第三章-光电检测技术常用器件及应用2分解

第三章-光电检测技术常用器件及应用2分解第一页，共67页。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6、光热效应----热敏电阻、热电偶第二页，共67页。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。第三页，共67页。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第四页，共67页。半导体相关知识1、I型半导体（本征半导体）

本征半导体(Intrinsicsemiconductor)是完全纯净或结构完整的半导体。+4+4+4+4空穴电子共价键结构自由电子和空穴成对产生++Si+4Ge+4简化模型Si(硅原子)Ge(锗原子)第五页，共67页。2.P型半导体在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼或铟），使之取代晶格中硅原子的位置，形成P（Positve正）型半导体。三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。这种以价带中的空穴为主导电的半导体，也称为“空穴型半导体”。+4+4+3+4硼硅空穴第六页，共67页。3.N型半导体在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷或锑），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了（Negative）型半导体。五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，它很容易被激发而成为自由电子，该原子就成了不能移动的带正电的离子。每个五价原子给出一个电子，称为施主原子。这种半导体又称为“电子型半导体”。+4+4+5+4多余电子磷第七页，共67页。PN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元素硼和五价元素磷

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+－－－－－－－－－－－－－－－－P区N区空间电荷区内电场PN结及其形成过程第八页，共67页。理论证明：杂质带的产生会使禁带宽度变小.耗尽层耗尽层P区P区N区N区单独存在时能级在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场，内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的Ef相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜。第九页，共67页。平衡状态下的PN结动画演示第十页，共67页。PN结的单向导电性第十一页，共67页。

PN结反向偏置时的情况第十二页，共67页。4、光生伏特效应PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区(帮助少子漂移)半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路，则会出现电流（光生电流）。+—利用少子导电第十三页，共67页。光电池的结构特点光电池核心部分是一个PN结，一般作成面积大的薄片状，来接收更多的入射光。在N型硅片上扩散P型杂质（如硼），受光面是P型层或在P型硅片上扩散N型杂质（如磷），受光面是N型层第十四页，共67页。受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护作用上电极做成栅状，为了更多的光入射由于光子入射深度有限，为使光照到PN结上，实际使用的光电池制成薄P型或薄N型。第十五页，共67页。当光作用于PN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N区和P区运动，在闭合的电路中将产生输出电流IL，且负载电阻RL上产生电压降为U。显然有：U=ILRL

硅光电池结构和工作过程RL光电池输出电流IL应包括光生电流IP、扩散电流与暗电流等三部分：第十六页，共67页。光电池的特性1、伏安特性无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。曲线与电压轴交点称为开路电压VOC，与电流轴交点称为短路电流ISC。第十七页，共67页。光电池伏安特性曲线第十八页，共67页。光电池等效电路第十九页，共67页。2、时间和频率响应

硅光电池频率特性好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

第二十页，共67页。要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻RL；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Cj越大，在给定负载时，时间常数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。第二十一页，共67页。光谱响应度硅光电池响应波长0.4-1.1微米，峰值波长0.8-0.9微米。硒光电池响应波长0.34-0.75微米，峰值波长0.54微米。第二十二页，共67页。第二十三页，共67页。光电池的光照特性连接方式：开路电压输出---(a)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生电动势。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2000lx时趋于饱和。第二十四页，共67页。光照特性---开路电压输出：非线性(电压---光强)，灵敏度高短路电流输出：线性好(电流---光强)，灵敏度低开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）第二十五页，共67页。负载RL的增大线性范围也越来越小。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。第二十六页，共67页。光电池应用1、太阳能转变为电能—太阳能电池2、光电检测器件第二十七页，共67页。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。太阳能庭院灯工作原理

作者：MarshallBrain（本文为博闻网版权所有，转载必须注明出处。）1.

引言

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太阳能庭院灯是如何发光的？

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如果您有一个庭院，并且曾考虑过进行夜间照明，那么您很可能听说过太阳能庭院灯。它们仍然相当昂贵，但是它们的好处是您不用设置任何电线。只要一个地方有直射太阳光，您就可以在大约15秒钟内在那里放好一盏灯。这些灯非常有意思，因为它们就像小卫星一样。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。在本文中，您将了解这到底是怎么发生的！基本构造

下面是太阳能庭院灯的典型构造：

太阳能庭院灯工作原理

下面是LED和控制器板的特写：

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：

下面是光敏电阻器的特写：

第二十八页，共67页。太阳能庭院灯的典型构造它由以下元件构成：一个塑料外壳顶部的一块太阳能电池一个单块的AA镍镉电池一个小的控制器板一个LED光源一个光敏电阻器，用于检测黑暗第二十九页，共67页。第三十页，共67页。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

第三十一页，共67页。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。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储能电池灯常闭CdS第三十二页，共67页。第三十三页，共67页。光的照度E的单位是lx（勒克斯），它是常用的光度学单位之一，它表示受照物体被照亮程度的物理量，可以用照度计来测量。

光电池（外加柔光罩）照度计第三十四页，共67页。将装有浊水的试管插入仪器中光电式浊度计和含沙量测量第三十五页，共67页。光电式浊度计工作原理参比通道

1—恒流源2—半导体激光器3—半反半透镜4—反射镜5—被测水样6、9—光电池

7、10—电流/电压转换器8—标准水样第三十六页，共67页。1.硅系太阳能电池单晶硅太阳能电池优点：转化率高(24.4%)

，技术最为成熟缺点：成本高，基底厚度达350--450µm。提高转化率的途径：单晶硅表面微结构处理和分区掺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其他应用第三十七页，共67页。3)非晶硅薄膜太阳能电池优点：成本低缺点：转化率低(13%)

制备方法：多采用化学气相沉积法，还有液相外延法和溅射沉积法

解决方法：制造叠层太阳能电池2)多晶硅薄膜太阳能电池优点：成本低，转化率不衰退

缺点：转化率较低(18%)

制备方法：多采用化学气相沉积法，还有液相外延法和溅射沉积法第三十八页，共67页。主要包括：砷化镓、硫化镉、碲化镉及铜铟硒薄膜电池

硫化镉(CdS)

、碲化镉(CdSe)

：镉有剧毒，不理想

砷化镓(GaAs)：高转化率(37.4%)，成本高。能隙1.42eV，光谱响应可见和紫外，温度特性好，已开始用于空间太电池

铜铟硒(CuInSe2)

：优点：转化率高(17%)，价格低廉，性能良好，工艺简单。缺点：铟和硒都是稀有元素，发展受限多元化合物薄膜太阳能电池第三十九页，共67页。4.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，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiO2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TiO2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：成本低廉，转化率已稳定在10%以上，寿命达15—20年。3.有机太阳能电池

工作原理：有机半导体产生的电子和空穴束缚在激子之中,电子和空穴在界面(电极和导电聚合物的结合处)上分离。

优点：价格低、易成形、可通过化学修饰调控性能第四十页，共67页。太阳能电池板：将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能控制器：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。蓄电池：在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。逆变器：将太阳能发电系统所发出的直流电能(12VDC、24VDC、48VDC)转换成交流电能(220VAC、110VAC)太阳能电池发电站第四十一页，共67页。目前太阳能发电的上网电价则约为3.5元/千瓦时，是普通发电机组上网电价的10倍左右第四十二页，共67页。1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池，效率为4%，于