù)載電阻負(fù)載電阻RLRL越小，光電流和照度的線性關(guān)系越小，光電流和照度的線性關(guān)系越好，且線性范圍較廣越好，且線性范圍較廣。所以光電。所以光電池作為測量元件時(shí)，所用負(fù)載電阻池作為測量元件時(shí)，所用負(fù)載電阻的大小，應(yīng)根據(jù)照度或光強(qiáng)而定。的大小，應(yīng)根據(jù)照度或光強(qiáng)而定。當(dāng)照度較大時(shí)，為保證測量有線性當(dāng)照度較大時(shí)，為保證測量有線性關(guān)系，所用負(fù)載電阻應(yīng)較小。關(guān)系，所用負(fù)載電阻應(yīng)較小。負(fù)載電阻增大時(shí)，光電流變小，而且光照特性的線性區(qū)域亦變小，負(fù)

38、載電阻增大時(shí)，光電流變小，而且光照特性的線性區(qū)域亦變小，這是因?yàn)楣怆姵氐膬?nèi)阻隨照度和電壓而改變。硅光電池的內(nèi)阻一這是因?yàn)楣怆姵氐膬?nèi)阻隨照度和電壓而改變。硅光電池的內(nèi)阻一般屬于低阻范圍，其大小與受光面積和光強(qiáng)有關(guān)，在般屬于低阻范圍，其大小與受光面積和光強(qiáng)有關(guān)，在100100毫瓦毫瓦厘米的厘米的入入射光強(qiáng)下，光電池每平方厘米的內(nèi)阻范圍在射光強(qiáng)下，光電池每平方厘米的內(nèi)阻范圍在15201520歐之歐之間。間。552 2光譜特性光譜特性 光電池的光譜特性決定于所采用的材料。光電池的光譜特性決定于所采用的材料。 圖圖(d)(d)的曲線的曲線1 1和和2 2分別示出硒和分別示出硒和硅光電池的光譜特性。從圖上

39、可硅光電池的光譜特性。從圖上可看出，硒光電池在可見光譜內(nèi)有看出，硒光電池在可見光譜內(nèi)有較高的靈敏度，較高的靈敏度，峰值波長在峰值波長在54005400埃附近，埃附近，它適宜于測量可見光。它適宜于測量可見光。如果硒光電池與適當(dāng)?shù)臑V光片配如果硒光電池與適當(dāng)?shù)臑V光片配合，它的合，它的光譜靈敏度與人的眼睛光譜靈敏度與人的眼睛很接近很接近，可用它客觀地決定照度。，可用它客觀地決定照度。硅光電池可以應(yīng)用的范圍為硅光電池可以應(yīng)用的范圍為400040001100011000埃，埃，峰值波長在峰值波長在85008500埃埃附附近，因此對色溫為近，因此對色溫為2854K2854K的鎢絲燈光源，能得到很好的光譜響應(yīng)

40、。的鎢絲燈光源，能得到很好的光譜響應(yīng)。光電池的光譜峰值位置不僅與制造光電池的材料有關(guān)，也和制造光電池的光譜峰值位置不僅與制造光電池的材料有關(guān)，也和制造工藝有關(guān)，并且隨使用溫度的不同而有所移動(dòng)。工藝有關(guān)，并且隨使用溫度的不同而有所移動(dòng)。563 3伏安特性伏安特性 伏安特性如圖。圖中還畫出負(fù)載伏安特性如圖。圖中還畫出負(fù)載電阻為電阻為0.50.5、l l、3 3千歐的負(fù)載線。千歐的負(fù)載線。光電池的負(fù)載線由光電池的負(fù)載線由 決定。決定。負(fù)載電阻短接或很小時(shí)，負(fù)載線負(fù)載電阻短接或很小時(shí)，負(fù)載線垂直或接近于垂直。它與伏安特垂直或接近于垂直。它與伏安特性的交點(diǎn)為等距離，電流正比于性的交點(diǎn)為等距離，電流正比于

