《光敏电阻光电池》ppt课件

1、光敏电阻光敏电阻 一、构造与原理一、构造与原理 光敏电阻利用光电导效应制成。光敏电阻利用光电导效应制成。 当入射光子使电子由价带跃升到导带时，导带中的电阻和价带中的空穴二者均参与导电，因此电阻显著减小，称为光敏电阻。 本征光电导效应可用来检测可见光和近红外辐射。本征光电导效应可用来检测可见光和近红外辐射。 假设入射光子从杂质能级跃升到导带假设入射光子从杂质能级跃升到导带(非本征光电导非本征光电导)，那么，那么N型型资料的电导率增大。当光子能量使电子由价带跃升到资料的电导率增大。当光子能量使电子由价带跃升到P型主能级，型主能级，从而使价带中留有可挪动的空穴时，从而使价带中留有可挪动的空穴时，P型

2、资料就会出现非本征光型资料就会出现非本征光电导。电导。 非本征光电导体主要检测波长很长的辐射非本征光电导体主要检测波长很长的辐射 用于超越用于超越5微米的波段。微米的波段。光电导探测器 光电导探测器是基于半导体的光电导效应制成的光电探测器，光电导效应的主要特点是受光照射时其电阻值明显变小，故又称为光敏电阻。光电导探测器广泛运用在工业自动化、摄影机自动测光等监控系统，也广泛运用于目前其他探测器难以实现的红外丈量系统。半导体对光的吸收半导体对光的吸收 半导体对光的吸收是产生光电效应的根底。光照半导体资料时，假设入射光子的能量大于某一值，就可以产生光激发，从而产生光生载流子。采取一定的措施合理利用这

3、些光生载流子，便可以制出各种光子效应探测器。光生载流子光生载流子 在光辐射作用下，半导体资料吸收入射光子的能量，使束缚态的电荷产生能级跃迁而变成自在电荷，这些由光激发产生的载流子称为光生载流子。相对于热平衡形状下由热激发与复合而产生的热平衡载流子而言，光生载流子又称为非平衡载流子。光电探测器的任务原理就是基于这些光生载流子，采取一定的措施利用这些非平衡载流子，将它们的变化耦合到外电路中，使外电路中的电流或电压的变化反映入射光辐射功率的变化，从而到达光检测的目的。 本征吸收本征吸收 本征吸收指光照半导体资料时，价带中的电子吸收入射光子的能量跃迁到导带中去，这种激发过程称为半导体的本征吸收。在本征

4、吸收过程中，价带中的电子跃迁到导带，同时在价带中留下空穴，产生了电子空穴对。与热平衡形状相比，在导带中多出了一部分电子，在价带中多出了一部分空穴，它们是由于光照而产生的载流子，称为光生载流子。在光照时，半导体中总的载流子浓度比热平衡形状下载流子浓度大。本征吸收产生的条件是入射光子的能量必需大于资料的禁带宽度，杂质吸收杂质吸收 掺有杂质的半导体资料，在光照时也会产生光激发。对于n型半导体，施主杂质中的束缚电子吸收了光子的能量跃迁到导带；对于p型半导体，受主杂质中的束缚空穴吸收了光子能量跃迁到价带。施主释放束缚电子到导带、受主释放束缚空穴到价带所需的能量称为杂质的电离能和。 光电导探测器的构造 光

5、电导探测器的构造很简单，只需在一块匀质的半导体两端装上电极就可以构成一个光敏电阻。 灵敏度灵敏度 灵敏度通常指的是在一定条件下，单位照度所引起的光电流。由于各种器件运用的范围及条件不一致，因此灵敏度有各种不同的表示法。光电导体的灵敏度表示在一定光强下光电导的强弱。它可以用光电增益G来表示。根据定态条件下电子与空穴的产生率与复合率相等 可推导出 为量子产额，即吸收一个光子所产生的电子空穴对数； 为光生载流子寿命； 为载流子在光电导两极间的渡越时间。 光电导的弛豫 光电导是非平衡载流子效应，因此有一定的弛豫景象：光照射到样品后，光电导逐渐添加，最后到达定态。光照停顿，光电导在一段时间内逐渐消逝。这

6、种弛豫景象表现了光电导对光强变化反响的快慢。光电导上升或下降的时间就是弛豫时间，或称为呼应时间(惰性)。显然，弛豫时间长，表示光电导反响慢，这时称惯性大；弛豫时间短，即光电导反响快，称惯性小。从光电导的机构来看，弛豫景象表现为在光强变化时，光生载流子的积累和消逝的过程。因此，要讨论弛豫景象，必需研讨光生载流子的产生与复合。 光电导的驰豫决议在迅速变化的光强下，一个光电器件能否有效任务的问题。 在分析定态光电导和光强之间的关系时，虽然实践情况比较复杂，但通常讨论下面两种典型情况：直线性光电导，即光电导与光强成线性关系，如Si、Ge、PbO等许多资料至少在较低的光强下都具有这种性质；抛物线性光电导

7、，指的是光电导与光强的平方根成正比。有不少光电导体在低光强下属于直线性光电导，但在较高的光强下那么为抛物线性光电导。 光敏电阻任务机理较复杂，但构造简单，光敏电阻任务机理较复杂，但构造简单，只是在一块匀质的光电导体两端只是在一块匀质的光电导体两端加上电极即成，如下图。加上电极即成，如下图。1光谱呼应相当宽光谱呼应相当宽根据不同的光电导资料，光敏电阻根据不同的光电导资料，光敏电阻的灵敏域可在紫外光区，可见光区，的灵敏域可在紫外光区，可见光区，也可在红外区和远红外区。也可在红外区和远红外区。光敏电阻有以下优点：光敏电阻有以下优点：2所测的光强范围宽，即可对强光呼应，也可对弱光呼应。所测的光强范围宽

