第3章 半導(dǎo)體光電檢測(cè)器件及應(yīng)用2-光電池

1、v光電池是根據(jù)光生伏特效應(yīng)制成的將光能轉(zhuǎn)換成電光電池是根據(jù)光生伏特效應(yīng)制成的將光能轉(zhuǎn)換成電能的一種器件。能的一種器件。vPNPN結(jié)的光生伏特效應(yīng)：當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射結(jié)的光生伏特效應(yīng)：當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射PNPN結(jié)結(jié)時(shí)，由于內(nèi)建場(chǎng)的作用（不加外電場(chǎng)），光生電子時(shí)，由于內(nèi)建場(chǎng)的作用（不加外電場(chǎng)），光生電子拉向拉向n n區(qū)，光生空穴拉向區(qū)，光生空穴拉向p p區(qū)，相當(dāng)于區(qū)，相當(dāng)于PNPN結(jié)上加一個(gè)結(jié)上加一個(gè)正電壓。正電壓。v半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（光生電壓）；如將半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（光生電壓）；如將PNPN結(jié)短結(jié)短路，則會(huì)出現(xiàn)電流（光生電流）。路，則會(huì)出現(xiàn)電流（光生電流）。3.2.1 光電池光電池3

2、.2 光生伏特器件光生伏特器件光電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)光電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)v光電池核心部分是一個(gè)光電池核心部分是一個(gè)PN結(jié)，一般作成面積結(jié)，一般作成面積大的薄片狀，來(lái)接收更多的入射光。大的薄片狀，來(lái)接收更多的入射光。v在在N型硅片上擴(kuò)散型硅片上擴(kuò)散P型雜質(zhì)（如硼），如型雜質(zhì)（如硼），如2CR型型 受光面是受光面是P型層型層v或在或在P型硅片上擴(kuò)散型硅片上擴(kuò)散N型雜質(zhì)（如磷），如型雜質(zhì)（如磷），如2DR型，受光面型，受光面是是N型層型層v受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保護(hù)作用保護(hù)作用v上電極做成柵狀，為了更多的光入射上電極做成柵狀，為了更多的光入射v由于光子

3、入射深度有限，為使光照到由于光子入射深度有限，為使光照到PNPN結(jié)上，結(jié)上， 實(shí)際使用的光電池制成薄實(shí)際使用的光電池制成薄P P型或薄型或薄N N型。型。符號(hào)符號(hào)光電池的特性光電池的特性v1 伏安特性伏安特性 無(wú)光照時(shí)，光電池伏安特性無(wú)光照時(shí)，光電池伏安特性曲線與普通半導(dǎo)體二極管相同。曲線與普通半導(dǎo)體二極管相同。 有光照時(shí)，沿電流軸方向平有光照時(shí)，沿電流軸方向平移，平移幅度與光照度成正比。移，平移幅度與光照度成正比。 曲線與電壓軸交點(diǎn)稱為開(kāi)路曲線與電壓軸交點(diǎn)稱為開(kāi)路電壓電壓VOC，與電流軸交點(diǎn)稱為，與電流軸交點(diǎn)稱為短路電流短路電流ISC。光電池伏安特性曲線光電池伏安特性曲線0dexp() 1L

4、pLqIIIU I RkT0ddpIIqURR為光電池等效電路中的恒流源為光電池等效二極管反向飽和電流,為電子電荷量為光電池輸出電壓為光電池等效電路中串聯(lián)電阻，很小，可以忽略0exp() 1LpqUIIIkT光電池等效電路光電池等效電路00ln(1)0pocscpscIIkTUqIUIII當(dāng)，得到開(kāi)路電壓當(dāng)，得到短路電流與入射光強(qiáng)度成正比開(kāi)路電壓與入射光強(qiáng)度的對(duì)數(shù)成正比 連接方式：開(kāi)路電壓輸出連接方式：開(kāi)路電壓輸出-(a) 短路電流輸出短路電流輸出-(b) 光電池在不同的光強(qiáng)照射下可產(chǎn)生不同的光電流和光光電池在不同的光強(qiáng)照射下可產(chǎn)生不同的光電流和光生電動(dòng)勢(shì)。生電動(dòng)勢(shì)。 短路電流在很大范圍內(nèi)與光