41、照度，數(shù)值也較大。負(fù)載電阻增照度，數(shù)值也較大。負(fù)載電阻增 增大時(shí)，交點(diǎn)的距離不等，例如增大時(shí)，交點(diǎn)的距離不等，例如3 3千歐這條負(fù)載線與伏安特性的交千歐這條負(fù)載線與伏安特性的交點(diǎn)相互間距離不等，即電流不與照度成正比，光照特性不是直線，點(diǎn)相互間距離不等，即電流不與照度成正比，光照特性不是直線，電流也減小。電流也減小。 光電池的積分靈敏度由光通量為光電池的積分靈敏度由光通量為1 1流明所能產(chǎn)生的短路電流決定。流明所能產(chǎn)生的短路電流決定。硅光電池的靈敏度為硅光電池的靈敏度為6 68 8毫安毫安/ /流明，硒光電池的靈敏度約為流明，硒光電池的靈敏度約為0.50.5毫安流明，因而硅光電池的靈敏度比硒高。

42、硅光電池毫安流明，因而硅光電池的靈敏度比硒高。硅光電池的開路電的開路電壓在壓在0.450.450.60.6伏之間。在器件結(jié)構(gòu)相同的情況下，可能達(dá)到的最伏之間。在器件結(jié)構(gòu)相同的情況下，可能達(dá)到的最大開路電壓，硒比硅略微高一些。大開路電壓，硒比硅略微高一些。 IRUL57584 4頻率特性頻率特性 光電池的光電池的PNPN結(jié)或阻擋層的面積大結(jié)或阻擋層的面積大極間電容大，因此頻率特性較差，極間電容大，因此頻率特性較差， 圖圖(f)(f)曲線曲線l l示出硒光電池的頻率特示出硒光電池的頻率特性，它是在負(fù)載電阻為一兆歐時(shí)繪性，它是在負(fù)載電阻為一兆歐時(shí)繪出的。負(fù)載電阻越大，電容的旁路出的。負(fù)載電阻越大，電

43、容的旁路作用越顯著，頻率特性高頻部分的作用越顯著，頻率特性高頻部分的下降越厲害。因此下降越厲害。因此不宜于檢測交變不宜于檢測交變圖圖(f)(f)中的曲線中的曲線2 2，在照度較強(qiáng)和負(fù)載電阻較小的情況下，它的截止，在照度較強(qiáng)和負(fù)載電阻較小的情況下，它的截止頻率最高可達(dá)頻率最高可達(dá)10103030千赫千赫。在低照度時(shí)頻率特性要變差，這是因?yàn)?。在低照度時(shí)頻率特性要變差，這是因?yàn)樵诘驼斩葧r(shí)光電池內(nèi)阻增大的緣故。響應(yīng)速度與結(jié)電容和負(fù)載電阻在低照度時(shí)光電池內(nèi)阻增大的緣故。響應(yīng)速度與結(jié)電容和負(fù)載電阻的乘積有關(guān)。的乘積有關(guān)。如欲改善頻率特性，需減小負(fù)載電阻或減小光電池的如欲改善頻率特性，需減小負(fù)載電阻或減小光

44、電池的面積，使它的結(jié)電容減小。面積，使它的結(jié)電容減小。此外，響應(yīng)速度還與少數(shù)載流子的壽命此外，響應(yīng)速度還與少數(shù)載流子的壽命和擴(kuò)散時(shí)間等有關(guān)。和擴(kuò)散時(shí)間等有關(guān)。光通量光通量。硅光電池的頻率特性要好一些，。硅光電池的頻率特性要好一些， 595 5溫度特性溫度特性 圖圖(g)(g)示出硅光電池的開路電壓和短示出硅光電池的開路電壓和短路電流與溫度路電流與溫度T T的關(guān)系。的關(guān)系。 硅光電池的硅光電池的開路電壓隨溫度升高而開路電壓隨溫度升高而降低降低，溫度每升高，溫度每升高l l度，電壓下降度，電壓下降2323毫伏。毫伏。短路電流隨著溫度升高，短路電流隨著溫度升高，開始增大。當(dāng)溫度超過開始增大。當(dāng)溫度超