8、，即可对强光呼应，也可对弱光呼应。3无极性之分，运用方便，本钱低，寿命长。无极性之分，运用方便，本钱低，寿命长。4灵敏度高，任务电流大，可达数毫安灵敏度高，任务电流大，可达数毫安 运用时必需在光敏电阻两端加上电压，普通再串一个负载电阻，构成闭合回路。当光照光敏电阻时，其电导率发生变化，电阻值随之变化，那么流经整个回路的电流发生变化。负载上电流的变化反映了光照信号的变化。在负载上取出其变化信号，便到达了检测入射光信号的目的。光照时，光敏电阻的电阻值通常称为明电阻或亮电阻，无光照时的电阻称为暗电阻。 模型构造表示图偏置电路等效电路二、特性二、特性 1光照特性 图示出硫化镉光敏电阻的光照特性。光敏电

9、阻受光照时的电流与不受光照时的电流之差，称光电流。由于有上述的光电流放大作用，它的灵敏度高，光照特性为非线性。在适用范围内，它们的关系可表示如下： I经过光敏电阻的电流；经过光敏电阻的电流；U加于光敏电阻的电压；加于光敏电阻的电压；L光敏电阻上的照度；光敏电阻上的照度；K比例系数；比例系数；a电压指数，普通近于电压指数，普通近于1； b 照度指数。照度指数。 baLKUI 光谱特性与所用的资料光谱特性与所用的资料有关，图有关，图(b)的曲线的曲线1、2、3分别示出硫化镉、分别示出硫化镉、硒化镉、硫化铅光敏电硒化镉、硫化铅光敏电阻的光谱特性。从图可阻的光谱特性。从图可以看出，硫化铅光敏电以看出，

10、硫化铅光敏电2光谱特性光谱特性 光敏电阻的光谱分布，不仅和资料的性质有关，也和工艺过程有关。光敏电阻的光谱分布，不仅和资料的性质有关，也和工艺过程有关。例如硫化镉光敏电阻，随着掺铜浓度的添加，光谱峰值由例如硫化镉光敏电阻，随着掺铜浓度的添加，光谱峰值由5000埃移埃移至至6400埃。而硫化铅随薄层的减薄，光谱峰值位置移向短波方向。埃。而硫化铅随薄层的减薄，光谱峰值位置移向短波方向。 阻在较宽的光谱范围内有较高的灵敏度。阻在较宽的光谱范围内有较高的灵敏度。 本征光电导光谱特性3伏安特性伏安特性 图图(c)的曲线的曲线1和和2分别表示照度分别表示照度为零和某值时的伏安特性。假为零和某值时的伏安特性

11、。假设所加电压越高，那么光电流设所加电压越高，那么光电流越大而且无饱和景象。对于大越大而且无饱和景象。对于大多数半导体，电场强度超越多数半导体，电场强度超越10伏厘米时才开场不遵照欧姆伏厘米时才开场不遵照欧姆定律。只需硫化镉是例外，它定律。只需硫化镉是例外，它的伏安特性在的伏安特性在100多伏时就产生多伏时就产生转转折点而不再呈线性了。光敏电阻的最高运用电压由它的耗散折点而不再呈线性了。光敏电阻的最高运用电压由它的耗散功率所决议，而耗散功率又和面积大小、散热情况等有关。功率所决议，而耗散功率又和面积大小、散热情况等有关。由于伏安特性成线性，光敏电阻除用积分灵敏度外，用比灵敏度也由于伏安特性成线

12、性，光敏电阻除用积分灵敏度外，用比灵敏度也很方便。比灵敏度很方便。比灵敏度Sb的定义如下的定义如下: I 光敏电阻被照射时和黑暗时的电流差；光敏电阻被照射时和黑暗时的电流差； U 光敏电阻上所加的电压；光敏电阻上所加的电压； 照射于光敏电阻上的光通量。照射于光敏电阻上的光通量。比灵敏度乘以电压就得积分灵敏度，积分灵敏度与电压成正比这是比灵敏度乘以电压就得积分灵敏度，积分灵敏度与电压成正比这是容易了解的，由于在一样的光通量下，光敏电路的电流与电压成正容易了解的，由于在一样的光通量下，光敏电路的电流与电压成正比。普通需求经过几百小时后，光敏电阻的灵敏度才趋稳定。光敏比。普通需求经过几百小时后，光敏

13、电阻的灵敏度才趋稳定。光敏电阻的主要优点之一是积分灵敏度较高电阻的主要优点之一是积分灵敏度较高)/( UISb4频率特性频率特性 图(d)的曲线l和2分别表示出硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性。光敏电阻的频率特性较差，这是由于光敏电阻的导电性与被俘获的载流子有关，当入射光强上升时，被俘获的自在载流子到相应的数值需求一定时间；同样，入射光强降低时，被俘获的电荷释放出来也是比较定时间；同样，入射光强降低时，被俘获的电荷释放出来也是比较慢的，光敏电阻的阻值，要花一段时间后才干到达相应的数值慢的，光敏电阻的阻值，要花一段时间后才干到达相应的数值(新新的平衡值的平衡值)，故其频率特性较差。有时以时间常数

14、阐明频率呼应的，故其频率特性较差。有时以时间常数阐明频率呼应的好坏。当光敏电阻忽然遭到光照时，电导率上升到最终值的好坏。当光敏电阻忽然遭到光照时，电导率上升到最终值的63所所花的时间，被称为上升时间常数。同样，降低时间常数是把器件忽花的时间，被称为上升时间常数。同样，降低时间常数是把器件忽然黑暗时，其导电率降到起始值的然黑暗时，其导电率降到起始值的37(即降低即降低63)所花的时间。所花的时间。5疲惫特性疲惫特性 图(e)的曲线l和2分别表示出型号不同的两种硫化镉光敏电阻的疲惫特性。初制成的光敏电阻，由于体内机构的不稳定，以及电阻体与其介质间的作用还没有到达平衡，所以性能是不够稳定的。在人为地

15、加温、光照及加负载情况下，经一至二个星期的老化，性在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二个星期的老化，性能可到达稳定。光敏电阻在开场一段时间的老化过程中，有些样品能可到达稳定。光敏电阻在开场一段时间的老化过程中，有些样品阻值上升了，有些样品阻值下降了，各不一样，但最后总能到达一阻值上升了，有些样品阻值下降了，各不一样，但最后总能到达一个稳定值，以后就不再变了。这是光敏电阻的主要优点，它以其高个稳定值，以后就不再变了。这是光敏电阻的主要优点，它以其高度的稳定性而被广泛地运用在自动化技术上。度的稳定性而被广泛地运用在自动化技术上。 6温度特性温度特性 光敏电阻的性质受温度的光敏电阻的性质受温度