5、強(qiáng)成線性關(guān)系。短路電流在很大范圍內(nèi)與光強(qiáng)成線性關(guān)系。 開(kāi)路電壓隨光強(qiáng)變化是非線性的，并且當(dāng)照度在開(kāi)路電壓隨光強(qiáng)變化是非線性的，并且當(dāng)照度在2000lx時(shí)趨于飽和。時(shí)趨于飽和。2 光電池的光照特性光電池的光照特性開(kāi)路電壓輸出：非線性開(kāi)路電壓輸出：非線性( (電壓電壓-光強(qiáng)光強(qiáng)) )，靈敏度高，靈敏度高短路電流輸出：線性好短路電流輸出：線性好( (電流電流-光強(qiáng)光強(qiáng)) ) ，靈敏度低，靈敏度低開(kāi)關(guān)測(cè)量（開(kāi)路電壓輸出），線性檢測(cè)（短路電流開(kāi)關(guān)測(cè)量（開(kāi)路電壓輸出），線性檢測(cè)（短路電流輸出）輸出）10010102103電流密度電流密度J/uAmm-210-210-110102103104103歐姆歐姆1

6、0歐姆歐姆102歐姆歐姆光電池在不同負(fù)載下的光電特性光電池在不同負(fù)載下的光電特性3 光電池負(fù)載特性光電池負(fù)載特性光電池輸出電壓，電流及功率隨負(fù)載變化的關(guān)系特性光電池輸出電壓，電流及功率隨負(fù)載變化的關(guān)系特性0100200300Voc/V200400400RMULPLILRL/歐姆歐姆v負(fù)載負(fù)載RL的增大線性范圍也越來(lái)越小。的增大線性范圍也越來(lái)越小。v因此，在要求輸出電流與光照度成線性關(guān)系時(shí)，因此，在要求輸出電流與光照度成線性關(guān)系時(shí)，負(fù)載電阻在條件許可的情況下越小越好，并限負(fù)載電阻在條件許可的情況下越小越好，并限制在適當(dāng)?shù)墓庹辗秶鷥?nèi)使用制在適當(dāng)?shù)墓庹辗秶鷥?nèi)使用。v4 時(shí)間和頻率響應(yīng)時(shí)間和頻率響應(yīng)

7、硅光電池頻率特性硅光電池頻率特性好好 硒光電池頻率特性差硒光電池頻率特性差 硅光電池是目前使用最廣泛的光電池硅光電池是目前使用最廣泛的光電池 v要得到短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小的負(fù)載電阻要得到短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小的負(fù)載電阻RL；v光電池面積越大則響應(yīng)時(shí)間越大，因?yàn)楣怆姵孛娣e光電池面積越大則響應(yīng)時(shí)間越大，因?yàn)楣怆姵孛娣e越大則結(jié)電容越大則結(jié)電容Cj越大，在給定負(fù)載時(shí)，時(shí)間常數(shù)就越大，在給定負(fù)載時(shí)，時(shí)間常數(shù)就越大，故要求短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小面積光電越大，故要求短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小面積光電池。池。開(kāi)路電壓下降大約開(kāi)路電壓下降大約2 3mV/度度短路電流上升大約短路電流上升大約10-5 10-

8、3mA/度度n5 溫度特性溫度特性 隨著溫度的上升，硅光電池的光譜響應(yīng)向長(zhǎng)波方隨著溫度的上升，硅光電池的光譜響應(yīng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，開(kāi)路電壓下降，短路電流上升。光電池做向移動(dòng)，開(kāi)路電壓下降，短路電流上升。光電池做探測(cè)器件時(shí)，測(cè)量?jī)x器應(yīng)考慮溫度的漂移，要進(jìn)行探測(cè)器件時(shí)，測(cè)量?jī)x器應(yīng)考慮溫度的漂移，要進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償。v硅光電池硅光電池 響應(yīng)波長(zhǎng)響應(yīng)波長(zhǎng)0.4-1.1微米，微米， 峰值波長(zhǎng)峰值波長(zhǎng)0.8-0.9微米。微米。v硒光電池硒光電池 響應(yīng)波長(zhǎng)響應(yīng)波長(zhǎng)0.34-0.75微米，微米， 峰值波長(zhǎng)峰值波長(zhǎng)0.54微米。微米。6 光譜響應(yīng)度光譜響應(yīng)度光電池的應(yīng)用光電池的應(yīng)用v1、光電檢測(cè)器件光電檢測(cè)器件 利

9、用光電池做探測(cè)器有頻率響應(yīng)高，光電流隨光利用光電池做探測(cè)器有頻率響應(yīng)高，光電流隨光照度線性變化等特點(diǎn)。照度線性變化等特點(diǎn)。v2、將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能、將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能 實(shí)際應(yīng)用中，把硅光電池經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)組成電池實(shí)際應(yīng)用中，把硅光電池經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)組成電池組組。硅太陽(yáng)能電池v硅太陽(yáng)能電池包括單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能硅太陽(yáng)能電池包括單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池、非晶硅太陽(yáng)能電池。電池、非晶硅太陽(yáng)能電池。v單晶硅太陽(yáng)能電池在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為單晶硅太陽(yáng)能電池在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為23%,而規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽(yáng)能電池而規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽(yáng)能電池,其效率為其效率為15%。v多晶硅半導(dǎo)

