第3章 半导体光电检测器件及应用2-光电池

1、v光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转换成电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。能的一种器件。vPNPN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PNPN结结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向拉向n n区，光生空穴拉向区，光生空穴拉向p p区，相当于区，相当于PNPN结上加一个结上加一个正电压。正电压。v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PNPN结短结短路，则会出现电流（光生电流）。路，则会出现电流（光生电流）。3.2.1 光电池光电池3

2、.2 光生伏特器件光生伏特器件光电池的结构特点光电池的结构特点v光电池核心部分是一个光电池核心部分是一个PN结，一般作成面积结，一般作成面积大的薄片状，来接收更多的入射光。大的薄片状，来接收更多的入射光。v在在N型硅片上扩散型硅片上扩散P型杂质（如硼），如型杂质（如硼），如2CR型型 受光面是受光面是P型层型层v或在或在P型硅片上扩散型硅片上扩散N型杂质（如磷），如型杂质（如磷），如2DR型，受光面型，受光面是是N型层型层v受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护作用保护作用v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v由于光子

3、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PNPN结上，结上， 实际使用的光电池制成薄实际使用的光电池制成薄P P型或薄型或薄N N型。型。符号符号光电池的特性光电池的特性v1 伏安特性伏安特性 无光照时，光电池伏安特性无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。曲线与普通半导体二极管相同。 有光照时，沿电流轴方向平有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。移，平移幅度与光照度成正比。 曲线与电压轴交点称为开路曲线与电压轴交点称为开路电压电压VOC，与电流轴交点称为，与电流轴交点称为短路电流短路电流ISC。光电池伏安特性曲线光电池伏安特性曲线0dexp() 1L

4、pLqIIIU I RkT0ddpIIqURR为光电池等效电路中的恒流源为光电池等效二极管反向饱和电流,为电子电荷量为光电池输出电压为光电池等效电路中串联电阻，很小，可以忽略0exp() 1LpqUIIIkT光电池等效电路光电池等效电路00ln(1)0pocscpscIIkTUqIUIII当，得到开路电压当，得到短路电流与入射光强度成正比开路电压与入射光强度的对数成正比 连接方式：开路电压输出连接方式：开路电压输出-(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

5、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。2 光电池的光照特性光电池的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（短路电流开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）输出）10010102103电流密度电流密度J/uAmm-210-210-110102103104103欧姆欧姆1

6、0欧姆欧姆102欧姆欧姆光电池在不同负载下的光电特性光电池在不同负载下的光电特性3 光电池负载特性光电池负载特性光电池输出电压，电流及功率随负载变化的关系特性光电池输出电压，电流及功率随负载变化的关系特性0100200300Voc/V200400400RMULPLILRL/欧姆欧姆v负载负载RL的增大线性范围也越来越小。的增大线性范围也越来越小。v因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时，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制在适当的光照范围内使用。v4 时间和频率响应时间和频率响应

7、硅光电池频率特性硅光电池频率特性好好 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 v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；v光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积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越大则结电容Cj越大，在给定负载时，时间常数就越大，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越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。池。开路电压下降大约开路电压下降大约2 3mV/度度短路电流上升大约短路电流上升大约10-5 10-

8、3mA/度度n5 温度特性温度特性 随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向长波方随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向长波方向移动，开路电压下降，短路电流上升。光电池做向移动，开路电压下降，短路电流上升。光电池做探测器件时，测量仪器应考虑温度的漂移，要进行探测器件时，测量仪器应考虑温度的漂移，要进行补偿。补偿。v硅光电池硅光电池 响应波长响应波长0.4-1.1微米，微米， 峰值波长峰值波长0.8-0.9微米。微米。v硒光电池硒光电池 响应波长响应波长0.34-0.75微米，微米， 峰值波长峰值波长0.54微米。微米。6 光谱响应度光谱响应度光电池的应用光电池的应用v1、光电检测器件光电检测器件 利

9、用光电池做探测器有频率响应高，光电流随光利用光电池做探测器有频率响应高，光电流随光照度线性变化等特点。照度线性变化等特点。v2、将太阳能转化为电能、将太阳能转化为电能 实际应用中，把硅光电池经串联、并联组成电池实际应用中，把硅光电池经串联、并联组成电池组组。硅太阳能电池v硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。电池、非晶硅太阳能电池。v单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为23%,而规模生产的单晶硅太阳能电池而规模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为其效率为15%。v多晶硅半导

10、体材料的价格比较低廉多晶硅半导体材料的价格比较低廉,但是由于它存在着但是由于它存在着较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率为的实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效工业规模生产的转换效率率为为10%。非晶硅太阳能电池v非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺艺, 具有较多的优点具有较多的优点,例如例如:沉积温度低、衬底材沉积温度低、衬底材料价格较低廉料价格较低廉,能够实现大面积沉积。能够实现大面积沉积。 v非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大

