光电传感器的介绍

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,光敏电阻,光电导应用一例,光敏电阻是一种用光电导材料制成的,没有极性,的光电元件 ，也称为,光导管,，它基于半导体光电导效应工作,光敏电阻没有极性，工作时可加直流偏压或交流电压,当无光照时，光敏电阻的阻值,(,暗电阻,),很大，电路中电流很小；当它受到一定波长范围的光照射时，其阻值,(,亮电阻,),急剧减小，电路中电流迅速增加,根据电流值的变化可推算出照射光强的大小,7.2 光电导,1,7.2 光电导,光敏电阻结构,2,7.2 光电导,光敏电阻,的几个特性,a、,暗电阻、亮电阻,：光敏电阻未受光照时的阻值称为暗电阻，受强光照射时的阻值称为亮电阻。暗电阻越大而亮电阻越小，灵敏度越高。,b、,伏安特性,c、,光谱特性,d、,响应时间和（调制）频率特性,e、,温度特性,3,7.2 光电导,光敏电阻的伏安特性,在一定光照下，所加的电压越高，电流越大；在一定的电压作用下，入射光的照度越强，电流越大，但并不一定是线性关系,4,7.2 光电导,光敏电阻的光谱特性,图20,对于不同波长的光，光敏电阻的灵敏度是不同的。,在选用光电器件时必须充分考虑到这种特性,5,7.2 光电导,光敏电阻的频率特性,光电器件的响应时间反映它的动态特性。响应时间越短，表示动态特性越好。,对于采用调制光的光电器件，调制频率的上限受相应时间的限制。光敏电阻的响应时间一般为10,-1,10,-3,s，光敏二极管的响应时间约210,-5,s,6,7.2 光电导,光敏电阻的温度特性,随着温度的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化也会影响光谱特性曲线。,硫化铅光敏电阻等光电器件随着温度的升高光谱响应的峰值将向短波方向移动，所以红外探测器往往采取制冷措施,7,7.3 光生伏特,对于半导体,p,-,n,结而言，光照后产生电压差的现象，将太阳能转变为电能,，,即,太阳能电池工作原理,照射在,p,-,n,结上，由于本征吸收，在结区产生电子空穴对。在光激发下，多数载流子的浓度一般改变很小，而少数载流子的浓度变化很大。这里主要讨论光生少数载流子的运动。,8,7.3 光生伏特,光生伏特效应,当光子能量大于,p,-,n,结禁带宽度后，光照射在,p,-,n,结上，产生本征吸收，在结区产生电子空穴对。,p,-,n,结中存在内建电场，结两边的光生少数载流子受该内建场的作用，各自向相反的方向运动。,p,区的电子穿过,p,-,n,结进入,n,区，而,n,区的空穴进入,p,区，从而在,p,型和,n,型区有电荷积累；使得,p,端的电势升高，,n,端的电势降低，从而在,p,-,n,结两端形成一光生电动势。,如果,p,-,n,结两端接上负载，在适当的光照下将有电流流过负载，光敏二极管的光电流,I,与照度之间呈线性关系。,9,7.3 光生伏特,（a）开始光照,（b）平衡态,半导体二极管,p,-,n,结的光生伏特原理图,10,7.3 光生伏特,光电池的两个重要概念：,开路电压,和,短路电流,a、开路电压：有光照，但外电路断开，在,p,-,n,结两端形成的电势差,V,0,，即光电池的开路电压（,V,0,）。,b、短路电流：有光照，外电路短路，在,p,-,n,结两端不能形成光生电压，但流过外电路的电流最大，为光电池的短路电流,I,0,。,11,7.3 光生伏特,光电流,I,l,的主要来源或组成,光电流,I,l,由两个组成部分，即：,I,ge,和,I,gh,I,ge,：由,p,区产生能扩散到势垒区的电子部分,I,gh,：由,n,区产生能扩散到势垒区的空穴部分,G,：单位体积内产生载流子的产生率,A,：,p,-,n,结的结面积，,L,n,、,L,p,：电子和空穴载流子的扩散长度，,e,：电子的电荷。,I,l,与,p,-,n,结的特征参数和光照等密切相关。,结面积,A,越大，则,I,l,越大。,12,7.3 光生伏特,有负载时的光生伏特等效电路,光照在,p,-,n,结两端产生光生电动势，相当于在,p,-,n,结两端加正向电压,V,（注意在开路时与开路电压,V,0,相等）。在有负载而形成回路后，,p,-,n,结中有正向电流,I,f,流过。,有负载时，由于光电压输出电压为,V,，这样流过负载的电流,I,则是光电流,I,l,减去,p,-,n,结中的正向电流,I,f,。,有负载 R 时半导体光电二极管 D 的等效电路图,光电池在工作时共有三股电流：光生电流,I,l,，在光生电压,V,作用下,p,-,n,结的正向电流,I,f,，流经外电路的电流,I,。,I,l,和,I,f,都流经,p,-,n,结，但方向相反。