光敏電阻、光電池ppt課件

1、光敏電阻光敏電阻 一、構(gòu)造與原理一、構(gòu)造與原理 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帶躍升到導(dǎo)帶時，導(dǎo)帶中的電阻和價帶中的空穴二者均參與導(dǎo)電，因此電阻顯著減小，稱為光敏電阻。 本征光電導(dǎo)效應(yīng)可用來檢測可見光和近紅外輻射。本征光電導(dǎo)效應(yīng)可用來檢測可見光和近紅外輻射。 假設(shè)入射光子從雜質(zhì)能級躍升到導(dǎo)帶假設(shè)入射光子從雜質(zhì)能級躍升到導(dǎo)帶(非本征光電導(dǎo)非本征光電導(dǎo))，那么，那么N型型資料的電導(dǎo)率增大。當(dāng)光子能量使電子由價帶躍升到資料的電導(dǎo)率增大。當(dāng)光子能量使電子由價帶躍升到P型主能級，型主能級，從而使價帶中留有可挪動的空穴時，從而使價帶中留有可挪動的空穴時，P型

2、資料就會出現(xiàn)非本征光型資料就會出現(xiàn)非本征光電導(dǎo)。電導(dǎo)。 非本征光電導(dǎo)體主要檢測波長很長的輻射非本征光電導(dǎo)體主要檢測波長很長的輻射 用于超越用于超越5微米的波段。微米的波段。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)探測器廣泛運(yùn)用在工業(yè)自動化、攝影機(jī)自動測光等監(jiān)控系統(tǒng)，也廣泛運(yùn)用于目前其他探測器難以實(shí)現(xiàn)的紅外丈量系統(tǒng)。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)的根底。光照半導(dǎo)體資料時，假設(shè)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)生光生載流子。采取一定的措施合理利用這

3、些光生載流子，便可以制出各種光子效應(yīng)探測器。光生載流子光生載流子 在光輻射作用下，半導(dǎo)體資料吸收入射光子的能量，使束縛態(tài)的電荷產(chǎn)生能級躍遷而變成自在電荷，這些由光激發(fā)產(chǎn)生的載流子稱為光生載流子。相對于熱平衡形狀下由熱激發(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。光電探測器的任務(wù)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，從而到達(dá)光檢測的目的。 本征吸收本征吸收 本征吸收指光照半導(dǎo)體資料時，價帶中的電子吸收入射光子的能量躍遷到導(dǎo)帶中去，這種激發(fā)過程稱為半導(dǎo)體的本征吸收。在本征

4、吸收過程中，價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，同時在價帶中留下空穴，產(chǎn)生了電子空穴對。與熱平衡形狀相比，在導(dǎo)帶中多出了一部分電子，在價帶中多出了一部分空穴，它們是由于光照而產(chǎn)生的載流子，稱為光生載流子。在光照時，半導(dǎo)體中總的載流子濃度比熱平衡形狀下載流子濃度大。本征吸收產(chǎn)生的條件是入射光子的能量必需大于資料的禁帶寬度，雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收 摻有雜質(zhì)的半導(dǎo)體資料，在光照時也會產(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帶。施主釋放束縛電子到導(dǎo)帶、受主釋放束縛空穴到價帶所需的能量稱為雜質(zhì)的電離能和。 光電導(dǎo)探測器的構(gòu)造 光

5、電導(dǎo)探測器的構(gòu)造很簡單，只需在一塊勻質(zhì)的半導(dǎo)體兩端裝上電極就可以構(gòu)成一個光敏電阻。 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。由于各種器件運(yùn)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 為量子產(chǎn)額，即吸收一個光子所產(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)兩極間的渡越時間。 光電導(dǎo)的弛豫 光電導(dǎo)是非平衡載流子效應(yīng)，因此有一定的弛豫景象：光照射到樣品后，光電導(dǎo)逐漸添加，最后到達(dá)定態(tài)。光照停頓，光電導(dǎo)在一段時間內(nèi)逐漸消逝。這

6、種弛豫景象表現(xiàn)了光電導(dǎo)對光強(qiáng)變化反響的快慢。光電導(dǎo)上升或下降的時間就是弛豫時間，或稱為呼應(yīng)時間(惰性)。顯然，弛豫時間長，表示光電導(dǎo)反響慢，這時稱慣性大；弛豫時間短，即光電導(dǎo)反響快，稱慣性小。從光電導(dǎo)的機(jī)構(gòu)來看，弛豫景象表現(xiàn)為在光強(qiáng)變化時，光生載流子的積累和消逝的過程。因此，要討論弛豫景象，必需研討光生載流子的產(chǎn)生與復(fù)合。 光電導(dǎo)的馳豫決議在迅速變化的光強(qiáng)下，一個光電器件能否有效任務(wù)的問題。 在分析定態(tài)光電導(dǎo)和光強(qiáng)之間的關(guān)系時，雖然實(shí)踐情況比較復(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等許多資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)

7、，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)下那么為拋物線性光電導(dǎo)。 光敏電阻任務(wù)機(jī)理較復(fù)雜，但構(gòu)造簡單，光敏電阻任務(wù)機(jī)理較復(fù)雜，但構(gòu)造簡單，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，如下圖。加上電極即成，如下圖。1光譜呼應(yīng)相當(dāng)寬光譜呼應(yīng)相當(dāng)寬根據(jù)不同的光電導(dǎo)資料，光敏電阻根據(jù)不同的光電導(dǎo)資料，光敏電阻的靈敏域可在紫外光區(qū)，可見光區(qū)，的靈敏域可在紫外光區(qū)，可見光區(qū)，也可在紅外區(qū)和遠(yuǎn)紅外區(qū)。也可在紅外區(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所測的光強(qiáng)范圍寬，即可對強(qiáng)光呼應(yīng)，也可對弱光呼應(yīng)。所測的光強(qiáng)范圍寬