16、的影响较大。随着温度的升影响较大。随着温度的升高灵敏度要下降。硫化镉高灵敏度要下降。硫化镉的光电流的光电流I和温度和温度T的关系的关系如图如图(f)所示。有时为了提所示。有时为了提高灵敏度，将元件降温运高灵敏度，将元件降温运用。例如，利用制冷器使用。例如，利用制冷器使光敏电阻的温度降低。光敏电阻的温度降低。随着温度的升高，光敏电阻黑暗时电流上升，光照时的电流添加不随着温度的升高，光敏电阻黑暗时电流上升，光照时的电流添加不多。因此，它的光电流下降，即光电灵敏度下降。不同资料的光敏多。因此，它的光电流下降，即光电灵敏度下降。不同资料的光敏电阻，温度特性也不一样，普通硫化镉的温度特性比硒化镉好，硫电

17、阻，温度特性也不一样，普通硫化镉的温度特性比硒化镉好，硫化铅的温度特性比硒化铅好。光敏电阻的光谱特性也随着温度而变化铅的温度特性比硒化铅好。光敏电阻的光谱特性也随着温度而变化。例如硫化铅光敏电阻，在化。例如硫化铅光敏电阻，在+20与与-20温度范围内，随着温度温度范围内，随着温度的升高，其光谱特性向短波方向挪动。为了使元件对波长较长的光的升高，其光谱特性向短波方向挪动。为了使元件对波长较长的光有较高的呼应，有时也可采用降温措施。有较高的呼应，有时也可采用降温措施。体积小，分量轻，构造简单而结实，允许的光电流大，任务寿命长；体积小，分量轻，构造简单而结实，允许的光电流大，任务寿命长； 光敏电阻在

18、黑暗时的电阻值普通大于10兆欧，假设它被光线照射，电阻值显著降低，称为亮阻，约在几万欧以下。暗阻和亮阻之比在 之间。这一比值越大，光敏电阻的灵敏度越高。随着温度的升高，暗电阻下降，这对光敏电阻的任务不利。光敏电阻有以下优点：光敏电阻有以下优点： 7暗电阻和暗电流暗电阻和暗电流 210610型号一样的光敏电阻的参数也参差不齐，光照特性的非线性使它不型号一样的光敏电阻的参数也参差不齐，光照特性的非线性使它不适宜于丈量要求线性的场所。适宜于丈量要求线性的场所。缺陷缺陷光敏电阻虽有它的缺陷，但在很多情况下这些缺陷并不重要光敏电阻虽有它的缺陷，但在很多情况下这些缺陷并不重要,因此它因此它的运用较广的运用

19、较广.例如遥控设备的主要要求是灵敏度高而采用光敏电阻。例如遥控设备的主要要求是灵敏度高而采用光敏电阻。另外，由于很多光敏电阻对红外线敏感，适宜于在红外线光谱区工另外，由于很多光敏电阻对红外线敏感，适宜于在红外线光谱区工作。作。光敏电阻的符号和衔接电路如下图。光敏电阻的符号和衔接电路如下图。图图(a)中的输出电压中的输出电压 与入射光通与入射光通量的变化成反相，图量的变化成反相，图(b)中中 与入射与入射光通量变化成同相。在入射光通量光通量变化成同相。在入射光通量变化范围一定情况下，为了使输出变化范围一定情况下，为了使输出电压电压 变化范围最大，普通变化范围最大，普通取取 。 三、电路三、电路

20、当入射光通量延续变化时， 为光敏电阻变化的中间值，即当入射光通量腾跃变化时，当入射光通量腾跃变化时， 和和 是指入射光通量是指入射光通量最大和最最大和最小时的光敏电阻值，可经过实验得到。同时，电源小时的光敏电阻值，可经过实验得到。同时，电源E也应满足下式也应满足下式 oVoVoVGLRRGR2/ )(minmaxGGGRRRmaxGRminGR2/)4(maxLRPE 为光敏电阻的最大允许功耗。为光敏电阻的最大允许功耗。 maxP 1采用光调制技术，普通调制频率为8001000Hz。 2制冷或恒温，使热噪声减少。 3采用合理的偏置，选择最正确的偏置电流，使信噪比到达最高。 在图中，当入射光通量

21、变化时，会引起I和 的同时变化，使整个系统线性变坏，噪声添加。为了降低光敏电阻的噪声，提高信息转换精度，可采取以下方法： 恒流偏置电路如下图。图中，由于恒流偏置电路如下图。图中，由于采用了稳压管采用了稳压管D，故，故 不变，使不变，使 不变，不变， 不变，到达恒流的目的，不变，到达恒流的目的，这时，入射光通量的变化仅引起这时，入射光通量的变化仅引起 电压的变化。电压的变化。oVbVbIcIoV恒压偏置电路如下图。图中，恒压偏置电路如下图。图中，由于采用了稳压管由于采用了稳压管D， 故故 不变不变, 也不变。入射光也不变。入射光通量的变化仅引起通量的变化仅引起的变化，可以证明，恒压偏的变化，可以

22、证明，恒压偏置的最大特点是光敏电阻的置的最大特点是光敏电阻的灵敏度与光敏电阻的暗阻值灵敏度与光敏电阻的暗阻值无关，因此互换性好，互换无关，因此互换性好，互换光敏电阻时不影响仪器的精光敏电阻时不影响仪器的精度。度。bVeV恒压偏置电路恒压偏置电路cI增大加于探测器上的直流偏压可以增大信号和噪声输出，但加偏压不能过大，只能在允许的条件下增大任务偏压。 习题 1光电导探测器灵敏度与其任务偏流有何关系?它在适用中的重要意义是什么? 2光电导探测器呼应时间(频率特性五受哪些要素限制?为什么光电导探测器的任务频率都不如光伏高，普通上限频率最高约为多少量级?实践运用时如何改善其频率呼应? 3试绘出光电导探测

