第三章-光电检测技术常用器件及应用2分解.ppt

1、第三章 光电检测技术常用器件及应用,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,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） 本征半导体(Intrinsic semiconductor)是完全

2、纯净或结构完整的半导体。,空穴,电子,共价键结构,自由电子和空穴成对产生,Si,+4,Ge,+4,简化模型,Si(硅原子),Ge(锗原子),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”。,硼,硅,空穴,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

3、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”。,多余电子,磷,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。,P区,N区,空间电荷区,内电场,PN结及其形成过程,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

4、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。,平衡状态下的PN结动画演示,PN结的单向导电性,PN结反向偏置时的情况,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,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

5、），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,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。,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：,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

6、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。,光电池伏安特性曲线,光电池等效电路,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,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。,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。,光电池的光照特

7、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。,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）,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。,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,太阳能庭院

8、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：Marshall Brain （本文为博闻网版权所有，转载必须注明出处。） 1. 引言 2. 太阳能庭院灯是如何发光的？ 3. 了解更多信息 4. 阅读所有家用器具类文章,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

9、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：,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：,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,在这一模块的另外一面，是四个电池组成的

10、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,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。,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,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,光电式浊

11、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,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350-450m。 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,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

12、：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,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,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

13、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1520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,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

14、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,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,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1958年应用到美国的先锋1号人造卫星上。,我国1958年开始进行太阳能电池的研制工作，并于1971年将研制的太阳能电池用在了发射的第二颗卫星上。,1974年世界上第一架太阳能电池飞机在美国首次试飞。 现在，最先进的太阳能飞机，飞行高度可达2万多米，航程超过4000公里。,Honda dream, the winning car in th