8、，即可對強(qiáng)光呼應(yīng)，也可對弱光呼應(yīng)。3無極性之分，運(yùn)用方便，本錢低，壽命長。無極性之分，運(yùn)用方便，本錢低，壽命長。4靈敏度高，任務(wù)電流大，可達(dá)數(shù)毫安靈敏度高，任務(wù)電流大，可達(dá)數(shù)毫安 運(yùn)用時必需在光敏電阻兩端加上電壓，普通再串一個負(fù)載電阻，構(gòu)成閉合回路。當(dāng)光照光敏電阻時，其電導(dǎo)率發(fā)生變化，電阻值隨之變化，那么流經(jīng)整個回路的電流發(fā)生變化。負(fù)載上電流的變化反映了光照信號的變化。在負(fù)載上取出其變化信號，便到達(dá)了檢測入射光信號的目的。光照時，光敏電阻的電阻值通常稱為明電阻或亮電阻，無光照時的電阻稱為暗電阻。 模型構(gòu)造表示圖偏置電路等效電路二、特性二、特性 1光照特性 圖示出硫化鎘光敏電阻的光照特性。光敏電

9、阻受光照時的電流與不受光照時的電流之差，稱光電流。由于有上述的光電流放大作用，它的靈敏度高，光照特性為非線性。在適用范圍內(nèi)，它們的關(guān)系可表示如下： I經(jīng)過光敏電阻的電流；經(jīng)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)，普通近于電壓指數(shù)，普通近于1； b 照度指數(shù)。照度指數(shù)。 baLKUI 光譜特性與所用的資料光譜特性與所用的資料有關(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，

10、硫化鉛光敏電2光譜特性光譜特性 光敏電阻的光譜分布，不僅和資料的性質(zhì)有關(guān)，也和工藝過程有關(guān)。光敏電阻的光譜分布，不僅和資料的性質(zhì)有關(guān)，也和工藝過程有關(guān)。例如硫化鎘光敏電阻，隨著摻銅濃度的添加，光譜峰值由例如硫化鎘光敏電阻，隨著摻銅濃度的添加，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。 本征光電導(dǎo)光譜特性3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的伏安特性。假為零和某值時的伏安特性

11、。假設(shè)所加電壓越高，那么光電流設(shè)所加電壓越高，那么光電流越大而且無飽和景象。對于大越大而且無飽和景象。對于大多數(shù)半導(dǎo)體，電場強(qiáng)度超越多數(shù)半導(dǎo)體，電場強(qiáng)度超越10伏厘米時才開場不遵照歐姆伏厘米時才開場不遵照歐姆定律。只需硫化鎘是例外，它定律。只需硫化鎘是例外，它的伏安特性在的伏安特性在100多伏時就產(chǎn)生多伏時就產(chǎn)生轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)而不再呈線性了。光敏電阻的最高運(yùn)用電壓由它的耗散折點(diǎn)而不再呈線性了。光敏電阻的最高運(yùn)用電壓由它的耗散功率所決議，而耗散功率又和面積大小、散熱情況等有關(guān)。功率所決議，而耗散功率又和面積大小、散熱情況等有關(guān)。由于伏安特性成線性，光敏電阻除用積分靈敏度外，用比靈敏度也由于伏安特性成線

12、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 光敏電阻被照射時和黑暗時的電流差；光敏電阻被照射時和黑暗時的電流差； 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了解的，由于在一樣的光通量下，光敏電路的電流與電壓成正容易了解的，由于在一樣的光通量下，光敏電路的電流與電壓成正比。普通需求經(jīng)過幾百小時后，光敏電阻的靈敏度才趨穩(wěn)定。光敏比。普通需求經(jīng)過幾百小時后，光敏

13、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)/(UISb4頻率特性頻率特性 圖(d)的曲線l和2分別表示出硫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差，這是由于光敏電阻的導(dǎo)電性與被俘獲的載流子有關(guān)，當(dāng)入射光強(qiáng)上升時，被俘獲的自在載流子到相應(yīng)的數(shù)值需求一定時間；同樣，入射光強(qiáng)降低時，被俘獲的電荷釋放出來也是比較定時間；同樣，入射光強(qiáng)降低時，被俘獲的電荷釋放出來也是比較慢的，光敏電阻的阻值，要花一段時間后才干到達(dá)相應(yīng)的數(shù)值慢的，光敏電阻的阻值，要花一段時間后才干到達(dá)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。有時以時間常數(shù)闡

