第三章光電檢測(cè)器件演示文稿

第三章光電檢測(cè)器件演示文稿當(dāng)前第1頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)優(yōu)選第三章光電檢測(cè)器件當(dāng)前第2頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)3.1 光電器件的類型與特點(diǎn)光電效應(yīng)：光照射到物體表面上使物體的電學(xué)特性發(fā)生變化．光電子發(fā)射：物體受光照后向外發(fā)射電子——多發(fā)生于金屬和金屬氧化物．光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體受光照后，內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減少．光生伏特效應(yīng)：光照在半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬—半導(dǎo)體接觸上時(shí)，會(huì)在PN結(jié)或金屬—半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)前第3頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)光電檢測(cè)器件的類型光電檢測(cè)器件是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件.光電檢測(cè)器件分為兩大類:光子(光電子)檢測(cè)器件熱電檢測(cè)器件當(dāng)前第4頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)光電檢測(cè)器件光子器件熱電器件真空器件固體器件光電管光電倍增管真空攝像管變像管像增強(qiáng)管光敏電阻光電池光電二極管光電三極管光纖傳感器電荷耦合器件CCD熱電偶/熱電堆熱輻射計(jì)/熱敏電阻熱釋電探測(cè)器當(dāng)前第5頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)光電檢測(cè)器件的特點(diǎn)光子器件熱電器件響應(yīng)波長(zhǎng)有選擇性，一般有截止波長(zhǎng)，超過(guò)該波長(zhǎng)，器件無(wú)響應(yīng)。響應(yīng)波長(zhǎng)無(wú)選擇性，對(duì)可見光到遠(yuǎn)紅外的各種波長(zhǎng)的輻射同樣敏感響應(yīng)快，吸收輻射產(chǎn)生信號(hào)需要的時(shí)間短，一般為納秒到幾百微秒響應(yīng)慢，一般為幾毫秒當(dāng)前第6頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)3.2器件的基本特性參數(shù)響應(yīng)特性噪聲特性量子效率線性度工作溫度當(dāng)前第7頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)一、響應(yīng)特性１．響應(yīng)度（或稱靈敏度）：是光電探測(cè)器輸出信號(hào)與輸入光功率之間關(guān)系的度量。描述的是光電探測(cè)器件的光電轉(zhuǎn)換效率。響應(yīng)度是隨入射光波長(zhǎng)變化而變化的響應(yīng)度分電壓響應(yīng)率和電流響應(yīng)率當(dāng)前第8頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)電壓響應(yīng)率光電探測(cè)器件輸出電壓與入射光功率之比電流響應(yīng)率光電探測(cè)器件輸出電流與入射光功率之比當(dāng)前第9頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)２．光譜響應(yīng)度：探測(cè)器在波長(zhǎng)為λ的單色光照射下，輸出電壓或電流與入射的單色光功率之比．３．積分響應(yīng)度：檢測(cè)器對(duì)各種波長(zhǎng)光連續(xù)輻射量的反應(yīng)程度．當(dāng)前第10頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)４．響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間τ是描述光電探測(cè)器對(duì)入射光響應(yīng)快慢的一個(gè)參數(shù)（如圖）。上升時(shí)間：入射光照射到光電探測(cè)器后，光電探測(cè)器輸出上升到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。下降時(shí)間：入射光遮斷后，光電探測(cè)器輸出下降到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。當(dāng)前第11頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)光電探測(cè)器響應(yīng)率與入射調(diào)制頻率的關(guān)系

為調(diào)制頻率為f時(shí)的響應(yīng)率 為調(diào)制頻率為零時(shí)的響應(yīng)率 為時(shí)間常數(shù)（等于RC）