45、過7070度左右時(shí)，度左右時(shí)，溫度升高，電流下降。溫度升高，電流下降。硅光電池在強(qiáng)輻射下性能也是穩(wěn)定的。對于硒光電池，在強(qiáng)光照硅光電池在強(qiáng)輻射下性能也是穩(wěn)定的。對于硒光電池，在強(qiáng)光照射時(shí)性能變化很大，這主要是由于此時(shí)體內(nèi)已起了變化或表面的射時(shí)性能變化很大，這主要是由于此時(shí)體內(nèi)已起了變化或表面的硒被氧化所造成的。光電池的可靠性好，壽命也較長，它們除與硒被氧化所造成的。光電池的可靠性好，壽命也較長，它們除與制造材料、工藝有關(guān)外，還和使用的情況有關(guān)，因此合理地使用制造材料、工藝有關(guān)外，還和使用的情況有關(guān)，因此合理地使用光電池，也是保證性能穩(wěn)定，可靠性好，壽命長的重要環(huán)節(jié)。光電池，也是保證性能穩(wěn)定，可

46、靠性好，壽命長的重要環(huán)節(jié)。60光電池的使用：光電池的使用： 光電池在受強(qiáng)光照射或聚焦光照射的情況下，應(yīng)該考慮光電池的光電池在受強(qiáng)光照射或聚焦光照射的情況下，應(yīng)該考慮光電池的工作溫度及散熱措施。如果硒光電池的結(jié)溫超過工作溫度及散熱措施。如果硒光電池的結(jié)溫超過50度、硅光電池度、硅光電池的結(jié)溫超過的結(jié)溫超過200度時(shí)，就要破壞它們的晶體結(jié)構(gòu)，造成損壞。度時(shí)，就要破壞它們的晶體結(jié)構(gòu)，造成損壞。通常通常硅光電池使用的結(jié)溫不允許超過硅光電池使用的結(jié)溫不允許超過125度。度。 硅光電池是由薄的硅片制成，極脆，使用時(shí)應(yīng)特別小心。硅光電池硅光電池是由薄的硅片制成，極脆，使用時(shí)應(yīng)特別小心。硅光電池的固定不宜用壓

47、緊法，應(yīng)采用膠粘法。由于硅光電池和座子的膨脹的固定不宜用壓緊法，應(yīng)采用膠粘法。由于硅光電池和座子的膨脹系數(shù)不可能相同，所以也不宜用極牢固的膠合劑系數(shù)不可能相同，所以也不宜用極牢固的膠合劑(如環(huán)氧樹脂、如環(huán)氧樹脂、502膠等膠等)，應(yīng)采用柔軟而富有彈性的膠合劑，應(yīng)采用柔軟而富有彈性的膠合劑(如蜂蠟、硬柏油、清凡力如蜂蠟、硬柏油、清凡力水、萬能膠等水、萬能膠等)。硅光電池的表面通常鍍有一層增透膜，使用時(shí)應(yīng)避免硬物接觸表硅光電池的表面通常鍍有一層增透膜，使用時(shí)應(yīng)避免硬物接觸表面。表面如有臟物，可以用酒精棉花輕輕擦拭。若增透膜脫落，面。表面如有臟物，可以用酒精棉花輕輕擦拭。若增透膜脫落，將使硅光電池的

48、輸出略有下降，但仍可使用。將使硅光電池的輸出略有下降，但仍可使用。硅光電池的引線很嬌嫩，不能拉力太大，以免脫落。硅光電池的引線很嬌嫩，不能拉力太大，以免脫落。61三、電路三、電路 1. 光電池用作太陽能電池光電池用作太陽能電池 當(dāng)光電池用作太陽能電池時(shí)，是當(dāng)光電池用作太陽能電池時(shí)，是把光能直接轉(zhuǎn)換成電能，需要最把光能直接轉(zhuǎn)換成電能，需要最大的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。這時(shí)大的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。這時(shí)光電池的受光面積往往做得比較光電池的受光面積往往做得比較大，或把多個(gè)光電池作串、并聯(lián)大，或把多個(gè)光電池作串、并聯(lián)連接，再將它們置于太陽光的照連接，再將它們置于太陽光的照射下，就成為把光能轉(zhuǎn)換成電能射下，就