14、明頻率呼應(yīng)的，故其頻率特性較差。有時以時間常數(shù)闡明頻率呼應(yīng)的好壞。當(dāng)光敏電阻忽然遭到光照時，電導(dǎo)率上升到最終值的好壞。當(dāng)光敏電阻忽然遭到光照時，電導(dǎo)率上升到最終值的63所所花的時間，被稱為上升時間常數(shù)。同樣，降低時間常數(shù)是把器件忽花的時間，被稱為上升時間常數(shù)。同樣，降低時間常數(shù)是把器件忽然黑暗時，其導(dǎo)電率降到起始值的然黑暗時，其導(dǎo)電率降到起始值的37(即降低即降低63)所花的時間。所花的時間。5疲憊特性疲憊特性 圖(e)的曲線l和2分別表示出型號不同的兩種硫化鎘光敏電阻的疲憊特性。初制成的光敏電阻，由于體內(nèi)機(jī)構(gòu)的不穩(wěn)定，以及電阻體與其介質(zhì)間的作用還沒有到達(dá)平衡，所以性能是不夠穩(wěn)定的。在人為地加

15、溫、光照及加負(fù)載情況下，經(jīng)一至二個星期的老化，性在人為地加溫、光照及加負(fù)載情況下，經(jīng)一至二個星期的老化，性能可到達(dá)穩(wěn)定。光敏電阻在開場一段時間的老化過程中，有些樣品能可到達(dá)穩(wěn)定。光敏電阻在開場一段時間的老化過程中，有些樣品阻值上升了，有些樣品阻值下降了，各不一樣，但最后總能到達(dá)一阻值上升了，有些樣品阻值下降了，各不一樣，但最后總能到達(dá)一個穩(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)定性而被廣泛地運(yùn)用在自動化技術(shù)上。度的穩(wěn)定性而被廣泛地運(yùn)用在自動化技術(shù)上。 6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

16、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。有時為了提所示。有時為了提高靈敏度，將元件降溫運(yùn)高靈敏度，將元件降溫運(yùn)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，光敏電阻黑暗時電流上升，光照時的電流添加不隨著溫度的升高，光敏電阻黑暗時電流上升，光照時的電流添加不多。因此，它的光電流下降，即光電靈敏度下降。不同資料的光敏多。因此，它的光電流下降，即光電靈敏度下降。不同資料的光敏電阻，溫度特性也不一樣，普通硫化鎘的溫度特性比硒化鎘好，硫電阻

17、，溫度特性也不一樣，普通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挪動。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挪動。為了使元件對波長較長的光有較高的呼應(yīng)，有時也可采用降溫措施。有較高的呼應(yīng)，有時也可采用降溫措施。體積小，分量輕，構(gòu)造簡單而結(jié)實(shí)，允許的光電流大，任務(wù)壽命長；體積小，分量輕，構(gòu)造簡單而結(jié)實(shí)，允許的光電流大，任務(wù)壽命長； 光敏電阻在黑

18、暗時的電阻值普通大于10兆歐，假設(shè)它被光線照射，電阻值顯著降低，稱為亮阻，約在幾萬歐以下。暗阻和亮阻之比在 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，這對光敏電阻的任務(wù)不利。光敏電阻有以下優(yōu)點(diǎn)：光敏電阻有以下優(yōu)點(diǎn)： 7暗電阻和暗電流暗電阻和暗電流 210610型號一樣的光敏電阻的參數(shù)也參差不齊，光照特性的非線性使它不型號一樣的光敏電阻的參數(shù)也參差不齊，光照特性的非線性使它不適宜于丈量要求線性的場所。適宜于丈量要求線性的場所。缺陷缺陷光敏電阻雖有它的缺陷，但在很多情況下這些缺陷并不重要光敏電阻雖有它的缺陷，但在很多情況下這些缺陷并不重要,因此它因此它的運(yùn)用較廣的運(yùn)用較

19、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。光敏電阻的符號和銜接電路如下圖。光敏電阻的符號和銜接電路如下圖。圖圖(a)中的輸出電壓中的輸出電壓 與入射光通與入射光通量的變化成反相，圖量的變化成反相，圖(b)中中 與入射與入射光通量變化成同相。在入射光通量光通量變化成同相。在入射光通量變化范圍一定情況下，為了使輸出變化范圍一定情況下，為了使輸出電壓電壓 變化范圍最大，普通變化范圍最大，普通取取 。 三、電路三、電路 當(dāng)

20、入射光通量延續(xù)變化時， 為光敏電阻變化的中間值，即當(dāng)入射光通量騰躍變化時，當(dāng)入射光通量騰躍變化時， 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的光敏電阻值，可經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得到。同時，電源小時的光敏電阻值，可經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得到。同時，電源E也應(yīng)滿足下式也應(yīng)滿足下式 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。 maxP 1采用光調(diào)制技術(shù)，普通調(diào)制頻率為8001000Hz。 2制冷或恒溫，使熱噪聲減少。 3采用合理的偏置，選擇最正確的偏置電流，使信噪比到達(dá)最高。 在圖中，當(dāng)入射光通量變

21、化時，會引起I和 的同時變化，使整個系統(tǒng)線性變壞，噪聲添加。為了降低光敏電阻的噪聲，提高信息轉(zhuǎn)換精度，可采取以下方法： 恒流偏置電路如下圖。圖中，由于恒流偏置電路如下圖。圖中，由于采用了穩(wěn)壓管采用了穩(wěn)壓管D，故，故 不變，使不變，使 不變，不變， 不變，到達(dá)恒流的目的，不變，到達(dá)恒流的目的，這時，入射光通量的變化僅引起這時，入射光通量的變化僅引起 電壓的變化。電壓的變化。oVbVbIcIoV恒壓偏置電路如下圖。圖中，恒壓偏置電路如下圖。圖中，由于采用了穩(wěn)壓管由于采用了穩(wěn)壓管D， 故故 不變不變, 也不變。入射光也不變。入射光通量的變化僅引起通量的變化僅引起的變化，可以證明，恒壓偏的變化，可以證

