第三章 光电检测技术常用器件及应用2

1、1、光电器件的类型与特点2、光电检测器件的特性参数3、光电导器件-光敏电阻4、光生伏特效应-光电池、光电二极管、光电三极管等5、光电发射效应-光电管、光电倍增管等主要内容主要内容6、光热效应-热敏电阻、热电偶光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转换成电能的一种器件。我们通常把导电性差或不好的材料，如金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等，称为绝缘体。而把导电性比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体 半导体相关知识1、I型半导体（本征半导体）型半导体（本征半导体） 本征半导体本征半导体(Intrinsic semiconductor)是完全纯净

2、或是完全纯净或结构完整的半导体。结构完整的半导体。+4+4+4+4空穴空穴电子电子共价键结构共价键结构自自由由电电子子和和空空穴穴成成对对产产生生+简化模型简化模型Si(硅原子)Ge(锗原子)2.P型半导体型半导体在纯净的硅晶体中掺入三在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼或铟），使价元素（如硼或铟），使之取代晶格中硅原子的位之取代晶格中硅原子的位置，形成置，形成P（Positve正）正）型半导体。三个价电子，型半导体。三个价电子，与相邻的半导体原子形成与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。共价键时，产生一个空穴。硼原子成为不能移动的带硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子负电的离子

3、。由于硼原子接受电子，所以称为受主接受电子，所以称为受主原子。这种以价带中的空原子。这种以价带中的空穴为主导电的半导体，也穴为主导电的半导体，也称为称为“空穴型半导体空穴型半导体”。+4+4+3+4硼硼硅硅在纯净的硅晶体中掺入五在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷或锑），使价元素（如磷或锑），使之取代晶格中硅原子的位之取代晶格中硅原子的位置，就形成了（置，就形成了（Negative）型半导体。五个价电子，型半导体。五个价电子，其中四个与相邻的半导体其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多原子形成共价键，必定多出一个电子，它很容易被出一个电子，它很容易被激发而成为自由电子，该激发而成为自由电子

4、，该原子就成了不能移动的带原子就成了不能移动的带正电的离子。每个五价原正电的离子。每个五价原子给出一个电子，称为施子给出一个电子，称为施主原子。这种半导体又称主原子。这种半导体又称为为“电子型半导体电子型半导体”。+4+4+5+4多余电子多余电子磷磷PN结的形成结的形成 杂质半导体的导电能力虽然比本征半导体极大增强（约1012倍），但它们并不能称为半导体器件。在电子技术中，PN结是一切半导体器件的“元概念”和技术起始点。在一块晶片的两端分别注入三价在一块晶片的两端分别注入三价元素硼和五价元素磷元素硼和五价元素磷 + + + + + + + + + + + + + + + +空间电荷区空间电荷区

5、内电场内电场PNPN结及其形成过程结及其形成过程理论证明：杂质带的理论证明：杂质带的产生会使禁带宽度变产生会使禁带宽度变小小.在在P型和型和N型半导体组成型半导体组成的的PN结界面上，由于存结界面上，由于存在多数载流子在多数载流子(电子或空电子或空穴穴)的梯度，因而产生扩的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场，散运动，形成内部电场，内部电场产生与扩散相内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直反方向的漂移运动，直到到P区和区和N区的区的Ef 相同，相同，两种运动处于平衡状态两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾为止，结果能带发生倾斜。斜。平衡状态下的PNPN结动画演示PN结的单向导电性结的单向

6、导电性 PN结反向偏置时的情况结反向偏置时的情况4 4、光生伏特效应n PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，区，光生空穴拉向光生空穴拉向p区区 (帮助少子漂移帮助少子漂移)n 半导体内部产生电动势（光生电压）；如将半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路，则结短路，则会出现电流（光生电流）。会出现电流（光生电流）。+利用少子导电光电池的结构特点n 光电池光电池核心部分核心部分是一个是一个PN结，一般作成面积大结，一般作成面积大的薄片状