５．頻率響應(yīng)：光電探測(cè)器的響應(yīng)隨入射光的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)．由于光電探測(cè)器信號(hào)產(chǎn)生和消失存在著一個(gè)滯后過(guò)程，所以入射光的調(diào)制頻率對(duì)光電探測(cè)器的響應(yīng)會(huì)有較大的影響。當(dāng)前第12頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)：上限截止頻率時(shí)間常數(shù)決定了光電探測(cè)器頻率響應(yīng)的帶寬返回當(dāng)前第13頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)二、噪聲特性在一定波長(zhǎng)的光照下光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)并不是平直的，而是在平均值上下隨機(jī)地起伏，它實(shí)質(zhì)上就是物理量圍繞其平均值的漲落現(xiàn)象。用均方噪聲來(lái)表示噪聲值大小當(dāng)前第14頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)噪聲在實(shí)際的光電探測(cè)系統(tǒng)中是極其有害的。由于噪聲總是與有用信號(hào)混在一起，因而影響對(duì)信號(hào)特別是微弱信號(hào)的正確探測(cè)。一個(gè)光電探測(cè)系統(tǒng)的極限探測(cè)能力往往受探測(cè)系統(tǒng)的噪聲所限制。所以在精密測(cè)量、通信、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，減小和消除噪聲是十分重要的問(wèn)題。當(dāng)前第15頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)光電探測(cè)器常見的噪聲熱噪聲散粒噪聲產(chǎn)生-復(fù)合噪聲1/f噪聲當(dāng)前第16頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)1、熱噪聲或稱約翰遜噪聲，即載流子無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)造成的噪聲。導(dǎo)體或半導(dǎo)體中每一電子都攜帶著電子電量作隨機(jī)運(yùn)動(dòng)(相當(dāng)于微電脈沖)，盡管其平均值為零，但瞬時(shí)電流擾動(dòng)在導(dǎo)體兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)均方根電壓，稱為熱噪聲電壓。熱噪聲存在于任何電阻中，熱噪聲與溫度成正比，與頻率無(wú)關(guān)，熱噪聲又稱為白噪聲當(dāng)前第17頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)2、散粒噪聲散粒噪聲：入射到光探測(cè)器表面的光子是隨機(jī)的，光電子從光電陰極表面逸出是隨機(jī)的，PN結(jié)中通過(guò)結(jié)區(qū)的載流子數(shù)也是隨機(jī)的。散粒噪聲也是白噪聲，與頻率無(wú)關(guān)。散粒噪聲是光電探測(cè)器的固有特性，對(duì)大多數(shù)光電探測(cè)器的研究表明：散粒噪聲具有支配地位。例如光伏器件的PN結(jié)勢(shì)壘是產(chǎn)生散粒噪聲的主要原因。當(dāng)前第18頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)3、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲半導(dǎo)體受光照，載流子不斷產(chǎn)生-復(fù)合。在平衡狀態(tài)時(shí)，在載流子產(chǎn)生和復(fù)合的平均數(shù)是一定的但在某一瞬間載流子的產(chǎn)生數(shù)和復(fù)合數(shù)是有起伏的。載流子濃度的起伏引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的起伏。當(dāng)前第19頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)4、1/f噪聲或稱閃爍噪聲或低頻噪聲。噪聲的功率近似與頻率成反比多數(shù)器件的1/f噪聲在200~300Hz以上已衰減到可忽略不計(jì)。當(dāng)前第20頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)５、信噪比信噪比是判定噪聲大小的參數(shù)。是負(fù)載電阻上信號(hào)功率與噪聲功率之比若用分貝（dB）表示，為當(dāng)前第21頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)６、噪聲等效功率(NEP)定義：信號(hào)功率與噪聲功率比為1（SNR=1）時(shí)，入射到探測(cè)器件上的輻射通量(單位為瓦)。這時(shí)，投射到探測(cè)器上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓（或電流）等于探測(cè)器本身的噪聲電壓（或電流）一般一個(gè)良好的探測(cè)器件的NEP約為10-11W。NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。當(dāng)前第22頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)噪聲等效功率是一個(gè)可測(cè)量的量。設(shè)入射輻射的功率為P，測(cè)得的輸出電壓為U0然后除去輻射源，測(cè)得探測(cè)器的噪聲電壓為UN則按比例計(jì)算，要使U0＝UN，的輻射功率為當(dāng)前第23頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)７、探測(cè)率與歸一化探測(cè)率探測(cè)率D定義為噪聲等效功率的倒數(shù)經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)NEP與檢測(cè)元件的面積Ad和放大器帶寬Δf乘積的平方根成正比歸一化探測(cè)率D*，即D*與探測(cè)器的敏感面積、放大器的帶寬無(wú)關(guān)。返回當(dāng)前第24頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)三、量子效率（）量子效率：在某一特定波長(zhǎng)上，每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比。對(duì)理想的探測(cè)器，入射一個(gè)光量子發(fā)射一個(gè)電子，=1實(shí)際上，<1量子效率是一個(gè)微觀參數(shù)，量子效率愈高愈好。當(dāng)前第25頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)量子效率與響應(yīng)度的關(guān)系I/q：每秒產(chǎn)生的光子數(shù)P/hυ：每秒入射的光子數(shù)當(dāng)前第26頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)四、線性度線性度是描述光電探測(cè)器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)保持線性關(guān)系的程度。在某一范圍內(nèi)探測(cè)器的響應(yīng)度是常數(shù)，稱這個(gè)范圍為線性區(qū)。非線性誤差：