22、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)，因此互換性好，互換無關(guān)，因此互換性好，互換光敏電阻時不影響儀器的精光敏電阻時不影響儀器的精度。度。bVeV恒壓偏置電路恒壓偏置電路cI增大加于探測器上的直流偏壓可以增大信號和噪聲輸出，但加偏壓不能過大，只能在允許的條件下增大任務(wù)偏壓。 習(xí)題 1光電導(dǎo)探測器靈敏度與其任務(wù)偏流有何關(guān)系?它在適用中的重要意義是什么? 2光電導(dǎo)探測器呼應(yīng)時間(頻率特性五受哪些要素限制?為什么光電導(dǎo)探測器的任務(wù)頻率都不如光伏高，普通上限頻率最高約為多少量級?實(shí)踐運(yùn)用時如何改善其頻率呼應(yīng)? 3試?yán)L出光電導(dǎo)探測器

23、的等效電路，并進(jìn)一步繪出(1)信號交流等效電路；(2)噪聲等效電路；(3)信號、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)是一個隨機(jī)變量。 4光電發(fā)射和二次電子發(fā)射兩者有哪些不同?簡述光電倍增管的任務(wù)原理。 5光電倍增管中倍增極有哪幾種構(gòu)造?每一種的主要特點(diǎn)是什么? 6如何選擇倍增極之間的級間電壓? 7分析電阻分壓器的電壓再分配效應(yīng)和負(fù)載電阻的反響效應(yīng)，怎樣才干減少這些效應(yīng)的影響? 光生伏特效應(yīng) 光伏型探測器是一種結(jié)型構(gòu)造的探測器，它是基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)制成的。光伏效應(yīng)是光照射光敏資料時產(chǎn)生光生電壓的景象。 經(jīng)過檢測光生電壓，或者檢測探測器回路的光生感應(yīng)電流

24、到達(dá)檢測入射光功率的目的。根據(jù)探測器的詳細(xì)構(gòu)造不同，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，呼應(yīng)速度快，運(yùn)用方便，它們廣泛運(yùn)用在丈量系統(tǒng)。 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，只需到達(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，任務(wù)時必需外加偏壓，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變?yōu)殡娦盘枴?(3)光電導(dǎo)探測器的光電效

25、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，弛豫時間較大，呼應(yīng)速度慢，頻率呼應(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，弛豫時間較小，因此，呼應(yīng)速度快，頻率呼應(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，還可以經(jīng)過較大的電流。 基于上述特點(diǎn)，光伏探測器的運(yùn)用非常廣泛。普通多用于光度丈量、光開關(guān)、報警系統(tǒng)、圖像識別、自動控制等方面。 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)生電位差的景象。對于不均勻半導(dǎo)體，由于同質(zhì)的半導(dǎo)體不同的摻雜構(gòu)成的pn結(jié)、不同質(zhì)的半導(dǎo)體組成的異質(zhì)結(jié)或金屬與半導(dǎo)體接觸構(gòu)成的

26、肖特基勢壘都存在內(nèi)建電場，當(dāng)光照這種半導(dǎo)體時，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向相反的方向挪動和積聚而產(chǎn)生電位差，這種景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，由于光生載流子濃度梯度的不同而引起載流子的分散運(yùn)動。但電子和空穴的遷移率不等，由于兩種載流子分散速度的不同而導(dǎo)致兩種電荷的分開，從而出現(xiàn)光生電勢。這種景象稱為丹倍效應(yīng)。此外，假設(shè)存在外加磁場，也可使得分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應(yīng)。從晶體管實(shí)際可知，當(dāng)把從晶體管實(shí)

27、際可知，當(dāng)把N型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合在一同時，型半導(dǎo)體結(jié)合在一同時，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)體中的空穴就會相互分散，見圖型半導(dǎo)體中的空穴就會相互分散，見圖(a)，結(jié)果在結(jié)果在PN區(qū)交界面附近構(gòu)成一個很薄的空間電荷區(qū)，產(chǎn)生如圖區(qū)交界面附近構(gòu)成一個很薄的空間電荷區(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、原理與構(gòu)造一、原理與構(gòu)造 光電池光電池 硒光電池構(gòu)造表示圖硅光電池構(gòu)造表示圖當(dāng)光線照射當(dāng)光線照射PN結(jié)時，結(jié)時，PN結(jié)將吸收入射光子。假設(shè)光子能量超越結(jié)將吸收入射光子。假設(shè)光子能量超越半導(dǎo)體資料的禁帶寬度，那么由半導(dǎo)體能帶

28、實(shí)際可知，在半導(dǎo)體資料的禁帶寬度，那么由半導(dǎo)體能帶實(shí)際可知，在PN結(jié)結(jié)附近會產(chǎn)生電子和空穴。在內(nèi)電場的作用下，空穴移向附近會產(chǎn)生電子和空穴。在內(nèi)電場的作用下，空穴移向P區(qū)，電區(qū)，電子移向子移向N區(qū)，挪動的結(jié)果，在區(qū)，挪動的結(jié)果，在N區(qū)聚集大量的電子而帶上負(fù)電，區(qū)聚集大量的電子而帶上負(fù)電，在在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)生了區(qū)之間產(chǎn)生了電勢，成為光生電動勢。假設(shè)用導(dǎo)線和電阻把電勢，成為光生電動勢。假設(shè)用導(dǎo)線和電阻把N區(qū)和區(qū)和P區(qū)銜接起區(qū)銜接起來，回路中就會有光電流來，回路中就會有光電流I流過，電流方向是由流過，電流方向是由P區(qū)流向區(qū)流

