光電傳感器的介紹

1、光敏電阻光電導(dǎo)應(yīng)用一例 光敏電阻是一種用光電導(dǎo)材料制成的沒有極性的光電元件 ，也稱為光導(dǎo)管，它基于半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)工作 光敏電阻沒有極性，工作時(shí)可加直流偏壓或交流電壓 當(dāng)無(wú)光照時(shí)，光敏電阻的阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小；當(dāng)它受到一定波長(zhǎng)范圍的光照射時(shí)，其阻值(亮電阻)急劇減小，電路中電流迅速增加 根據(jù)電流值的變化可推算出照射光強(qiáng)的大小 7.2 光電導(dǎo)17.2 光電導(dǎo)光敏電阻結(jié)構(gòu) 27.2 光電導(dǎo)光敏電阻的幾個(gè)特性a、暗電阻、亮電阻：光敏電阻未受光照時(shí)的阻值稱為暗電阻，受強(qiáng)光照射時(shí)的阻值稱為亮電阻。暗電阻越大而亮電阻越小，靈敏度越高。b、伏安特性c、光譜特性 d、響應(yīng)時(shí)間和（調(diào)制）頻率特性

2、 e、溫度特性 37.2 光電導(dǎo)光敏電阻的伏安特性在一定光照下，所加的電壓越高，電流越大；在一定的電壓作用下，入射光的照度越強(qiáng)，電流越大，但并不一定是線性關(guān)系 47.2 光電導(dǎo)光敏電阻的光譜特性 圖20對(duì)于不同波長(zhǎng)的光，光敏電阻的靈敏度是不同的。在選用光電器件時(shí)必須充分考慮到這種特性 57.2 光電導(dǎo)光敏電阻的頻率特性 光電器件的響應(yīng)時(shí)間反映它的動(dòng)態(tài)特性。響應(yīng)時(shí)間越短，表示動(dòng)態(tài)特性越好。對(duì)于采用調(diào)制光的光電器件，調(diào)制頻率的上限受相應(yīng)時(shí)間的限制。光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間一般為10-110-3s，光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間約210-5s 67.2 光電導(dǎo)光敏電阻的溫度特性 隨著溫度的升高，光敏電阻的暗電阻和靈

3、敏度都要下降，溫度的變化也會(huì)影響光譜特性曲線。硫化鉛光敏電阻等光電器件隨著溫度的升高光譜響應(yīng)的峰值將向短波方向移動(dòng)，所以紅外探測(cè)器往往采取制冷措施 77.3 光生伏特對(duì)于半導(dǎo)體 p-n 結(jié)而言，光照后產(chǎn)生電壓差的現(xiàn)象，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，即太?yáng)能電池工作原理 照射在 p-n 結(jié)上，由于本征吸收，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。在光激發(fā)下，多數(shù)載流子的濃度一般改變很小，而少數(shù)載流子的濃度變化很大。這里主要討論光生少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)。 87.3 光生伏特光生伏特效應(yīng)當(dāng)光子能量大于 p-n 結(jié)禁帶寬度后，光照射在 p-n 結(jié)上，產(chǎn)生本征吸收，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。p-n 結(jié)中存在內(nèi)建電場(chǎng)，結(jié)兩邊的光生少數(shù)載流子

4、受該內(nèi)建場(chǎng)的作用，各自向相反的方向運(yùn)動(dòng)。p 區(qū)的電子穿過(guò) p-n 結(jié)進(jìn)入 n 區(qū)，而 n 區(qū)的空穴進(jìn)入 p 區(qū)，從而在 p 型和 n 型區(qū)有電荷積累；使得 p 端的電勢(shì)升高，n 端的電勢(shì)降低，從而在 p-n 結(jié)兩端形成一光生電動(dòng)勢(shì)。如果 p-n 結(jié)兩端接上負(fù)載，在適當(dāng)?shù)墓庹障聦⒂须娏髁鬟^(guò)負(fù)載，光敏二極管的光電流 I 與照度之間呈線性關(guān)系。 97.3 光生伏特（a）開始光照 （b）平衡態(tài) 半導(dǎo)體二極管 p-n 結(jié)的光生伏特原理圖 107.3 光生伏特光電池的兩個(gè)重要概念：開路電壓和短路電流 a、開路電壓：有光照，但外電路斷開，在 p-n 結(jié)兩端形成的電勢(shì)差 V0，即光電池的開路電壓（V0）。b、