7、，来接收更多的入射光。的薄片状，来接收更多的入射光。n 在在N型硅片上扩散型硅片上扩散P型杂质（如硼），受光面是型杂质（如硼），受光面是P型层型层n 或在或在P型硅片上扩散型硅片上扩散N型杂质（如磷），型杂质（如磷）， 受光面受光面是是N型层型层n受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护作用用和保护作用n上电极做成栅状，为了更多的光入射上电极做成栅状，为了更多的光入射n由于光子入射深度有限，为使光照到由于光子入射深度有限，为使光照到PN结结上，上， 实际使用的光电池制成薄实际使用的光电池制成薄P型或薄型或薄N型。型。当光作用于当光作用于PNPN结时，耗尽

8、区内的光生电子与空穴结时，耗尽区内的光生电子与空穴在内建电场力的作用下分别向在内建电场力的作用下分别向N N区和区和P P区运动，在区运动，在闭合的电路中将产生输出电流闭合的电路中将产生输出电流I IL L，且负载电阻，且负载电阻R RL L上产生电压降为上产生电压降为U U。显然有：。显然有： U=ILRL 硅光电池结构和工作过程硅光电池结构和工作过程R RL L1)(eKTRqDPLLLIIII光电池输出电流光电池输出电流IL应应包括光生电流包括光生电流IP、扩、扩散电流与暗电流等三散电流与暗电流等三部分：部分：光电池的特性n1、伏安特性、伏安特性 无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导无

9、光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。体二极管相同。 有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。光照度成正比。 曲线与电压轴交点称为开路电压曲线与电压轴交点称为开路电压VOC，与电，与电流轴交点称为短路电流流轴交点称为短路电流ISC。光电池伏安特性曲线光电池等效电路n2、时间和频率响应、时间和频率响应 硅光电池频率特性好硅光电池频率特性好 硒光电池频率特性差硒光电池频率特性差 硅光电池是目前使用最广泛的光电池硅光电池是目前使用最广泛的光电池 n 要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻RL；n

10、光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积越大则结电容积越大则结电容Cj越大，在给定负载时，时间常越大，在给定负载时，时间常数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。积光电池。光谱响应度n硅光电池硅光电池 响应波长响应波长0.4-1.10.4-1.1微米，微米， 峰值波长峰值波长0.8-0.90.8-0.9微米。微米。n硒光电池硒光电池 响应波长响应波长0.34-0.750.34-0.75微米，微米， 峰值波长峰值波长0.540.54微米。微米。光电池的光照特性 连接方式：开路电压输出连接方式：开路

11、电压输出-(a) 短路电流输出短路电流输出-(b) 光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光生电动势。生电动势。 短路电流在很大范围内与光强成线性关系。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。 开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx时趋于饱和。时趋于饱和。 光照特性光照特性- 开路电压输出：非线性开路电压输出：非线性(电压电压-光强光强)，灵敏度高，灵敏度高 短路电流输出：线性好短路电流输出：线性好(电流电流-光强光强) ，灵敏度低，灵敏度低 开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流

12、输开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）出）n 负载RL的增大线性范围也越来越小。n 因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在适当的光照范围内使用。光电池应用n1、太阳能转变为电能太阳能电池n2、光电检测器件n太阳能庭院灯太阳能庭院灯。它们可以在白天生成并储存自己的能量，然后在夜晚间释放能量。这就像卫星一样，当位于行星有阳光的一面时，它可以储存太阳能；当它在背光的一面时，则使用所储存的能量。太阳能庭院灯的典型构造 n它由以下元件构成： n一个塑料外壳 n顶部的一块太阳能电池 n一个单块的AA镍镉电池 n一个小的控制器板 n一个LED光源

13、 n一个光敏电阻器，用于检测黑暗 n在这一模块的另外一面，是四个电池组成的太阳能电池阵（大小为5厘米x5厘米）和光敏电阻器： 光敏电阻器光敏电阻器 n 太阳能电池通过一个二极管（可以防止电池的电流在夜间流回太阳能电池）直接与电池连接。电池是一个完全标准的AA镍镉电池。这样的一块电池可以产生约1.2伏的电压，最多可储存约700毫安时的电量。在白天，电池进行充电，除了冬季白天较短的日子或者天气非常阴的日子外，都可以达到最大充电量。 n充满电时，镍镉电池能使LED亮起约15小时。 照明灯自动控制电路K储能储能电池电池灯常闭CdS 光的照度光的照度E的单位是的单位是lx（勒勒克斯），它是常克斯），它是