29、向N區(qū)，如區(qū)，如圖圖313-1(c)所示，這就是光電池受光照時產(chǎn)生光生電動勢和所示，這就是光電池受光照時產(chǎn)生光生電動勢和光電流的簡單原理。光電流的簡單原理。光電池的符號如下圖，光電池的內(nèi)光電池的符號如下圖，光電池的內(nèi)部構(gòu)造等效電路如圖部構(gòu)造等效電路如圖(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)電場的作用下才構(gòu)成子和空穴在內(nèi)電場的作用下才構(gòu)成光生電動勢和光電流。由于內(nèi)電場光生電動勢和光電流。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，如下圖另外，光電池的輸出也受外接負(fù)載電阻大小的影響，如下圖. 當(dāng)當(dāng) 時，時， ，是由摻雜的是由摻雜的P區(qū)

30、和區(qū)和N區(qū)自在分散構(gòu)成的，故內(nèi)電場的強(qiáng)度是非常有區(qū)自在分散構(gòu)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。 上式中，S是光電池的靈敏度。當(dāng)時 ， ，隨著U的增大，PN結(jié)的等效電阻 開場變小，那么 開場增大，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)通電壓時結(jié)的導(dǎo)通電壓時 ( 非常大時非常大時)，U就不會再增大，此時，就不會再增大，此時，PN結(jié)的結(jié)的 變得

31、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，在負(fù)載這時，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)生的光電流幾乎都耗費(fèi)在光電池內(nèi)部。照產(chǎn)生的光電流幾乎都耗費(fèi)在光電池內(nèi)部。這種景象也可以從圖這種景象也可以從圖(c)中看出。當(dāng)中看出。當(dāng) 較大時，光電流流過較大時，光電流流過 時，必然使時，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，故要減弱的方向是與內(nèi)電場方向相反，故要減弱內(nèi)電場的強(qiáng)度，從而使光生的電子和空穴不能移過內(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

32、外結(jié)，使對外輸出的光電流減少。輸出的光電流減少。0LR0UDrDIDIIILRDrIDIIILRLR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。其中最受注重的是硅光電池，由于它有一系列的優(yōu)點(diǎn)，其中最受注重的是硅光電池，由于它有一系列的優(yōu)點(diǎn)，例如性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、換能效率高、能耐例如性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、換能效率高、能耐高能輻射等。高能輻射等。硒光電池比硅光電池價廉，它的光譜峰值位置在人的視覺范圍硒光電池比硅光

33、電池價廉，它的光譜峰值位置在人的視覺范圍內(nèi)，因此運(yùn)用在不少丈量儀器上。內(nèi)，因此運(yùn)用在不少丈量儀器上。 。 二、特性二、特性 1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，它指光生電動勢和光電流與照電動勢和光電流與照度的關(guān)系。度的關(guān)系。 光電池的電動勢，即開路電壓與照度光電池的電動勢，即開路電壓與照度L L成非線性關(guān)系，在照度成非線性關(guān)系，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。 光電池的短路電流與照度成線性關(guān)系，而且受照結(jié)面積越大，光電池的短路電流與照度成線性關(guān)系，而且受照結(jié)面積越大，短路電

34、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，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，其內(nèi)阻也不同，所以在不同的照度時可用不同大小的外接負(fù)載近似地滿足照度時可用不同大小的外接負(fù)載近似地滿足“短路條件。短路條件。 當(dāng)光電池作為丈量元件時，應(yīng)以電流源的方式來運(yùn)用。當(dāng)光電池作為丈量元件時，應(yīng)以電流源的方式來運(yùn)用。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

35、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。從圖可見，負(fù)載電阻類似的關(guān)系。從圖可見，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。所以光電越好，且線性范圍較廣。所以光電池作為丈量元件時，所用負(fù)載電阻池作為丈量元件時，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，為保證丈量有線性當(dāng)照度較大時，為保證丈量有線性關(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，光電流變小，而且光照特性的線性區(qū)域亦變小，負(fù)載電阻增大時，光電流變小，而且光照特性的線性區(qū)域亦變小，這是由于光電池

36、的內(nèi)阻隨照度和電壓而改動。硅光電池的內(nèi)阻普這是由于光電池的內(nèi)阻隨照度和電壓而改動。硅光電池的內(nèi)阻普通屬于低阻范圍，其大小與受光面積和光強(qiáng)有關(guān)，在通屬于低阻范圍，其大小與受光面積和光強(qiáng)有關(guān)，在100100毫瓦毫瓦厘米的入射光強(qiáng)下，光電池每平方厘米的內(nèi)阻范圍在厘米的入射光強(qiáng)下，光電池每平方厘米的內(nèi)阻范圍在15201520歐之歐之間。間。2 2光譜特性光譜特性 光電池的光譜特性決議于所采用的資料。光電池的光譜特性決議于所采用的資料。 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