49、成為把光能轉(zhuǎn)換成電能的太陽電池。光電池用作太陽能的太陽電池。光電池用作太陽能電池時(shí)的電路如圖所示。在黑夜電池時(shí)的電路如圖所示。在黑夜或光線微弱時(shí)，為防止蓄電池經(jīng)或光線微弱時(shí)，為防止蓄電池經(jīng)過光電池放電而設(shè)置二極管過光電池放電而設(shè)置二極管D。 62光電池用作檢測元件使用時(shí)的電路如圖所示，此電路可實(shí)現(xiàn)光電池用作檢測元件使用時(shí)的電路如圖所示，此電路可實(shí)現(xiàn)光電池的線性輸出。對光電池而言，近似等于光電池的線性輸出。對光電池而言，近似等于0.0.圖中，圖中，。 式中，式中，S為光電池的靈敏度，為光電池的靈敏度，是入射到光電池的光通量是入射到光電池的光通量 2 2光電池用作檢測元件光電池用作檢測元件SRIR

50、Vffo263314 光敏二極管光敏二極管(PD)光敏二極管是一種用光敏二極管是一種用PN結(jié)單向?qū)щ娊Y(jié)單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)型光電信息轉(zhuǎn)換器件。性的結(jié)型光電信息轉(zhuǎn)換器件。 一、結(jié)構(gòu)和工作原理一、結(jié)構(gòu)和工作原理 與一般半導(dǎo)體二極管類似，其與一般半導(dǎo)體二極管類似，其PNPN結(jié)裝在管子的頂部，以便使結(jié)裝在管子的頂部，以便使光線集中在光敏面，光敏二極管的外形結(jié)構(gòu)如圖（光線集中在光敏面，光敏二極管的外形結(jié)構(gòu)如圖（a a）所示）所示。 光敏二極管工作時(shí)加反向偏壓，圖光敏二極管工作時(shí)加反向偏壓，圖(b)，加反向偏壓的目的是加，加反向偏壓的目的是加一個(gè)方向與一個(gè)方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向一致的外電場，克服了光電池弱點(diǎn)，結(jié)

51、內(nèi)電場方向一致的外電場，克服了光電池弱點(diǎn)，線性特性和頻率特性將徹底改善，線性特性和頻率特性將徹底改善，光電流的輸出僅受光照強(qiáng)弱變化光電流的輸出僅受光照強(qiáng)弱變化的影響，與負(fù)載電阻的大小無關(guān)。的影響，與負(fù)載電阻的大小無關(guān)。無光照時(shí)，光敏二極管工作在截?zé)o光照時(shí)，光敏二極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，只有少數(shù)載流子在反向偏壓作用下，渡越阻擋層，形成微止?fàn)顟B(tài)，只有少數(shù)載流子在反向偏壓作用下，渡越阻擋層，形成微小的反向電流，即小的反向電流，即暗電流暗電流。光敏二極管受光照時(shí)，。光敏二極管受光照時(shí)，PNPN結(jié)附近受光子結(jié)附近受光子轟擊吸收其能量而產(chǎn)生電子空穴對，從而使轟擊吸收其能量而產(chǎn)生電子空穴對，從而使P P區(qū)和區(qū)和

52、N N區(qū)的少數(shù)載流子區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，在外加電場和內(nèi)電場的共同作用下，濃度大大增加，在外加電場和內(nèi)電場的共同作用下，P P區(qū)的電子渡區(qū)的電子渡越阻擋層進(jìn)入越阻擋層進(jìn)入N N區(qū)，區(qū)，N N區(qū)的空穴進(jìn)人區(qū)的空穴進(jìn)人P P區(qū)，從而使通過區(qū)，從而使通過PNPN結(jié)的方向電結(jié)的方向電流大大增加，這就形成了流大大增加，這就形成了光電流光電流。 641光照特性光照特性 圖圖(a)(a)畫出了硅光敏二極管的光電流畫出了硅光敏二極管的光電流I I與照與照度度L L的特性曲線。從圖上可看出，它的光照的特性曲線。從圖上可看出，它的光照特性線性較好，適合于檢測方面的應(yīng)用。特性線性較好，適合于檢測方面的應(yīng)用。