10、體材料的價(jià)格比較低廉多晶硅半導(dǎo)體材料的價(jià)格比較低廉,但是由于它存在著但是由于它存在著較多的晶粒間界而有較多的弱點(diǎn)。多晶硅太陽(yáng)能電池較多的晶粒間界而有較多的弱點(diǎn)。多晶硅太陽(yáng)能電池的實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為的實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率率為為10%。非晶硅太陽(yáng)能電池v非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池組件的制造采用薄膜工非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池組件的制造采用薄膜工藝藝, 具有較多的優(yōu)點(diǎn)具有較多的優(yōu)點(diǎn),例如例如:沉積溫度低、襯底材沉積溫度低、襯底材料價(jià)格較低廉料價(jià)格較低廉,能夠?qū)崿F(xiàn)大面積沉積。能夠?qū)崿F(xiàn)大面積沉積。 v非晶硅的可見(jiàn)光吸收系數(shù)比單晶硅大非晶硅的可見(jiàn)光吸收系數(shù)比單晶硅大

11、,是單晶硅是單晶硅的的40倍倍,1微米厚的非晶硅薄膜微米厚的非晶硅薄膜,可以吸引大約可以吸引大約90%有用的太陽(yáng)光能。有用的太陽(yáng)光能。v非晶硅太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性較差非晶硅太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性較差, 從而影響了從而影響了它的迅速發(fā)展。它的迅速發(fā)展。 化合物太陽(yáng)能電池化合物太陽(yáng)能電池 v三五族化合物電池和二六族化合物電池。三五族化合物電池和二六族化合物電池。v三五族化合物電池主要三五族化合物電池主要有有GaAs電池電池、InP電池、電池、GaSb電池等電池等;v二六族化合物電池主要有二六族化合物電池主要有CaS/CuInSe電池、電池、CaS/CdTe電池等。電池等。v在三五族化合物太陽(yáng)能電池在三五

12、族化合物太陽(yáng)能電池中中,GaAs電池的轉(zhuǎn)換效電池的轉(zhuǎn)換效率最高率最高,可達(dá)可達(dá)28%;GaAs 化合物太陽(yáng)能電池化合物太陽(yáng)能電池vGa是其它產(chǎn)品的副產(chǎn)品是其它產(chǎn)品的副產(chǎn)品,非常稀少珍貴非常稀少珍貴;As 不是稀不是稀有元素有元素,有毒。有毒。vGaAs化合物材料尤其適用于制造高效電池和多結(jié)化合物材料尤其適用于制造高效電池和多結(jié)電池電池,這是由于這是由于GaAs具有十分理想的光學(xué)帶隙以及具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率。較高的吸收效率。 vGaAs 化合物太陽(yáng)能電池雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)化合物太陽(yáng)能電池雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn),但是但是GaAs材料的價(jià)格不菲材料的價(jià)格不菲,因而在很大程度上限制了因而在

13、很大程度上限制了用用GaAs電池的普及。電池的普及。 太陽(yáng)能太陽(yáng)能v太陽(yáng)能特點(diǎn)：太陽(yáng)能特點(diǎn)： 無(wú)枯竭危險(xiǎn)；無(wú)枯竭危險(xiǎn)；絕對(duì)干凈；絕對(duì)干凈；不受資源分布地不受資源分布地域的限制；域的限制；可在用電處就近發(fā)電；可在用電處就近發(fā)電；能源質(zhì)量高；能源質(zhì)量高；使用者從感情上容易接受；使用者從感情上容易接受；獲取能源花費(fèi)的時(shí)獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短。間短。v要使太陽(yáng)能發(fā)電真正達(dá)到實(shí)用水平，一是要提高太要使太陽(yáng)能發(fā)電真正達(dá)到實(shí)用水平，一是要提高太陽(yáng)能光電變換效率并降低成本；二是要實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能陽(yáng)能光電變換效率并降低成本；二是要實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電同現(xiàn)在的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。發(fā)電同現(xiàn)在的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。太陽(yáng)能光電池太陽(yáng)能光電池 要求：轉(zhuǎn)換