37、可見光譜內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在較高的靈敏度，峰值波長在54005400埃附近，它適宜于丈量可見光。埃附近，它適宜于丈量可見光。假設(shè)硒光電池與適當(dāng)?shù)臑V光片配假設(shè)硒光電池與適當(dāng)?shù)臑V光片配合，它的光譜靈敏度與人的眼睛合，它的光譜靈敏度與人的眼睛很接近，可用它客觀地決議照度。很接近，可用它客觀地決議照度。硅光電池可以運(yùn)用的范圍為硅光電池可以運(yùn)用的范圍為400040001100011000埃，峰值波長在埃，峰值波長在85008500埃附埃附近，因此對色溫為近，因此對色溫為2854K2854K的鎢絲燈光源，能得到很好的光譜呼應(yīng)。的鎢絲燈光源，能得到很好的光譜呼應(yīng)。光電池的光譜峰值位置不僅與制造光電池

38、的資料有關(guān)，也和制造光電池的光譜峰值位置不僅與制造光電池的資料有關(guān)，也和制造工藝有關(guān)，并且隨運(yùn)用溫度的不同而有所挪動。工藝有關(guān)，并且隨運(yùn)用溫度的不同而有所挪動。3 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 決議。決議。負(fù)載電阻短接或很小時，負(fù)載線負(fù)載電阻短接或很小時，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)為等間隔，電流正比于性的交點(diǎn)為等間隔，電流正比于照度，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，交點(diǎn)的間隔不

39、等，例如增大時，交點(diǎn)的間隔不等，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)相互間間隔不等，即電流不與照度成正比，光照特性不是直線，點(diǎn)相互間間隔不等，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)生的短路電流決議。流明所能產(chǎn)生的短路電流決議。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，因此硅光電池的靈敏度比硒高。硅光電池的開路電毫安流明，因此硅光電池的靈敏度比硒高。硅光電池的開路電壓在壓在

40、0.450.450.60.6伏之間。在器件構(gòu)造一樣的情況下，能夠到達(dá)的最伏之間。在器件構(gòu)造一樣的情況下，能夠到達(dá)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。 IRUL4 4頻率特性頻率特性 光電池的光電池的PNPN結(jié)或阻撓層的面積大結(jié)或阻撓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)載電阻為一兆歐時繪性，它是在負(fù)載電阻為一兆歐時繪出的。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。因此不

41、宜于檢測交變下降越厲害。因此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。在低照度時頻率特性要變差，這是由于千赫。在低照度時頻率特性要變差，這是由于在低照度光陰電池內(nèi)阻增大的緣故。呼應(yīng)速度與結(jié)電容和負(fù)載電阻在低照度光陰電池內(nèi)阻增大的緣故。呼應(yīng)速度與結(jié)電容和負(fù)載電阻的乘積有關(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面積，使它的結(jié)電容減小。此外，呼應(yīng)速度還與少數(shù)載流子的壽命面積，使它的結(jié)電容減小

42、。此外，呼應(yīng)速度還與少數(shù)載流子的壽命和分散時間等有關(guān)。和分散時間等有關(guān)。光通量。硅光電池的頻率特性要好一些，光通量。硅光電池的頻率特性要好一些， 5 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。 硅光電池的開路電壓隨溫度升高而硅光電池的開路電壓隨溫度升高而降低，溫度每升高降低，溫度每升高l l度，電壓下降度，電壓下降2323毫伏。短路電流隨著溫度升高，毫伏。短路電流隨著溫度升高，開場增大。當(dāng)溫度超越開場增大。當(dāng)溫度超越7070度左右時，度左右時，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

43、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)光照射時性能變化很大，這主要是由于此時體內(nèi)已起了變化或外表的射時性能變化很大，這主要是由于此時體內(nèi)已起了變化或外表的硒被氧化所呵斥的。光電池的可靠性好，壽命也較長，它們除與硒被氧化所呵斥的。光電池的可靠性好，壽命也較長，它們除與制造資料、工藝有關(guān)外，還和運(yùn)用的情況有關(guān)，因此合理地運(yùn)用制造資料、工藝有關(guān)外，還和運(yùn)用的情況有關(guān)，因此合理地運(yùn)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，可靠性好，壽命長的重要環(huán)節(jié)。光電池的運(yùn)用：光電池的運(yùn)用： 光電池在受強(qiáng)光照射或聚焦光照射的情

44、況下，應(yīng)該思索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)該思索光電池的任務(wù)溫度及散熱措施。假設(shè)硒光電池的結(jié)溫超越任務(wù)溫度及散熱措施。假設(shè)硒光電池的結(jié)溫超越5050度、硅光電池度、硅光電池的結(jié)溫超越的結(jié)溫超越200200度時，就要破壞它們的晶體構(gòu)造，呵斥損壞。通常度時，就要破壞它們的晶體構(gòu)造，呵斥損壞。通常硅光電池運(yùn)用的結(jié)溫不允許超越硅光電池運(yùn)用的結(jié)溫不允許超越125125度。度。 硅光電池是由薄的硅片制成，極脆，運(yùn)用時應(yīng)特別小心。硅光電池硅光電池是由薄的硅片制成，極脆，運(yùn)用時應(yīng)特別小心。硅光電池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的固定不宜用壓緊法，應(yīng)采用膠粘法。