5、短路電流：有光照，外電路短路，在p-n結(jié)兩端不能形成光生電壓，但流過(guò)外電路的電流最大，為光電池的短路電流 I0。117.3 光生伏特光電流 Il 的主要來(lái)源或組成光電流 Il 由兩個(gè)組成部分，即：Ige 和 IghIge：由 p 區(qū)產(chǎn)生能擴(kuò)散到勢(shì)壘區(qū)的電子部分Igh：由 n 區(qū)產(chǎn)生能擴(kuò)散到勢(shì)壘區(qū)的空穴部分 G：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)產(chǎn)生載流子的產(chǎn)生率A：p-n 結(jié)的結(jié)面積，Ln、Lp：電子和空穴載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度，e：電子的電荷。Il 與 p-n 結(jié)的特征參數(shù)和光照等密切相關(guān)。結(jié)面積A越大，則 Il 越大。127.3 光生伏特有負(fù)載時(shí)的光生伏特等效電路 光照在 p-n 結(jié)兩端產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，相當(dāng)于在 p-n

6、 結(jié)兩端加正向電壓 V（注意在開路時(shí)與開路電壓 V0 相等）。在有負(fù)載而形成回路后，p-n 結(jié)中有正向電流 If 流過(guò)。 有負(fù)載時(shí)，由于光電壓輸出電壓為 V，這樣流過(guò)負(fù)載的電流 I 則是光電流 Il 減去 p-n 結(jié)中的正向電流 If 。 有負(fù)載 R 時(shí)半導(dǎo)體光電二極管 D 的等效電路圖 光電池在工作時(shí)共有三股電流：光生電流 Il，在光生電壓 V 作用下 p-n 結(jié)的正向電流 If，流經(jīng)外電路的電流 I。Il 和 If 都流經(jīng) p-n 結(jié)，但方向相反。 137.3 光生伏特p-n 結(jié)的開路電壓和短路電流p-n 結(jié)在有 V 正向電壓偏置時(shí)的正向電流 If 取下面的形式 其中 Is為 p-n 結(jié)的

7、反向飽和電流 開路時(shí) p-n 結(jié)開路電壓 V0 和短路時(shí) p-n 結(jié)短路電流 I0短路電流 I0 即為光電流顯然， p-n 結(jié)的開路電壓和短路電流與 p-n 本身特征參數(shù)和光照的關(guān)系 147.3 光生伏特（a）GaAs 光電二極管 IV關(guān)系；（b）光電二極管的 Il 和 V0與光強(qiáng)的關(guān)系 一般 Il 與光強(qiáng)成正比，開路電壓 V0與光強(qiáng)成對(duì)數(shù)關(guān)系157.3 光生伏特必須指出兩點(diǎn)： 只有在有負(fù)載時(shí)才有 If，否則此時(shí)的電路相當(dāng)于開路，盡管由于光照產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢(shì)，但沒有載流子流動(dòng)。 V0 并不是隨著光照強(qiáng)度無(wú)限地增大。當(dāng)光生電壓 V0 增大到 p-n 結(jié)勢(shì)壘消失時(shí)，即得到最大的光生電壓Vmax，它

8、與材料的摻雜程度有關(guān)。實(shí)際情況下，Vmax 與禁帶寬度 Eg 相當(dāng)。 167.3 光生伏特如何提高負(fù)載所能獲得盡可能高的電壓或大的電流 要使負(fù)載獲得盡可能高的電壓和大的電流，一方面顯然是將多個(gè)光電二極管串并聯(lián)使用；另一方面就是提高太陽(yáng)能光電池的光電轉(zhuǎn)化效率。 太陽(yáng)能電池的電池效率參數(shù) 理論計(jì)算表明半導(dǎo)體材料的禁帶寬度在 1.11.5eV 之間，對(duì)太陽(yáng)光的利用效率最高。 177.4 光電池太陽(yáng)能電池是一典型的光電池，一般由一個(gè)大面積硅 p-n 結(jié)組成。光電池種類繁多早期：氧化亞銅光電池，但換效率低，已很少使用。目前：應(yīng)用較多的是硒光電池和硅光電池。硒光電池：光譜特性與人眼視覺很相近，頻譜較寬，故