δ＝Δmax/(I2

–I1)Δmax：實(shí)際響應(yīng)曲線與擬合曲線之間的最大偏差；I2

和I1：分別為線性區(qū)中最小和最大響應(yīng)值。當(dāng)前第27頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)五、工作溫度工作溫度就是指光電探測(cè)器最佳工作狀態(tài)時(shí)的溫度。光電探測(cè)器在不同溫度下，性能有變化。

例如，半導(dǎo)體光電器件的長(zhǎng)波限和峰值波長(zhǎng)會(huì)隨溫度而變化；熱電器件的響應(yīng)度和熱噪聲會(huì)隨溫度而變化。當(dāng)前第28頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)3.3 半導(dǎo)體光電器件光敏電阻光電池光電二極管光電三極管當(dāng)前第29頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)一、光敏電阻光敏電阻是光電導(dǎo)型器件。光敏電阻材料：主要是硅、鍺和化合物半導(dǎo)體，例如：硫化鎘（CdS），銻化銦（InSb）等。特點(diǎn)：光譜響應(yīng)范圍寬（特別是對(duì)于紅光和紅外輻射）；偏置電壓低，工作電流大；動(dòng)態(tài)范圍寬，既可測(cè)強(qiáng)光，也可測(cè)弱光；光電導(dǎo)增益大，靈敏度高；無(wú)極性，使用方便；在強(qiáng)光照射下，光電線性度較差光電馳豫時(shí)間較長(zhǎng)，頻率特性較差。當(dāng)前第30頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)光敏電阻(LDR)和它的符號(hào)：

符號(hào)當(dāng)前第31頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)1.光敏電阻的工作原理光敏電阻結(jié)構(gòu)：在一塊均勻光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母、高頻瓷或其他絕緣材料基板上，兩端接有電極引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。（如圖）工作機(jī)理：當(dāng)入射光子使半導(dǎo)體中的電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶時(shí)，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴均參與導(dǎo)電，其阻值急劇減小，電導(dǎo)增加。當(dāng)前第32頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)入射光返回當(dāng)前第33頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)本征型和雜質(zhì)型光敏電阻本征型光敏電阻：當(dāng)入射光子的能量等于或大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg時(shí)，激發(fā)一個(gè)電子－空穴對(duì)，在外電場(chǎng)的作用下，形成光電流。雜質(zhì)型光敏電阻：對(duì)于Ｎ型半導(dǎo)體，當(dāng)入射光子的能量等于或大于雜質(zhì)電離能ΔＥ時(shí)，將施主能級(jí)上的電子激發(fā)到導(dǎo)帶而成為導(dǎo)電電子，在外電場(chǎng)的作用下，形成光電流。本征型用于可見光長(zhǎng)波段,雜質(zhì)型用于紅外波段。價(jià)帶導(dǎo)帶電子空穴Eg價(jià)帶導(dǎo)帶電子空穴ΔＥ施主當(dāng)前第34頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)光電導(dǎo)與光電流光敏電阻兩端加電壓（直流或交流）．無(wú)光照時(shí)，阻值（暗電阻）很大，電流（暗電流）很?。还庹諘r(shí)，光生載流子迅速增加，阻值（亮電阻）急劇減少．在外場(chǎng)作用下，光生載流子沿一定方向運(yùn)動(dòng)，形成光電流（亮電流）。光電流：亮電流和暗電流之差；

I光

=IL-Id光電導(dǎo)：亮電流和暗電流之差；

g

=gL-gd當(dāng)前第35頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)光敏電阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是說(shuō)暗電流要小，亮電流要大，這樣光敏電阻的靈敏度就高。光電流與光照強(qiáng)度／電阻結(jié)構(gòu)的關(guān)系。當(dāng)前第36頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)無(wú)光照，暗電導(dǎo)率光照下電導(dǎo)率

當(dāng)前第37頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)附加光電導(dǎo)率,簡(jiǎn)稱光電導(dǎo)光電導(dǎo)相對(duì)值要制成附加光電導(dǎo)相對(duì)值高的光敏電阻應(yīng)使p0和n0小，因此光敏電阻一般采用禁帶寬度大的材料或在低溫下使用。當(dāng)前第38頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)當(dāng)光照穩(wěn)定時(shí)，光生載流子的濃度為無(wú)光照時(shí)，光敏電阻的暗電流為光照時(shí)，光敏電阻的光電流為當(dāng)前第39頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)２．光敏電阻的工作特性光電特性伏安特性時(shí)間響應(yīng)和頻率特性溫度特性當(dāng)前第40頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)光電特性：光電流與入射光照度的關(guān)系：