23、器的等效电路，并进一步绘出(1)信号交流等效电路；(2)噪声等效电路；(3)信号、噪声等效电路。 4光电导探测器的内增益与哪些量有关?为什么说，内增益系数是一个随机变量。 4光电发射和二次电子发射两者有哪些不同?简述光电倍增管的任务原理。 5光电倍增管中倍增极有哪几种构造?每一种的主要特点是什么? 6如何选择倍增极之间的级间电压? 7分析电阻分压器的电压再分配效应和负载电阻的反响效应，怎样才干减少这些效应的影响? 光生伏特效应 光伏型探测器是一种结型构造的探测器，它是基于半导体的光生伏特效应制成的。光伏效应是光照射光敏资料时产生光生电压的景象。 经过检测光生电压，或者检测探测器回路的光生感应电

24、流到达检测入射光功率的目的。根据探测器的详细构造不同，光电探测器可以分为以下几种：光电池、光电二极管、PIN光电二极管、雪崩光电二极管、光电三极管以及其它派生的光电探测器。光伏探测器的主要特点是：线性好，呼应速度快，运用方便，它们广泛运用在丈量系统。 光伏探测器与光电导探测器相比较，主要区别在于： (1)产生光电变换的部位不同，光电导探测器是均值型，光无论照在它的哪一部分，受光部分的电导率都要增大，而光伏探测器是结型，只需到达结区附近的光才产生光伏效应。 (2)光电导探测器没有极性，任务时必需外加偏压，而光伏探测器有确定的正负极，不需外加偏压也可以把光信号变为电信号。 (3)光电导探测器的光电

25、效应主要依赖于非平衡载流子中的多子产生与复合运动，弛豫时间较大，呼应速度慢，频率呼应性能较差。而光伏探测器的光伏效应主要依赖于结区非平衡载流子中的少于漂移运动，弛豫时间较小，因此，呼应速度快，频率呼应特性好。另外，像雪崩二极管和光电三极管还有很大的内增益作用，不仅灵敏度高，还可以经过较大的电流。 基于上述特点，光伏探测器的运用非常广泛。普通多用于光度丈量、光开关、报警系统、图像识别、自动控制等方面。 光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的景象。对于不均匀半导体，由于同质的半导体不同的掺杂构成的pn结、不同质的半导体组成的异质结或金属与半导体接触构成

26、的肖特基势垒都存在内建电场，当光照这种半导体时，由于半导体对光的吸收而产生了光生电子和空穴，它们在内建电场的作用下就会向相反的方向挪动和积聚而产生电位差，这种景象是最重要的一类光生伏特效应。对于均匀半导体，由于体内没有内建电场，当光照这种半导体一部分时，由于光生载流子浓度梯度的不同而引起载流子的分散运动。但电子和空穴的迁移率不等，由于两种载流子分散速度的不同而导致两种电荷的分开，从而出现光生电势。这种景象称为丹倍效应。此外，假设存在外加磁场，也可使得分散中的两种载流子向相反方向偏转，从而产生光生电势，称为光磁电效应。通常把丹倍效应和光磁电效应称为体积光生伏特效应。从晶体管实际可知，当把从晶体管

27、实际可知，当把N型半导体和型半导体和P型半导体结合在一同时，型半导体结合在一同时，N型半导体中的电子和型半导体中的电子和P型半导体中的空穴就会相互分散，见图型半导体中的空穴就会相互分散，见图(a)，结果在结果在PN区交界面附近构成一个很薄的空间电荷区，产生如图区交界面附近构成一个很薄的空间电荷区，产生如图(b)所示的内电场，方向由所示的内电场，方向由N区指向区指向P区。区。一、原理与构造一、原理与构造 光电池光电池 硒光电池构造表示图硅光电池构造表示图当光线照射当光线照射PN结时，结时，PN结将吸收入射光子。假设光子能量超越结将吸收入射光子。假设光子能量超越半导体资料的禁带宽度，那么由半导体能

28、带实际可知，在半导体资料的禁带宽度，那么由半导体能带实际可知，在PN结结附近会产生电子和空穴。在内电场的作用下，空穴移向附近会产生电子和空穴。在内电场的作用下，空穴移向P区，电区，电子移向子移向N区，挪动的结果，在区，挪动的结果，在N区聚集大量的电子而带上负电，区聚集大量的电子而带上负电，在在P区聚集大量的空穴而带上正电。于是在区聚集大量的空穴而带上正电。于是在P区和区和N区之间产生了区之间产生了电势，成为光生电动势。假设用导线和电阻把电势，成为光生电动势。假设用导线和电阻把N区和区和P区衔接起区衔接起来，回路中就会有光电流来，回路中就会有光电流I流过，电流方向是由流过，电流方向是由P区流向区

29、流向N区，如区，如图图313-1(c)所示，这就是光电池受光照时产生光生电动势和所示，这就是光电池受光照时产生光生电动势和光电流的简单原理。光电流的简单原理。光电池的符号如下图，光电池的内光电池的符号如下图，光电池的内部构造等效电路如图部构造等效电路如图(b)所示。所示。从以上分析可知，由光照产生的电从以上分析可知，由光照产生的电子和空穴在内电场的作用下才构成子和空穴在内电场的作用下才构成光生电动势和光电流。由于内电场光生电动势和光电流。由于内电场另外，光电池的输出也受外接负载电阻大小的影响，如下图另外，光电池的输出也受外接负载电阻大小的影响，如下图. 当当 时，时， ，是由掺杂的是由掺杂的P

30、区和区和N区自在分散构成的，故内电场的强度是非常有区自在分散构成的，故内电场的强度是非常有限的，就导致了光电池的光电转换效率非常低，最高也只能是百分限的，就导致了光电池的光电转换效率非常低，最高也只能是百分之十几。之十几。0LR0USII即输出电流与入射光通量即输出电流与入射光通量成线性成线性关系。关系。 上式中，S是光电池的灵敏度。当时 ， ，随着U的增大，PN结的等效电阻 开场变小，那么 开场增大，由于 显然，显然，I与与成非线性关系。当成非线性关系。当U继续增大到继续增大到PN结的导通电压时结的导通电压时 ( 非常大时非常大时)，U就不会再增大，此时，就不会再增大，此时，PN结的结的 变