45、由于硅光電池和座子的膨脹系數(shù)不能夠一樣，所以也不宜用極結(jié)實(shí)的膠合劑系數(shù)不能夠一樣，所以也不宜用極結(jié)實(shí)的膠合劑( (如環(huán)氧樹脂、如環(huán)氧樹脂、502502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) )。硅光電池的外表通常鍍有一層增透膜，運(yùn)用時應(yīng)防止硬物接觸表硅光電池的外表通常鍍有一層增透膜，運(yùn)用時應(yīng)防止硬物接觸表面。外表如有臟物，可以用酒精棉花悄然擦拭。假設(shè)增透膜零落，面。外表如有臟物，可以用酒精棉花悄然擦拭。假設(shè)增透膜零落，將使硅光電池的輸出略有下降，但仍可運(yùn)用。將使硅光電池的輸出略有下降

46、，但仍可運(yùn)用。硅光電池的引線很柔嫩，不能拉力太大，以免零落。硅光電池的引線很柔嫩，不能拉力太大，以免零落。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，是當(dāng)光電池用作太陽能電池時，是把光能直接轉(zhuǎn)換成電能，需求最把光能直接轉(zhuǎn)換成電能，需求最大的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。這光大的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。這光陰電池的受光面積往往做得比較陰電池的受光面積往往做得比較大，或把多個光電池作串、并聯(lián)大，或把多個光電池作串、并聯(lián)銜接，再將它們置于太陽光的照銜接，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

47、池。光電池用作太陽能電池時的電路如下圖。在黑夜或電池時的電路如下圖。在黑夜或光線微弱時，為防止蓄電池經(jīng)過光線微弱時，為防止蓄電池經(jīng)過光電池放電而設(shè)置二極管光電池放電而設(shè)置二極管D D。 光電池用作檢測元件運(yùn)用時的電路如下圖，此電路可實(shí)現(xiàn)光電池用作檢測元件運(yùn)用時的電路如下圖，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 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SRIRVffo23 31 14 4 光敏二極管光敏二極管(PD)

48、(PD)光敏二極管是一種用光敏二極管是一種用PNPN結(jié)單導(dǎo)游電結(jié)單導(dǎo)游電性的結(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、構(gòu)造和任務(wù)原理一、構(gòu)造和任務(wù)原理 與普通半導(dǎo)體二極管類似，其與普通半導(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，光敏二極管的外形構(gòu)造如圖光線集中在光敏面，光敏二極管的外形構(gòu)造如圖a a所示。所示。 光敏二極管任務(wù)時加反向偏壓，圖光敏二極管任務(wù)時加反向偏壓，圖(b)(b)，加反向偏壓的目的是加，加反向偏壓的目的是加一個方向與一個方向與PNPN結(jié)內(nèi)電場方向一致的外電場，抑制了光電池弱點(diǎn)，線結(jié)內(nèi)電場方向一致的外電場，抑制了光

49、電池弱點(diǎn)，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)弱變化的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)弱變化的影響，與負(fù)載電阻的大小無關(guān)。無光照時，光敏二極管任務(wù)在截止影響，與負(fù)載電阻的大小無關(guān)。無光照時，光敏二極管任務(wù)在截止形狀，只需少數(shù)載流子在反向偏壓作用下，渡越阻撓層，構(gòu)成微小形狀，只需少數(shù)載流子在反向偏壓作用下，渡越阻撓層，構(gòu)成微小的反向電流，即暗電流。光敏二極管受光照時，的反向電流，即暗電流。光敏二極管受光照時，PNPN結(jié)附近受光子轟結(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N N區(qū)的少數(shù)載流子濃區(qū)的少數(shù)載流

50、子濃度大大添加，在外加電場和內(nèi)電場的共同作用下，度大大添加，在外加電場和內(nèi)電場的共同作用下，P P區(qū)的電子渡越區(qū)的電子渡越阻撓層進(jìn)入阻撓層進(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)，從而使經(jīng)過區(qū)，從而使經(jīng)過PNPN結(jié)的方向電流結(jié)的方向電流大大添加，這就構(gòu)成了光電流。大大添加，這就構(gòu)成了光電流。 1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，適宜于檢測方面的運(yùn)用。特性線性較好，適宜于檢測方面的運(yùn)用。 ，光譜特性決議于所采用的資料，圖光譜

51、特性決議于所采用的資料，圖3 31 142(b)42(b)示出了鍺的光譜呼應(yīng)曲示出了鍺的光譜呼應(yīng)曲線。由圖可知，它的呼應(yīng)光譜長波限線。由圖可知，它的呼應(yīng)光譜長波限為為1800018000埃，短波限在埃，短波限在40004000埃附近，最埃附近，最靈敏的呼應(yīng)波長大約靈敏的呼應(yīng)波長大約14000140001500015000埃埃之間。硅的光譜特性可見圖之間。硅的光譜特性可見圖(b)(b)，它的，它的最靈敏呼應(yīng)波長在最靈敏呼應(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為90009000埃處，其光譜靈敏度

52、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。 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)踐伏安特性曲線，由光照控制的踐伏安特性曲線，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任務(wù)情況相類似，因體三極管的任務(wù)情況相類似，因此光敏二極管在不同照度下的伏此光敏二極管在不同照度下的伏安特性，與普通晶體管在不同基安特性，與普通晶體管在不同基極電流下的輸出特性類似。由此極電流下的輸出特性類似。由此可知，光敏二極管對光信號的作可知，光敏二極管對光信號的作用，正像普通晶體管在基極上加用，正像普通晶體管在基極上加上電信號時的放大作用一樣。上