14、效率高、成本低要求：轉(zhuǎn)換效率高、成本低光電檢測(cè)器件光電檢測(cè)器件 特點(diǎn)：光敏面積大，頻率相應(yīng)高，光電流隨特點(diǎn)：光敏面積大，頻率相應(yīng)高，光電流隨照度線性變化等照度線性變化等 要求：線性寬，靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、要求：線性寬，靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性好和壽命長(zhǎng)穩(wěn)定性好和壽命長(zhǎng) 應(yīng)用：開(kāi)關(guān)應(yīng)用，線性檢測(cè)（光電讀數(shù)、關(guān)應(yīng)用：開(kāi)關(guān)應(yīng)用，線性檢測(cè)（光電讀數(shù)、關(guān)電開(kāi)關(guān)、光柵測(cè)量技術(shù)、激光準(zhǔn)直、電影還音）電開(kāi)關(guān)、光柵測(cè)量技術(shù)、激光準(zhǔn)直、電影還音）1太陽(yáng)電池電源太陽(yáng)電池電源 太陽(yáng)電池電源系統(tǒng)主要由太陽(yáng)電池方陣、蓄電池組、太陽(yáng)電池電源系統(tǒng)主要由太陽(yáng)電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交

15、流負(fù)載調(diào)節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負(fù)載供電，則加一個(gè)直流交流變換器，太陽(yáng)電池電源系供電，則加一個(gè)直流交流變換器，太陽(yáng)電池電源系統(tǒng)框圖如圖。統(tǒng)框圖如圖。太陽(yáng)能電池電源系統(tǒng)太陽(yáng)能電池電源系統(tǒng)逆變器逆變器 交流負(fù)載交流負(fù)載 直流負(fù)載直流負(fù)載阻塞二極管阻塞二極管 調(diào)節(jié)控制器調(diào)節(jié)控制器太陽(yáng)太陽(yáng)電池電池方陣方陣硅光電池的應(yīng)用硅光電池的應(yīng)用(a) 光電追蹤電路光電追蹤電路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2 圖圖 (a)為光電地構(gòu)成的光電跟蹤電路，用兩只性能為光電地構(gòu)成的光電跟蹤電路，用兩只性能相似的同類(lèi)光電池作為光電接收器件。當(dāng)入射光通量相似的同類(lèi)光電池作為光電接收器件。當(dāng)入射光通

16、量相同時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定的方式工作或進(jìn)行跟蹤。當(dāng)相同時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定的方式工作或進(jìn)行跟蹤。當(dāng)系統(tǒng)略有偏差時(shí)，電路輸出差動(dòng)信號(hào)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)系統(tǒng)略有偏差時(shí)，電路輸出差動(dòng)信號(hào)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行糾正，以此達(dá)到跟蹤的目的行糾正，以此達(dá)到跟蹤的目的。光電池在檢測(cè)和控制方面應(yīng)用中的幾種基本電路光電池在檢測(cè)和控制方面應(yīng)用中的幾種基本電路BG2BG1+12VC J R1 R2(b) 光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān) 圖圖 (b)所示電路為光電開(kāi)關(guān)，多用于自動(dòng)控制系統(tǒng)所示電路為光電開(kāi)關(guān)，多用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中。無(wú)光照時(shí)，系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài)，如通態(tài)或斷態(tài)。中。無(wú)光照時(shí)，系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài)，如通態(tài)或斷態(tài)。當(dāng)光電池受光照射時(shí)，產(chǎn)生

17、較高的電動(dòng)勢(shì)，只要光強(qiáng)大當(dāng)光電池受光照射時(shí)，產(chǎn)生較高的電動(dòng)勢(shì)，只要光強(qiáng)大于某一設(shè)定的閾值，系統(tǒng)就改變工作狀態(tài)，達(dá)到開(kāi)關(guān)目于某一設(shè)定的閾值，系統(tǒng)就改變工作狀態(tài)，達(dá)到開(kāi)關(guān)目的。的。(c) 光電池觸發(fā)電路光電池觸發(fā)電路R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW 圖圖 (c)為光電池觸發(fā)電路。當(dāng)光電池受光照為光電池觸發(fā)電路。當(dāng)光電池受光照射時(shí)，使單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，射時(shí)，使單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，改變其工作狀態(tài)或觸發(fā)器件改變其工作狀態(tài)或觸發(fā)器件(如可控硅如可控硅)導(dǎo)通導(dǎo)通。+12V5G23(d) 光電池放大電路光電池放大電路C3-12VWR1R2R3R4R5C1C218765432圖圖(d)為光電池放大電路。在測(cè)量溶液濃度、物體色度為光電池放大電路。在測(cè)量溶液濃度、物體色度、紙張的灰度等場(chǎng)合，可用該電路作前置級(jí)，把微弱、紙張的灰度等場(chǎng)合，可用該電路作前置級(jí)，把微弱光電信號(hào)進(jìn)行線性放大，然后帶動(dòng)指示機(jī)構(gòu)或二次儀光電信號(hào)進(jìn)行線性放大，