31、得很小，光变得很小，光照所产生的光电流照所产生的光电流 几乎全部流向二极管，即几乎全部流向二极管，即 这时，在负载这时，在负载RL上除有少量的电流维持上除有少量的电流维持PN结的导通电压结的导通电压U外，光外，光照产生的光电流几乎都耗费在光电池内部。照产生的光电流几乎都耗费在光电池内部。这种景象也可以从图这种景象也可以从图(c)中看出。当中看出。当 较大时，光电流流过较大时，光电流流过 时，必然使时，必然使U增大，由于增大，由于U的方向是与内电场方向相反，故要减弱的方向是与内电场方向相反，故要减弱内电场的强度，从而使光生的电子和空穴不能移过内电场的强度，从而使光生的电子和空穴不能移过PN结，使

32、对外结，使对外输出的光电流减少。输出的光电流减少。0LR0UDrDIDIIILRDrIDIIILRLR光电池的种类光电池的种类硒光电池，氧化亚铜光电池，硫化铊光电池，硫化镉光电硒光电池，氧化亚铜光电池，硫化铊光电池，硫化镉光电池，锗光电池，硅光电池，砷化镓光电池等。池，锗光电池，硅光电池，砷化镓光电池等。其中最受注重的是硅光电池，由于它有一系列的优点，其中最受注重的是硅光电池，由于它有一系列的优点，例如性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、换能效率高、能耐例如性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、换能效率高、能耐高能辐射等。高能辐射等。硒光电池比硅光电池价廉，它的光谱峰值位置在人的视觉范围硒光电池比硅

33、光电池价廉，它的光谱峰值位置在人的视觉范围内，因此运用在不少丈量仪器上。内，因此运用在不少丈量仪器上。 。 二、特性二、特性 1光照特性 图图(a)和图和图(b)分别示出分别示出硅光电池和硒光电的硅光电池和硒光电的光照特性，它指光生光照特性，它指光生电动势和光电流与照电动势和光电流与照度的关系。度的关系。 光电池的电动势，即开路电压与照度光电池的电动势，即开路电压与照度L L成非线性关系，在照度成非线性关系，在照度20002000勒克斯照射下就趋向饱和了。勒克斯照射下就趋向饱和了。 光电池的短路电流与照度成线性关系，而且受照结面积越大，光电池的短路电流与照度成线性关系，而且受照结面积越大，短路

34、电流亦越大短路电流亦越大( (可把光电池看成由许多小光电池并联而成可把光电池看成由许多小光电池并联而成) )。 光电池的所谓短路电流是指外接负载电阻相对于光电池的内阻来光电池的所谓短路电流是指外接负载电阻相对于光电池的内阻来讲很小。而光电池在不同照度时，其内阻也不同，所以在不同的讲很小。而光电池在不同照度时，其内阻也不同，所以在不同的照度时可用不同大小的外接负载近似地满足照度时可用不同大小的外接负载近似地满足“短路条件。短路条件。 当光电池作为丈量元件时，应以电流源的方式来运用。当光电池作为丈量元件时，应以电流源的方式来运用。图图(c)(c)示出硒光电池的光照特性与示出硒光电池的光照特性与负载

35、电阻的关系。硅光电池也有相负载电阻的关系。硅光电池也有相类似的关系。从图可见，负载电阻类似的关系。从图可见，负载电阻RLRL越小，光电流和照度的线性关系越小，光电流和照度的线性关系越好，且线性范围较广。所以光电越好，且线性范围较广。所以光电池作为丈量元件时，所用负载电阻池作为丈量元件时，所用负载电阻的大小，应根据照度或光强而定。的大小，应根据照度或光强而定。当照度较大时，为保证丈量有线性当照度较大时，为保证丈量有线性关系，所用负载电阻应较小。关系，所用负载电阻应较小。负载电阻增大时，光电流变小，而且光照特性的线性区域亦变小，负载电阻增大时，光电流变小，而且光照特性的线性区域亦变小，这是由于光电

36、池的内阻随照度和电压而改动。硅光电池的内阻普这是由于光电池的内阻随照度和电压而改动。硅光电池的内阻普通属于低阻范围，其大小与受光面积和光强有关，在通属于低阻范围，其大小与受光面积和光强有关，在100100毫瓦毫瓦厘米的入射光强下，光电池每平方厘米的内阻范围在厘米的入射光强下，光电池每平方厘米的内阻范围在15201520欧之欧之间。间。2 2光谱特性光谱特性 光电池的光谱特性决议于所采用的资料。光电池的光谱特性决议于所采用的资料。 图图(d)(d)的曲线的曲线1 1和和2 2分别示出硒和分别示出硒和硅光电池的光谱特性。从图上可硅光电池的光谱特性。从图上可看出，硒光电池在可见光谱内有看出，硒光电池

37、在可见光谱内有较高的灵敏度，峰值波长在较高的灵敏度，峰值波长在54005400埃附近，它适宜于丈量可见光。埃附近，它适宜于丈量可见光。假设硒光电池与适当的滤光片配假设硒光电池与适当的滤光片配合，它的光谱灵敏度与人的眼睛合，它的光谱灵敏度与人的眼睛很接近，可用它客观地决议照度。很接近，可用它客观地决议照度。硅光电池可以运用的范围为硅光电池可以运用的范围为400040001100011000埃，峰值波长在埃，峰值波长在85008500埃附埃附近，因此对色温为近，因此对色温为2854K2854K的钨丝灯光源，能得到很好的光谱呼应。的钨丝灯光源，能得到很好的光谱呼应。光电池的光谱峰值位置不仅与制造光电