53、，光譜特性決定于所采用的材料，圖光譜特性決定于所采用的材料，圖3 31 142(b)42(b)示出了鍺的光譜響應(yīng)曲示出了鍺的光譜響應(yīng)曲線。由圖可知，它的響應(yīng)光譜長波限線。由圖可知，它的響應(yīng)光譜長波限為為1800018000埃，短波限在埃，短波限在40004000埃附近，埃附近，最最靈敏的響應(yīng)波長大約靈敏的響應(yīng)波長大約14000140001500015000埃埃之間。之間。硅的光譜特性可見圖硅的光譜特性可見圖(b)(b)，它的，它的最靈敏響應(yīng)波長在最靈敏響應(yīng)波長在8000800090009000埃之間。埃之間。二、特性二、特性2光譜特性光譜特性 硅光敏二極管在入射光波長為硅光敏二極管在入射光波長

54、為90009000埃處，其光譜靈敏度不小于埃處，其光譜靈敏度不小于0 04 4微安微瓦。微安微瓦。65 圖圖(c)(c)示出了硅光敏二極管的實(shí)示出了硅光敏二極管的實(shí)際伏安特性曲線，由光照控制的際伏安特性曲線，由光照控制的光敏二極管，與由基極控制的晶光敏二極管，與由基極控制的晶體三極管的工作情況相類似，因體三極管的工作情況相類似，因而光敏二極管在不同照度下的伏而光敏二極管在不同照度下的伏安特性，與一般晶體管在不同基安特性，與一般晶體管在不同基極電流下的輸出特性相似。由此極電流下的輸出特性相似。由此可知，光敏二極管對光信號(hào)的作可知，光敏二極管對光信號(hào)的作用，正像一般晶體管在基極上加用，正像一般晶體

55、管在基極上加上電信號(hào)時(shí)的放大作用一樣。上電信號(hào)時(shí)的放大作用一樣。光敏二極管在外加電壓為零時(shí)仍有電流，這是光生伏特效應(yīng)所產(chǎn)光敏二極管在外加電壓為零時(shí)仍有電流，這是光生伏特效應(yīng)所產(chǎn)生的短路電流。生的短路電流。 3伏安特性伏安特性 664頻率特性頻率特性 (a)(a)結(jié)電容結(jié)電容( (一般小于一般小于2020微微法微微法) )和雜散電容，因它與負(fù)載電阻并聯(lián)，和雜散電容，因它與負(fù)載電阻并聯(lián)，負(fù)載電阻越大，它的高額旁路作用越顯著，高頻響應(yīng)變差。負(fù)載電負(fù)載電阻越大，它的高額旁路作用越顯著，高頻響應(yīng)變差。負(fù)載電阻小，能使高頻響應(yīng)改善，但輸出電壓要減小，兩者應(yīng)同時(shí)考慮，阻小，能使高頻響應(yīng)改善，但輸出電壓要減小

56、，兩者應(yīng)同時(shí)考慮，以選擇合適的負(fù)載電阻。在負(fù)載電阻為以選擇合適的負(fù)載電阻。在負(fù)載電阻為l l千歐的情況下，截止頻率千歐的情況下，截止頻率可達(dá)可達(dá)1.51.5兆赫或更高；兆赫或更高； (b)(b)光生載流子在薄層中的擴(kuò)散時(shí)間及光生載流子在薄層中的擴(kuò)散時(shí)間及PNPN結(jié)結(jié)( (耗盡層或阻擋層耗盡層或阻擋層) )中的中的漂移時(shí)間，前者與入射光的波長有關(guān)。當(dāng)波長超過某限度漂移時(shí)間，前者與入射光的波長有關(guān)。當(dāng)波長超過某限度( (材料對材料對長波的吸收系數(shù)小長波的吸收系數(shù)小) )，入射光可透過二極管，入射光可透過二極管PNPN結(jié)而到達(dá)體內(nèi)結(jié)而到達(dá)體內(nèi)(N(N區(qū)區(qū)) )較較深部位幾十到上千微米，它激發(fā)的光生載