14、常用的光度学单位用的光度学单位之一，它表示受之一，它表示受照物体被照亮程照物体被照亮程度的物理量，可度的物理量，可以用照度计来测以用照度计来测量。量。 光电池光电池（外加柔光罩）（外加柔光罩）照度计将装有浊水将装有浊水的试管插入的试管插入仪器中仪器中光电式浊度计和含沙量测量 光电式浊度计工作原理参比通道参比通道 1. 硅系太阳能电池硅系太阳能电池单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池 优点：优点：转化率高转化率高 (24.4%) ，技术最为成熟，技术最为成熟 缺点：缺点：成本高，基底厚度达成本高，基底厚度达350-450m。 提高转化率的途径：提高转化率的途径：单晶硅表面微结构处理和分区掺单晶硅表面

15、微结构处理和分区掺杂工艺杂工艺 德国费莱堡太阳能系统研究所保持至世界领先水平德国费莱堡太阳能系统研究所保持至世界领先水平其他应用3) 非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池 优点：优点：成本低成本低 缺点：缺点：转化率低转化率低 (13%) 制备方法：制备方法：多采用化学气相沉积法，还有液相外多采用化学气相沉积法，还有液相外延法和溅射沉积法延法和溅射沉积法 解决方法：解决方法：制造叠层太阳能电池制造叠层太阳能电池2) 多晶硅薄膜太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池 优点：优点：成本低，转化率不衰退成本低，转化率不衰退 缺点：缺点：转化率较低转化率较低 (18%) 制备方法：制备方法：多采用化学气相

16、沉积法，还有液相多采用化学气相沉积法，还有液相外延法和溅射沉积法外延法和溅射沉积法 主要包括：主要包括：砷化镓、硫化镉、碲化镉及铜铟硒砷化镓、硫化镉、碲化镉及铜铟硒薄膜电池薄膜电池 硫化镉硫化镉(CdS) 、碲化镉、碲化镉(CdSe) ：镉有剧毒，不镉有剧毒，不理想理想 砷化镓砷化镓(GaAs)：高转化率高转化率 (37.4%)，成本高。，成本高。能隙能隙1.42eV，光谱响应可见和紫外，温度特光谱响应可见和紫外，温度特性好性好，已开始用于空间太电池，已开始用于空间太电池 铜铟硒铜铟硒(CuInSe2) ：优点：优点：转化率高转化率高 (17%)，价，价格低廉，性能良好，工艺简单。格低廉，性能

17、良好，工艺简单。缺点：缺点：铟和铟和硒都是稀有元素，发展受限硒都是稀有元素，发展受限 多元化合物薄膜太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池4. 纳米晶化学太阳能电池纳米晶化学太阳能电池 工作原理：染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发工作原理：染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiOTiO2 2的导带，染料分的导带，染料分子中失去的电子很快从电解质中的导补偿，进入子中失去的电子很快从电解质中的导补偿，进入 TiO2TiO2导带中的电子最终进入导电膜，然后通过外回路产生光导带中的电子最终进入导电膜，然后通过外回路产生光电流。优点：成本低

18、廉，转化率已稳定在电流。优点：成本低廉，转化率已稳定在10%10%以上，寿以上，寿命达命达15201520年。年。3. 有机太阳能电池有机太阳能电池 工作原理：工作原理：有机半导体产生的电子和空有机半导体产生的电子和空穴束缚在激子之中穴束缚在激子之中,电子和空穴在界面电子和空穴在界面(电电极和导电聚合物的结合处极和导电聚合物的结合处)上分离。上分离。 优点：价格低、易成形、可通过化学修优点：价格低、易成形、可通过化学修饰调控性能饰调控性能太阳能电池板：太阳能电池板：将太阳的辐射能将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。存储起来，或推动负载工作。太阳能控制器太阳能控制器：控制整个系统的工作状态，并对蓄电池控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。起到过充电保护、过放电