9、多用于曝光表、照度計(jì)等分析、測(cè)量?jī)x器。硅光電池：與其它半導(dǎo)體光電池相比，性能穩(wěn)定，是目前轉(zhuǎn)換效率最高(達(dá)到17)的幾乎接近理論極限的一種光電池。此外，還有薄膜光電池、紫光電池、異質(zhì)結(jié)光電池 187.4 光電池薄膜光電池：把硫化鎘等材料制成薄膜結(jié)構(gòu)，以減輕重量、簡(jiǎn)化陣列結(jié)構(gòu)，提高抗輻射能力和降低成本。紫光電池：把硅光電池的 PN 結(jié)減薄至結(jié)深為 0.20.3 m，光譜響應(yīng)峰值移到 600 nm左右，來(lái)提高短波響應(yīng)，以適應(yīng)外層空間使用。 異質(zhì)結(jié)光電池：利用不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料做成異質(zhì)PN結(jié)，入射光幾乎全透過(guò)寬禁帶材料一側(cè)，而在結(jié)區(qū)窄禁帶材料中被吸收，產(chǎn)生電子 空穴對(duì)。利用這種“窗口”效應(yīng)提高入

10、射光的收集效率，以獲得高于同質(zhì)結(jié)硅光電池的轉(zhuǎn)換效率，理論上最大可達(dá) 30，但目前工藝尚未成熟，轉(zhuǎn)換效率仍低于硅光電池。197.4 光電池光電池核心部分是一個(gè) PN 結(jié)，一般做成面積較大的薄片狀，來(lái)接收更多的入射光 硒光電池結(jié)構(gòu)示意圖 制造工藝：先在鋁片上覆蓋一層 P 型硒，然后蒸發(fā)一層鎘，加熱后生成 N 型硒化鎘，與原來(lái) P 型硒形成一個(gè)大面積 PN 結(jié)，最后涂上半透明保護(hù)層，焊上電極，鋁片為正極，硒化鎘為負(fù)極。 207.4 光電池硅光電池結(jié)構(gòu)示意圖 硅光電池是用單晶硅組成 制造工藝：在一塊 N 型硅片上擴(kuò)散 P 型雜質(zhì)(如硼)，形成一個(gè)擴(kuò)散PN（P+N）結(jié)；或在P型硅片擴(kuò)散N型雜質(zhì)(如磷)，

11、形成N+P的PN結(jié)，然后焊上兩個(gè)電極。P端為光電池正極，N端為負(fù)極，一般在地面上應(yīng)用作光電探測(cè)器的多為P+N型。 21單晶硅光電池晶體硅光電池有單晶硅與多晶硅兩大類，用p型（或n型）硅襯底，通過(guò)磷（或硼）擴(kuò)散形成pn結(jié)成制作。采用埋層電極、表面鈍化、強(qiáng)化陷光、密柵工藝、優(yōu)化背電極及接觸電極等技術(shù)，提高材料中的載流子收集效率，優(yōu)化抗反射膜、凹凸表面、高反射背電極等方式，光電轉(zhuǎn)換效率有較大提高。單晶硅光電池面積有限，目前比較大的為 10至 20cm的圓片。國(guó)際公認(rèn)最高效率為24，空間用高質(zhì)量的效率約為13.518，地面用多在1118之間。22非晶硅光電池Si（非晶硅）光電池一般采用高頻輝光放電方法

12、使硅烷氣體分解沉積而成。由于外解沉積溫度低，可在玻璃、不銹鋼板、陶瓷板、柔性塑料片上沉積約1m厚的薄膜，易于大面積化（05 ml.0 m），成本較低，多采用pin結(jié)構(gòu)。為提高效率和改善穩(wěn)定性，有時(shí)還制成三層pin等多層疊層式結(jié)構(gòu)，或是插入一些過(guò)渡層。小面積轉(zhuǎn)換效率提高到 14.6，大面積大量生產(chǎn)的為810，疊層結(jié)構(gòu)的最高效率為21。改善薄膜特性，精確設(shè)計(jì)光電池結(jié)構(gòu)和控制各層厚度，改善各層之間界面狀態(tài)，以求得高效率和高穩(wěn)定性。23多晶硅光電池pSi（多晶硅，包括微晶）光電池沒有光致衰退效應(yīng)，材料質(zhì)量有所下降時(shí)也不會(huì)導(dǎo)致光電池受影響，是國(guó)際上正掀起的前沿性研究熱點(diǎn)。在單晶硅襯底上用液相外延制備的pSi光電池轉(zhuǎn)換效率為15.3，經(jīng)減薄襯底，加強(qiáng)陷光等加工，可提高到23.7%，用CVD法制備的轉(zhuǎn)換效率約為12.6l7.3%。微晶硅薄膜生長(zhǎng)與si工藝相容，光電性能