38、池的资料有关，也和制造光电池的光谱峰值位置不仅与制造光电池的资料有关，也和制造工艺有关，并且随运用温度的不同而有所挪动。工艺有关，并且随运用温度的不同而有所挪动。3 3伏安特性伏安特性 伏安特性如图。图中还画出负载伏安特性如图。图中还画出负载电阻为电阻为0.50.5、l l、3 3千欧的负载线。千欧的负载线。光电池的负载线由光电池的负载线由 决议。决议。负载电阻短接或很小时，负载线负载电阻短接或很小时，负载线垂直或接近于垂直。它与伏安特垂直或接近于垂直。它与伏安特性的交点为等间隔，电流正比于性的交点为等间隔，电流正比于照度，数值也较大。负载电阻增照度，数值也较大。负载电阻增 增大时，交点的间隔

39、不等，例如增大时，交点的间隔不等，例如3 3千欧这条负载线与伏安特性的交千欧这条负载线与伏安特性的交点相互间间隔不等，即电流不与照度成正比，光照特性不是直线，点相互间间隔不等，即电流不与照度成正比，光照特性不是直线，电流也减小。电流也减小。 光电池的积分灵敏度由光通量为光电池的积分灵敏度由光通量为1 1流明所能产生的短路电流决议。流明所能产生的短路电流决议。硅光电池的灵敏度为硅光电池的灵敏度为6 68 8毫安毫安/ /流明，硒光电池的灵敏度约为流明，硒光电池的灵敏度约为0.50.5毫安流明，因此硅光电池的灵敏度比硒高。硅光电池的开路电毫安流明，因此硅光电池的灵敏度比硒高。硅光电池的开路电压在压

40、在0.450.450.60.6伏之间。在器件构造一样的情况下，能够到达的最伏之间。在器件构造一样的情况下，能够到达的最大开路电压，硒比硅略微高一些。大开路电压，硒比硅略微高一些。 IRUL4 4频率特性频率特性 光电池的光电池的PNPN结或阻挠层的面积大结或阻挠层的面积大极间电容大，因此频率特性较差，极间电容大，因此频率特性较差， 图图(f)(f)曲线曲线l l示出硒光电池的频率特示出硒光电池的频率特性，它是在负载电阻为一兆欧时绘性，它是在负载电阻为一兆欧时绘出的。负载电阻越大，电容的旁路出的。负载电阻越大，电容的旁路作用越显著，频率特性高频部分的作用越显著，频率特性高频部分的下降越厉害。因此

41、不宜于检测交变下降越厉害。因此不宜于检测交变图图(f)(f)中的曲线中的曲线2 2，在照度较强和负载电阻较小的情况下，它的截止，在照度较强和负载电阻较小的情况下，它的截止频率最高可达频率最高可达10103030千赫。在低照度时频率特性要变差，这是由于千赫。在低照度时频率特性要变差，这是由于在低照度光阴电池内阻增大的缘故。呼应速度与结电容和负载电阻在低照度光阴电池内阻增大的缘故。呼应速度与结电容和负载电阻的乘积有关。如欲改善频率特性，需减小负载电阻或减小光电池的的乘积有关。如欲改善频率特性，需减小负载电阻或减小光电池的面积，使它的结电容减小。此外，呼应速度还与少数载流子的寿命面积，使它的结电容减

42、小。此外，呼应速度还与少数载流子的寿命和分散时间等有关。和分散时间等有关。光通量。硅光电池的频率特性要好一些，光通量。硅光电池的频率特性要好一些， 5 5温度特性温度特性 图图(g)(g)示出硅光电池的开路电压和短示出硅光电池的开路电压和短路电流与温度路电流与温度T T的关系。的关系。 硅光电池的开路电压随温度升高而硅光电池的开路电压随温度升高而降低，温度每升高降低，温度每升高l l度，电压下降度，电压下降2323毫伏。短路电流随着温度升高，毫伏。短路电流随着温度升高，开场增大。当温度超越开场增大。当温度超越7070度左右时，度左右时，温度升高，电流下降。温度升高，电流下降。硅光电池在强辐射下

43、性能也是稳定的。对于硒光电池，在强光照硅光电池在强辐射下性能也是稳定的。对于硒光电池，在强光照射时性能变化很大，这主要是由于此时体内已起了变化或外表的射时性能变化很大，这主要是由于此时体内已起了变化或外表的硒被氧化所呵斥的。光电池的可靠性好，寿命也较长，它们除与硒被氧化所呵斥的。光电池的可靠性好，寿命也较长，它们除与制造资料、工艺有关外，还和运用的情况有关，因此合理地运用制造资料、工艺有关外，还和运用的情况有关，因此合理地运用光电池，也是保证性能稳定，可靠性好，寿命长的重要环节。光电池，也是保证性能稳定，可靠性好，寿命长的重要环节。光电池的运用：光电池的运用： 光电池在受强光照射或聚焦光照射的

44、情况下，应该思索光电池的光电池在受强光照射或聚焦光照射的情况下，应该思索光电池的任务温度及散热措施。假设硒光电池的结温超越任务温度及散热措施。假设硒光电池的结温超越5050度、硅光电池度、硅光电池的结温超越的结温超越200200度时，就要破坏它们的晶体构造，呵斥损坏。通常度时，就要破坏它们的晶体构造，呵斥损坏。通常硅光电池运用的结温不允许超越硅光电池运用的结温不允许超越125125度。度。 硅光电池是由薄的硅片制成，极脆，运用时应特别小心。硅光电池硅光电池是由薄的硅片制成，极脆，运用时应特别小心。硅光电池的固定不宜用压紧法，应采用胶粘法。由于硅光电池和座子的膨胀的固定不宜用压紧法，应采用胶粘法

45、。由于硅光电池和座子的膨胀系数不能够一样，所以也不宜用极结实的胶合剂系数不能够一样，所以也不宜用极结实的胶合剂( (如环氧树脂、如环氧树脂、502502胶等胶等) )，应采用柔软而富有弹性的胶合剂，应采用柔软而富有弹性的胶合剂( (如蜂蜡、硬柏油、清凡力如蜂蜡、硬柏油、清凡力水、万能胶等水、万能胶等) )。硅光电池的外表通常镀有一层增透膜，运用时应防止硬物接触表硅光电池的外表通常镀有一层增透膜，运用时应防止硬物接触表面。外表如有脏物，可以用酒精棉花悄然擦拭。假设增透膜零落，面。外表如有脏物，可以用酒精棉花悄然擦拭。假设增透膜零落，将使硅光电池的输出略有下降，但仍可运用。将使硅光电池的输出略有下