53、電信號時的放大作用一樣。光敏二極管在外加電壓為零時仍有電流，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 4頻率特性頻率特性 (a)(a)結(jié)電容結(jié)電容( (普通小于普通小于2020悄然法悄然法) )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，高頻呼應(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，高頻呼應(yīng)變差。負(fù)載電阻小，能使高頻呼應(yīng)改善，但輸出電壓要減小，兩者應(yīng)同時思索，阻小，能使高頻呼應(yīng)改善，但輸出電壓要減小，兩者應(yīng)同時思索，以選擇適宜的負(fù)載電阻。在負(fù)

54、載電阻為以選擇適宜的負(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分散時間及光生載流子在薄層中的分散時間及PNPN結(jié)結(jié)( (耗盡層或阻撓層耗盡層或阻撓層) )中的中的漂移時間，前者與入射光的波長有關(guān)。當(dāng)波長超越某限制漂移時間，前者與入射光的波長有關(guān)。當(dāng)波長超越某限制( (資料對資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)的光生載流子要分散到深部位幾十到上千微米，它激發(fā)的光

55、生載流子要分散到PNPN結(jié)后才干結(jié)后才干構(gòu)成光電流。這一分散時間限制了對長波光的頻率呼應(yīng)。構(gòu)成光電流。這一分散時間限制了對長波光的頻率呼應(yīng)。 光敏二極管的頻率呼應(yīng)與下述要素有關(guān)：光敏二極管的頻率呼應(yīng)與下述要素有關(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)分散時間結(jié)內(nèi)，沒有體內(nèi)分散時間的問題，而且頻率呼應(yīng)要好得多。對硅二極管，由波長不同引起的問題，而且頻率呼應(yīng)要好得多。對硅二極管，由波長不同引起的呼應(yīng)時間可相差的呼應(yīng)時間可相差102102108108倍。倍。5溫度特性溫度特性 光敏二極管在電壓不變光敏二極管在電壓不變(50(50伏伏) )和照度不變

56、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。在精細(xì)光電丈量中要留意溫度對丈如圖。在精細(xì)光電丈量中要留意溫度對丈量精度的影響，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，可采用的措施之一。在用調(diào)制光照射時，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。溫而變化的曲線。溫度升高，半導(dǎo)體受熱激發(fā)，少數(shù)載流子度升高，半導(dǎo)體受熱激發(fā)，少數(shù)載流子添加

57、，使暗電流添加。硅器件的暗電流添加，使暗電流添加。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，因此對鍺器件需求適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償。運(yùn)用時要留器件需求適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償。運(yùn)用時要留意不使管殼側(cè)面沾污。否那么會引起漏意不使管殼側(cè)面沾污。否那么會引起漏電流，使暗電流變大。電流，使暗電流變大。 光敏二極管體積小，靈敏度高，穩(wěn)定性好，呼應(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，呼應(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)，它在檢測和自動控制中用得較多。 0I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

58、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。由于是反向的。由于 ，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，為了得到較大的輸出電壓，除串接較大的有此可見，為了得到較大的輸出電壓，除串接較大的R R外，后級電外，后級電路的輸入阻抗應(yīng)盡能夠大些。在圖路的輸入阻抗應(yīng)盡能夠大些。在圖(c)(c)中，中，C C是結(jié)電容，普通較小，是結(jié)電容，普通較小，故在中頻內(nèi)可忽略，但在高頻時不能忽略，故在中頻內(nèi)可忽略，但在高頻時

59、不能忽略，C C直接影響光敏二極管直接影響光敏二極管的高頻特性。的高頻特性。計算光敏二極管的上限頻率計算光敏二極管的上限頻率 。負(fù)載電阻，即是負(fù)載電阻，即是R R和后級電路輸入阻抗的并聯(lián)值。和后級電路輸入阻抗的并聯(lián)值。 三、電路三、電路SiLLLRSRiuLRHfLRIUmax707.02maxUUHf)/1(RCjUIIIjRCjLjLjLjLjeRCURCJURCjRIRCjIU2maxmax)(111/12)(12LjRC2LjHRCLjHRCf21當(dāng)當(dāng) 時得時得而而令令得：得：從這里看出，減少負(fù)載電阻從這里看出，減少負(fù)載電阻 ，可使上限頻率，可使上限頻率 提高。提高。這結(jié)論對其他光電信

60、息轉(zhuǎn)換器件也適用。這結(jié)論對其他光電信息轉(zhuǎn)換器件也適用。LRHf在前面討論在前面討論P(yáng)NPN結(jié)的光電效應(yīng)時已指出，結(jié)的光電效應(yīng)時已指出，PNPN結(jié)光生電流主要由耗結(jié)光生電流主要由耗盡區(qū)電子一空穴對在外加電場與內(nèi)電場作用下的漂移運(yùn)動構(gòu)成的。盡區(qū)電子一空穴對在外加電場與內(nèi)電場作用下的漂移運(yùn)動構(gòu)成的。由于電場主要分布在耗盡區(qū)內(nèi)，所以載流子的漂移運(yùn)動速度很快。由于電場主要分布在耗盡區(qū)內(nèi)，所以載流子的漂移運(yùn)動速度很快。普通來講，耗盡區(qū)的電場足以使載流子的漂移速度到達(dá)極限值。在普通來講，耗盡區(qū)的電場足以使載流子的漂移速度到達(dá)極限值。在分散區(qū)，由于場的分布趨于零，載流子的運(yùn)動是分散運(yùn)動，所以運(yùn)分散區(qū)，由于場的