,13,7.3 光生伏特,p,-,n,结的开路电压和短路电流,p,-,n,结在有,V,正向电压偏置时的正向电流,I,f,取下面的形式,其中,I,s,为,p,-,n,结的反向饱和电流,开路时,p,-,n,结开路电压,V,0,和短路时,p,-,n,结短路电流,I,0,短路电流,I,0,即为光电流,显然，,p,-,n,结的开路电压和短路电流与,p,-,n,本身特征参数和光照的关系,14,7.3 光生伏特,（a）GaAs 光电二极管,I,V,关系；（b）光电二极管的,I,l,和,V,0,与光强的关系,一般,I,l,与光强成正比，开路电压,V,0,与光强成对数关系,15,7.3 光生伏特,必须指出两点：,只有在有负载时才有,I,f,，否则此时的电路相当于开路，尽管由于光照产生了光生电动势，但没有载流子流动。,V,0,并不是随着光照强度无限地增大。当光生电压,V,0,增大到,p,-,n,结势垒消失时，即得到最大的光生电压,V,max,，它与材料的掺杂程度有关。实际情况下，,V,max,与禁带宽度,E,g,相当。,16,7.3 光生伏特,如何提高负载所能获得尽可能高的电压或大的电流,要使负载获得尽可能高的电压和大的电流，一方面显然是将多个光电二极管串并联使用；另一方面就是提高太阳能光电池的光电转化效率。,太阳能电池的电池效率参数,理论计算表明半导体材料的禁带宽度在 1.11.5eV 之间，对太阳光的利用效率最高。,17,7.4 光电池,太阳能电池是一典型的光电池，一般由一个大面积硅,p,-,n,结组成。,光电池种类繁多,早期：氧化亚铜光电池，但换效率低，已很少使用。,目前：应用较多的是硒光电池和硅光电池。,硒光电池,：光谱特性与人眼视觉很相近，频谱较宽，故多用于曝光表、照度计等分析、测量仪器。,硅光电池,：,与其它半导体光电池相比，性能稳定，是目前转换效率最高(达到17)的几乎接近理论极限的一种光电池。,此外，还有薄膜光电池、紫光电池、异质结光电池,18,7.4 光电池,薄膜光电池,：把硫化镉等材料制成薄膜结构，以减轻重量、简化阵列结构，提高抗辐射能力和降低成本。,紫光电池,：把硅光电池的 PN 结减薄至结深为 0.20.3,m,，光谱响应峰值移到 600 nm左右，来提高短波响应，以适应外层空间使用。,异质结光电池,：利用不同禁带宽度的半导体材料做成异质PN结，入射光几乎全透过宽禁带材料一侧，而在结区窄禁带材料中被吸收，产生电子 空穴对。利用这种“窗口”效应提高入射光的收集效率，以获得高于同质结硅光电池的转换效率，理论上最大可达 30，但目前工艺尚未成熟，转换效率仍低于硅光电池。,19,7.4 光电池,光电池核心部分是一个 PN 结，一般做成面积较大的薄片状，来接收更多的入射光,硒光电池结构示意图,制造工艺,：先在铝片上覆盖一层 P 型硒，然后蒸发一层镉，加热后生成 N 型硒化镉，与原来 P 型硒形成一个大面积 PN 结，最后涂上半透明保护层，焊上电极，铝片为正极，硒化镉为负极。,20,7.4 光电池,硅光电池结构示意图,硅光电池是用单晶硅组成,制造工艺,：,在一块 N 型硅片上扩散 P 型杂质(如硼)，形成一个扩散PN（P+N）结；或在P型硅片扩散N型杂质(如磷)，形成N+P的PN结，然后焊上两个电极。P端为光电池正极，N端为负极，一般在地面上应用作光电探测器的多为P+N型。,21,单晶硅光电池,晶体硅光电池有单晶硅与多晶硅两大类，用p型（或n型）硅衬底，通过磷（或硼）扩散形成pn结成制作。,采用埋层电极、表面钝化、强化陷光、密栅工艺、优化背电极及接触电极等技术，提高材料中的载流子收集效率，优化抗反射膜、凹凸表面、高反射背电极等方式，光电转换效率有较大提高。,单晶硅光电池面积有限，目前比较大的为,10至 20cm的圆片。,国际公认最高效率为24，空间用高质量的效率约为13.518，地面用多在1118之间。,22,非晶硅光电池,Si（非晶硅）光电池一般采用高频辉光放电方法使硅烷气体分解沉积而成。由于外解沉积温度低，可在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上沉积约1m厚的薄膜，易于大面积化（05 ml.0 m），成本较低，多采用pin结构。为提高效率和改善稳定性，有时还制成三层pin等多层叠层式结构，或是插入一些过渡层。,小面积转换效率提高到 14.6，大面积大量生产的为810，叠层结构的最高效率为21。,改善薄膜特性，精确设计光电池结构和控制各层厚度，改善各层之间界面状态，以求得高效率和高稳定性。,23,多晶硅光电池,pSi（多晶硅，包括微晶）光电池没有光致衰退效应，材料质量有所下降时也不会导致光电池受影响，是国际上正掀起的前沿性研究热点。,在单晶硅衬底上用液相外延制备的pSi光电池转换效率为15.3，经减薄衬底，加强陷光等加工，可提高到23.7%，用CVD法制备的转换效率约为12.6l7.3%。,微晶硅薄膜生长与,si工艺相容，光电性能和稳定性很高，研究受到很大重视，但效率仅为7.7。大面积低温psi膜与,si组成叠层电池结构，是提高比,S光电池稳定性和转换效率的重要途径，可更充分利用太阳光谱，理论计算表明其效率可在28以上。,24,7.4 光电池,半导体光生伏特效应还广泛应用于辐射探测器，包括光辐射及其它辐射。其优点是不需要外接电源，而是通过辐射或高能粒子激发产生非平衡载流子，并通过测量光生电压来探测辐射或粒子流强度。,25,