46、降，但仍可运用。硅光电池的引线很柔嫩，不能拉力太大，以免零落。硅光电池的引线很柔嫩，不能拉力太大，以免零落。三、电路三、电路 1. 光电池用作太阳能电池光电池用作太阳能电池 当光电池用作太阳能电池时，是当光电池用作太阳能电池时，是把光能直接转换成电能，需求最把光能直接转换成电能，需求最大的输出功率和转换效率。这光大的输出功率和转换效率。这光阴电池的受光面积往往做得比较阴电池的受光面积往往做得比较大，或把多个光电池作串、并联大，或把多个光电池作串、并联衔接，再将它们置于太阳光的照衔接，再将它们置于太阳光的照射下，就成为把光能转换成电能射下，就成为把光能转换成电能的太阳电池。光电池用作太阳能的太阳

47、电池。光电池用作太阳能电池时的电路如下图。在黑夜或电池时的电路如下图。在黑夜或光线微弱时，为防止蓄电池经过光线微弱时，为防止蓄电池经过光电池放电而设置二极管光电池放电而设置二极管D D。 光电池用作检测元件运用时的电路如下图，此电路可实现光电池用作检测元件运用时的电路如下图，此电路可实现光电池的线性输出。对光电池而言，近似等于光电池的线性输出。对光电池而言，近似等于0.0.图中，。图中，。 式中，式中，S S为光电池的灵敏度，为光电池的灵敏度，是入射到光电池的光通量是入射到光电池的光通量 2 2光电池用作检测元件光电池用作检测元件SRIRVffo23 31 14 4 光敏二极管光敏二极管(PD

48、)(PD)光敏二极管是一种用光敏二极管是一种用PNPN结单导游电结单导游电性的结型光电信息转换器件。性的结型光电信息转换器件。 一、构造和任务原理一、构造和任务原理 与普通半导体二极管类似，其与普通半导体二极管类似，其PNPN结装在管子的顶部，以便使结装在管子的顶部，以便使光线集中在光敏面，光敏二极管的外形构造如图光线集中在光敏面，光敏二极管的外形构造如图a a所示。所示。 光敏二极管任务时加反向偏压，图光敏二极管任务时加反向偏压，图(b)(b)，加反向偏压的目的是加，加反向偏压的目的是加一个方向与一个方向与PNPN结内电场方向一致的外电场，抑制了光电池弱点，线结内电场方向一致的外电场，抑制了

49、光电池弱点，线性特性和频率特性将彻底改善，光电流的输出仅受光照强弱变化的性特性和频率特性将彻底改善，光电流的输出仅受光照强弱变化的影响，与负载电阻的大小无关。无光照时，光敏二极管任务在截止影响，与负载电阻的大小无关。无光照时，光敏二极管任务在截止形状，只需少数载流子在反向偏压作用下，渡越阻挠层，构成微小形状，只需少数载流子在反向偏压作用下，渡越阻挠层，构成微小的反向电流，即暗电流。光敏二极管受光照时，的反向电流，即暗电流。光敏二极管受光照时，PNPN结附近受光子轰结附近受光子轰击吸收其能量而产生电子空穴对，从而使击吸收其能量而产生电子空穴对，从而使P P区和区和N N区的少数载流子浓区的少数载

50、流子浓度大大添加，在外加电场和内电场的共同作用下，度大大添加，在外加电场和内电场的共同作用下，P P区的电子渡越区的电子渡越阻挠层进入阻挠层进入N N区，区，N N区的空穴进人区的空穴进人P P区，从而使经过区，从而使经过PNPN结的方向电流结的方向电流大大添加，这就构成了光电流。大大添加，这就构成了光电流。 1光照特性光照特性 图图(a)(a)画出了硅光敏二极管的光电流画出了硅光敏二极管的光电流I I与照与照度度L L的特性曲线。从图上可看出，它的光照的特性曲线。从图上可看出，它的光照特性线性较好，适宜于检测方面的运用。特性线性较好，适宜于检测方面的运用。 ，光谱特性决议于所采用的资料，图光

51、谱特性决议于所采用的资料，图3 31 142(b)42(b)示出了锗的光谱呼应曲示出了锗的光谱呼应曲线。由图可知，它的呼应光谱长波限线。由图可知，它的呼应光谱长波限为为1800018000埃，短波限在埃，短波限在40004000埃附近，最埃附近，最灵敏的呼应波长大约灵敏的呼应波长大约14000140001500015000埃埃之间。硅的光谱特性可见图之间。硅的光谱特性可见图(b)(b)，它的，它的最灵敏呼应波长在最灵敏呼应波长在8000800090009000埃之间。埃之间。二、特性二、特性2光谱特性光谱特性 硅光敏二极管在入射光波长为硅光敏二极管在入射光波长为90009000埃处，其光谱灵敏

52、度不小于埃处，其光谱灵敏度不小于0 04 4微安微瓦。微安微瓦。 图图(c)(c)示出了硅光敏二极管的实示出了硅光敏二极管的实践伏安特性曲线，由光照控制的践伏安特性曲线，由光照控制的光敏二极管，与由基极控制的晶光敏二极管，与由基极控制的晶体三极管的任务情况相类似，因体三极管的任务情况相类似，因此光敏二极管在不同照度下的伏此光敏二极管在不同照度下的伏安特性，与普通晶体管在不同基安特性，与普通晶体管在不同基极电流下的输出特性类似。由此极电流下的输出特性类似。由此可知，光敏二极管对光信号的作可知，光敏二极管对光信号的作用，正像普通晶体管在基极上加用，正像普通晶体管在基极上加上电信号时的放大作用一样。