57、流子要擴(kuò)散到深部位幾十到上千微米，它激發(fā)的光生載流子要擴(kuò)散到PNPN結(jié)后才能結(jié)后才能形成光電流。這一擴(kuò)散時(shí)間限制了對長波光的頻率響應(yīng)。形成光電流。這一擴(kuò)散時(shí)間限制了對長波光的頻率響應(yīng)。 光敏二極管的頻率響應(yīng)與下述因素有關(guān)：光敏二極管的頻率響應(yīng)與下述因素有關(guān)： 波長較短的光生載流子大部分產(chǎn)生在波長較短的光生載流子大部分產(chǎn)生在PNPN結(jié)內(nèi)，沒有體內(nèi)擴(kuò)散時(shí)間結(jié)內(nèi)，沒有體內(nèi)擴(kuò)散時(shí)間的問題，而且頻率響應(yīng)要好得多。對硅二極管，由波長不同引起的問題，而且頻率響應(yīng)要好得多。對硅二極管，由波長不同引起的響應(yīng)時(shí)間可相差的響應(yīng)時(shí)間可相差102102108108倍。倍。675溫度特性溫度特性 光敏二極管在電壓不變光敏

58、二極管在電壓不變(50(50伏伏) )和照度不變和照度不變的情況下，其光電流的情況下，其光電流 隨溫度隨溫度T T而變而變?nèi)鐖D。在精密光電測量中要注意溫度對測如圖。在精密光電測量中要注意溫度對測量精度的影響，橋式電路是減小溫度影響量精度的影響，橋式電路是減小溫度影響的措施之一。在用調(diào)制光照射時(shí)，可采用的措施之一。在用調(diào)制光照射時(shí)，可采用交流放大器以抑制變化較慢的溫度影響。交流放大器以抑制變化較慢的溫度影響。6 6暗電流暗電流 圖示出的曲線圖示出的曲線l l和和2 2各為鍺和硅光敏二極各為鍺和硅光敏二極管的暗電流隨溫度管的暗電流隨溫度T T而變化的曲線而變化的曲線。溫溫度升高，半導(dǎo)體受熱激發(fā)，少

59、數(shù)載流子度升高，半導(dǎo)體受熱激發(fā)，少數(shù)載流子增加，使暗電流增加。增加，使暗電流增加。硅器件的暗電流硅器件的暗電流及其溫度系數(shù)都比鍺器件小，因此對鍺及其溫度系數(shù)都比鍺器件小，因此對鍺器件需要適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償。器件需要適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償。使使用時(shí)要注用時(shí)要注意不使管殼側(cè)面沾污。否則會(huì)引起漏電意不使管殼側(cè)面沾污。否則會(huì)引起漏電流，使暗電流變大。流，使暗電流變大。 光敏二極管體積小，靈敏度高，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快，易于獲得光敏二極管體積小，靈敏度高，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快，易于獲得定向性，光譜在可見和紅外區(qū)，它在檢測和自動(dòng)控制中用得較多。定向性，光譜在可見和紅外區(qū)，它在檢測和自動(dòng)控制中用得較多。 0I68697

60、071光敏二極管的輸出電路和等效電路。圖光敏二極管的輸出電路和等效電路。圖(a)(a)和圖和圖(b)(b)的差別是輸出電的差別是輸出電壓壓U U是反向的。因?yàn)槭欠聪虻?。因?yàn)?，由圖，由圖(c)(c)可知，可知， 上式中，上式中，S S是光敏二是光敏二極管的靈敏度，極管的靈敏度，是是入射到光敏二極管的入射到光敏二極管的光通量，光通量， 是等效是等效有此可見，為了得到有此可見，為了得到較大的輸出電壓，除串接較大的較大的輸出電壓，除串接較大的R R外，外，后級(jí)電后級(jí)電路的輸入阻抗應(yīng)盡可能大些。在圖路的輸入阻抗應(yīng)盡可能大些。在圖(c)(c)中，中，C C是結(jié)電容，一般較小，是結(jié)電容，一般較小，故在中頻