11、,是单晶硅是单晶硅的的40倍倍,1微米厚的非晶硅薄膜微米厚的非晶硅薄膜,可以吸引大约可以吸引大约90%有用的太阳光能。有用的太阳光能。v非晶硅太阳能电池的稳定性较差非晶硅太阳能电池的稳定性较差, 从而影响了从而影响了它的迅速发展。它的迅速发展。 化合物太阳能电池化合物太阳能电池 v三五族化合物电池和二六族化合物电池。三五族化合物电池和二六族化合物电池。v三五族化合物电池主要三五族化合物电池主要有有GaAs电池电池、InP电池、电池、GaSb电池等电池等;v二六族化合物电池主要有二六族化合物电池主要有CaS/CuInSe电池、电池、CaS/CdTe电池等。电池等。v在三五族化合物太阳能电池在三五

12、族化合物太阳能电池中中,GaAs电池的转换效电池的转换效率最高率最高,可达可达28%;GaAs 化合物太阳能电池化合物太阳能电池vGa是其它产品的副产品是其它产品的副产品,非常稀少珍贵非常稀少珍贵;As 不是稀不是稀有元素有元素,有毒。有毒。vGaAs化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池电池,这是由于这是由于GaAs具有十分理想的光学带隙以及具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率。较高的吸收效率。 vGaAs 化合物太阳能电池虽然具有诸多优点化合物太阳能电池虽然具有诸多优点,但是但是GaAs材料的价格不菲材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了因而在

13、很大程度上限制了用用GaAs电池的普及。电池的普及。 太阳能太阳能v太阳能特点：太阳能特点： 无枯竭危险；无枯竭危险；绝对干净；绝对干净；不受资源分布地不受资源分布地域的限制；域的限制；可在用电处就近发电；可在用电处就近发电；能源质量高；能源质量高；使用者从感情上容易接受；使用者从感情上容易接受；获取能源花费的时获取能源花费的时间短。间短。v要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低成本；二是要实现太阳能阳能光电变换效率并降低成本；二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。发电同现在的电网联网。太阳能光电池太阳能光电池 要求：转换

14、效率高、成本低要求：转换效率高、成本低光电检测器件光电检测器件 特点：光敏面积大，频率相应高，光电流随特点：光敏面积大，频率相应高，光电流随照度线性变化等照度线性变化等 要求：线性宽，灵敏度高、光谱响应合适、要求：线性宽，灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好和寿命长稳定性好和寿命长 应用：开关应用，线性检测（光电读数、关应用：开关应用，线性检测（光电读数、关电开关、光栅测量技术、激光准直、电影还音）电开关、光栅测量技术、激光准直、电影还音）1太阳电池电源太阳电池电源 太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交

15、流负载调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交流负载供电，则加一个直流交流变换器，太阳电池电源系供电，则加一个直流交流变换器，太阳电池电源系统框图如图。统框图如图。太阳能电池电源系统太阳能电池电源系统逆变器逆变器 交流负载交流负载 直流负载直流负载阻塞二极管阻塞二极管 调节控制器调节控制器太阳太阳电池电池方阵方阵硅光电池的应用硅光电池的应用(a) 光电追踪电路光电追踪电路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2 图图 (a)为光电地构成的光电跟踪电路，用两只性能为光电地构成的光电跟踪电路，用两只性能相似的同类光电池作为光电接收器件。当入射光通量相似的同类光电池作为光电接收器件。当入射光通

16、量相同时，执行机构按预定的方式工作或进行跟踪。当相同时，执行机构按预定的方式工作或进行跟踪。当系统略有偏差时，电路输出差动信号带动执行机构进系统略有偏差时，电路输出差动信号带动执行机构进行纠正，以此达到跟踪的目的行纠正，以此达到跟踪的目的。光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路BG2BG1+12VC J R1 R2(b) 光电开关光电开关 图图 (b)所示电路为光电开关，多用于自动控制系统所示电路为光电开关，多用于自动控制系统中。无光照时，系统处于某一工作状态，如通态或断态。中。无光照时，系统处于某一工作状态，如通态或断态。当光电池受光照射时，产生

17、较高的电动势，只要光强大当光电池受光照射时，产生较高的电动势，只要光强大于某一设定的阈值，系统就改变工作状态，达到开关目于某一设定的阈值，系统就改变工作状态，达到开关目的。的。(c) 光电池触发电路光电池触发电路R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW 图图 (c)为光电池触发电路。当光电池受光照为光电池触发电路。当光电池受光照射时，使单稳态或双稳态电路的状态翻转，射时，使单稳态或双稳态电路的状态翻转，改变其工作状态或触发器件改变其工作状态或触发器件(如可控硅如可控硅)导通导通。+12V5G23(d) 光电池放大电路光电池放大电路C3-12VWR1R2R3R4R5C1C218765432图图(d)为光电池放大电路。在测量溶液浓度、物体色度为光电池放大电路。在测量溶液浓度、物体色度、纸张的灰度等场合，可用该电路作前置级，把微弱、纸张的灰度等场合，可用该电路作前置级，把微弱光电信号进行线性放大，然后带动指示机构或二次仪光电信号进行线性放大，