53、上电信号时的放大作用一样。光敏二极管在外加电压为零时仍有电流，这是光生伏特效应所产光敏二极管在外加电压为零时仍有电流，这是光生伏特效应所产生的短路电流。生的短路电流。 3伏安特性伏安特性 4频率特性频率特性 (a)(a)结电容结电容( (普通小于普通小于2020悄然法悄然法) )和杂散电容，因它与负载电阻并联，和杂散电容，因它与负载电阻并联，负载电阻越大，它的高额旁路作用越显著，高频呼应变差。负载电负载电阻越大，它的高额旁路作用越显著，高频呼应变差。负载电阻小，能使高频呼应改善，但输出电压要减小，两者应同时思索，阻小，能使高频呼应改善，但输出电压要减小，两者应同时思索，以选择适宜的负载电阻。在

54、负载电阻为以选择适宜的负载电阻。在负载电阻为l l千欧的情况下，截止频率千欧的情况下，截止频率可达可达1.51.5兆赫或更高；兆赫或更高； (b)(b)光生载流子在薄层中的分散时间及光生载流子在薄层中的分散时间及PNPN结结( (耗尽层或阻挠层耗尽层或阻挠层) )中的中的漂移时间，前者与入射光的波长有关。当波长超越某限制漂移时间，前者与入射光的波长有关。当波长超越某限制( (资料对资料对长波的吸收系数小长波的吸收系数小) )，入射光可透过二极管，入射光可透过二极管PNPN结而到达体内结而到达体内(N(N区区) )较较深部位几十到上千微米，它激发的光生载流子要分散到深部位几十到上千微米，它激发的

55、光生载流子要分散到PNPN结后才干结后才干构成光电流。这一分散时间限制了对长波光的频率呼应。构成光电流。这一分散时间限制了对长波光的频率呼应。 光敏二极管的频率呼应与下述要素有关：光敏二极管的频率呼应与下述要素有关： 波长较短的光生载流子大部分产生在波长较短的光生载流子大部分产生在PNPN结内，没有体内分散时间结内，没有体内分散时间的问题，而且频率呼应要好得多。对硅二极管，由波长不同引起的问题，而且频率呼应要好得多。对硅二极管，由波长不同引起的呼应时间可相差的呼应时间可相差102102108108倍。倍。5温度特性温度特性 光敏二极管在电压不变光敏二极管在电压不变(50(50伏伏) )和照度不

56、变和照度不变的情况下，其光电流的情况下，其光电流 随温度随温度T T而变而变如图。在精细光电丈量中要留意温度对丈如图。在精细光电丈量中要留意温度对丈量精度的影响，桥式电路是减小温度影响量精度的影响，桥式电路是减小温度影响的措施之一。在用调制光照射时，可采用的措施之一。在用调制光照射时，可采用交流放大器以抑制变化较慢的温度影响。交流放大器以抑制变化较慢的温度影响。6 6暗电流暗电流 图示出的曲线图示出的曲线l l和和2 2各为锗和硅光敏二极各为锗和硅光敏二极管的暗电流随温度管的暗电流随温度T T而变化的曲线。温而变化的曲线。温度升高，半导体受热激发，少数载流子度升高，半导体受热激发，少数载流子添

57、加，使暗电流添加。硅器件的暗电流添加，使暗电流添加。硅器件的暗电流及其温度系数都比锗器件小，因此对锗及其温度系数都比锗器件小，因此对锗器件需求适当的温度补偿。运用时要留器件需求适当的温度补偿。运用时要留意不使管壳侧面沾污。否那么会引起漏意不使管壳侧面沾污。否那么会引起漏电流，使暗电流变大。电流，使暗电流变大。 光敏二极管体积小，灵敏度高，稳定性好，呼应速度快，易于获得光敏二极管体积小，灵敏度高，稳定性好，呼应速度快，易于获得定向性，光谱在可见和红外区，它在检测和自动控制中用得较多。定向性，光谱在可见和红外区，它在检测和自动控制中用得较多。 0I光敏二极管的输出电路和等效电路。图光敏二极管的输出

58、电路和等效电路。图(a)(a)和图和图(b)(b)的差别是输出电的差别是输出电压压U U是反向的。由于是反向的。由于 ，由图，由图(c)(c)可知，可知， 上式中，上式中，S S是光敏二是光敏二极管的灵敏度，极管的灵敏度，是是入射到光敏二极管的入射到光敏二极管的光通量，光通量， 是等效是等效有此可见，为了得到较大的输出电压，除串接较大的有此可见，为了得到较大的输出电压，除串接较大的R R外，后级电外，后级电路的输入阻抗应尽能够大些。在图路的输入阻抗应尽能够大些。在图(c)(c)中，中，C C是结电容，普通较小，是结电容，普通较小，故在中频内可忽略，但在高频时不能忽略，故在中频内可忽略，但在高频

59、时不能忽略，C C直接影响光敏二极管直接影响光敏二极管的高频特性。的高频特性。计算光敏二极管的上限频率计算光敏二极管的上限频率 。负载电阻，即是负载电阻，即是R R和后级电路输入阻抗的并联值。和后级电路输入阻抗的并联值。 三、电路三、电路SiLLLRSRiuLRHfLRIUmax707.02maxUUHf)/1(RCjUIIIjRCjLjLjLjLjeRCURCJURCjRIRCjIU2maxmax)(111/12)(12LjRC2LjHRCLjHRCf21当当 时得时得而而令令得：得：从这里看出，减少负载电阻从这里看出，减少负载电阻 ，可使上限频率，可使上限频率 提高。提高。这结论对其他光电

60、信息转换器件也适用。这结论对其他光电信息转换器件也适用。LRHf在前面讨论在前面讨论PNPN结的光电效应时已指出，结的光电效应时已指出，PNPN结光生电流主要由耗结光生电流主要由耗尽区电子一空穴对在外加电场与内电场作用下的漂移运动构成的。尽区电子一空穴对在外加电场与内电场作用下的漂移运动构成的。由于电场主要分布在耗尽区内，所以载流子的漂移运动速度很快。由于电场主要分布在耗尽区内，所以载流子的漂移运动速度很快。普通来讲，耗尽区的电场足以使载流子的漂移速度到达极限值。在普通来讲，耗尽区的电场足以使载流子的漂移速度到达极限值。在分散区，由于场的分布趋于零，载流子的运动是分散运动，所以运分散区，由于场