光電傳感器的介紹課件

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)§7.2光電導(dǎo)光敏電阻結(jié)構(gòu)

§7.2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

e、溫度特性

§7.2光電導(dǎo)光敏電阻的光譜特性

圖20對于不同波長的光，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

§7.2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10-1～10-3s，光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間約2×10-5s

§7.2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)，所以紅外探測器往往采取制冷措施§7.3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。p-n

結(jié)中存在內(nèi)建電場，結(jié)兩邊的光生少數(shù)載流子受該內(nèi)建場的作用，各自向相反的方向運(yùn)動(dòng)。p

區(qū)的電子穿過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

端的電勢升高，n

端的電勢降低，從而在p-n

結(jié)兩端形成一光生電動(dòng)勢。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^負(fù)載，光敏二極管的光電流I

與照度之間呈線性關(guān)系。

§7.3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

§7.3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)兩端形成的電勢差V0，即光電池的開路電壓（V0）。b、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，但流過外電路的電流最大，為光電池的短路電流I0?！?.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，相當(dāng)于在p-n

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。有負(fù)載時(shí)，由于光電壓輸出電壓為V，這樣流過負(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。

§7.3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

§7.3光生伏特（a）GaAs光電二極管I－V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)成對數(shù)關(guān)系§7.3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能光電池的光電轉(zhuǎn)化效率。太陽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1.1～1.5eV之間，對太陽光的利用效率最高。§7.4光電池太陽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，故多用于曝光表、照度計(jì)等分析、測量儀器。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§7.4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0.2～0.3m，光譜響應(yīng)峰值移到600nm左右，來提高短波響應(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。利用這種“窗口”效應(yīng)提高入射光的收集效率，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?！?.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)，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)用作光電探測器的多為P+N型。

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。國際公認(rèn)最高效率為24％，空間用高質(zhì)量的效率約為13.5—18％，地面用多在11—18％之間。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1μm厚的薄膜，易于大面積化（05m×l.0m），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8－