(1)弱光時(shí)，γ=1，光電流與照度成線性關(guān)系

(2)強(qiáng)光時(shí)，γ=0.5，光電流與照度成拋物線 光照增強(qiáng)的同時(shí)，載流子濃度不斷的增加，同時(shí)光敏電阻的溫度也在升高，從而導(dǎo)致載流子運(yùn)動(dòng)加劇，因此復(fù)合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢(shì)。（冷卻可以改善）

光敏電阻的光電特性當(dāng)前第41頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)在弱光照下，光電流與E具有良好的線性關(guān)系在強(qiáng)光照下則為非線性關(guān)系其他光敏電阻也有類似的性質(zhì)。當(dāng)前第42頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)光電導(dǎo)靈敏度:光電導(dǎo)g與照度E之比. 不同波長(zhǎng)的光，光敏電阻的靈敏度是不同的。在選用光電器件時(shí)必須充分考慮到這種特性。當(dāng)前第43頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)光電導(dǎo)增益

光電導(dǎo)增益反比于電極間距的平方。量子效率：光電流與入射光子流之比。當(dāng)前第44頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)伏安特性在一定的光照下，光敏電阻的光電流與所加的電壓關(guān)系光敏電阻是一個(gè)純電阻，因此符合歐姆定律，其伏安特性曲線為直線。不同光照度對(duì)應(yīng)不同直線當(dāng)前第45頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)受耗散功率的限制，在使用時(shí)，光敏電阻兩端的電壓不能超過(guò)最高工作電壓，圖中虛線為允許功耗曲線由此可確定光敏電阻正常工作電壓。當(dāng)前第46頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)光敏電阻時(shí)間常數(shù)比較大，其上限截止頻率低。只有PbS光敏電阻的頻率特性稍好些，可工作到幾千赫。頻率特性當(dāng)前第47頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)光敏電阻的時(shí)間響應(yīng)特性較差材料受光照到穩(wěn)定狀態(tài)，光生載流子濃度的變化規(guī)律：停止光照，光生載流子濃度的變化為響應(yīng)時(shí)間當(dāng)前第48頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)光敏電阻是多數(shù)載流子導(dǎo)電，溫度特性復(fù)雜。隨著溫度的升高，光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要下降，溫度的變化也會(huì)影響光譜特性曲線。例如：硫化鉛光敏電阻，隨著溫度的升高光譜響應(yīng)的峰值將向短波方向移動(dòng)。尤其是紅外探測(cè)器要采取制冷措施溫度特性當(dāng)前第49頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)光敏電阻參數(shù)使用材料：硫化鎘（CdS），硫化鉛（PbS），銻化銦（InSb），碲鎘汞（HgCdTe），碲錫鉛（PbSnTe）.光敏面：1-3mm工作溫度：-40–80oC溫度系數(shù)：1極限電壓：10–300V耗散功率：<100W時(shí)間常數(shù)：5–50ms光譜峰值波長(zhǎng)：因材料而不同，在可見/紅外遠(yuǎn)紅外暗電阻：108歐姆亮電阻：104

歐姆當(dāng)前第50頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)光敏電阻的應(yīng)用基本功能：根據(jù)自然光的情況決定是否開燈。基本結(jié)構(gòu)：整流濾波電路；光敏電阻及繼電器控制；觸電開關(guān)執(zhí)行電路基本原理：光暗時(shí)，光敏電阻阻值很高，繼電器關(guān)，燈亮；光亮?xí)r，光敏電阻阻值降低，繼電器工作，燈關(guān)。照明燈自動(dòng)控制電路K220V燈常閉CdS當(dāng)前第51頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)光電池光電池是根據(jù)光生伏特效應(yīng)制成的將光能轉(zhuǎn)換成電能的一種器件。PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)：當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射PN結(jié)時(shí)，由于內(nèi)建場(chǎng)的作用（不加外電場(chǎng)），光生電子拉向n區(qū)，光生空穴拉向p區(qū)，相當(dāng)于PN結(jié)上加一個(gè)正電壓。半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（光生電壓）；如將PN結(jié)短路，則會(huì)出現(xiàn)電流（光生電流）。當(dāng)前第52頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)光電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)光電池核心部分是一個(gè)PN結(jié)，一般作成面積大的薄片狀，來(lái)接收更多的入射光。在N型硅片上擴(kuò)散P型雜質(zhì)（如硼），受光面是P型層或在P型硅片上擴(kuò)散N型雜質(zhì)（如磷），受光面是N型層當(dāng)前第53頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保護(hù)作用上電極做成柵狀，為了更多的光入射由于光子入射深度有限，為使光照到PN結(jié)上，實(shí)際使用的光電池制成薄P型或薄N型。當(dāng)前第54頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)當(dāng)前第55頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)光電池等效電路當(dāng)前第56頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)當(dāng)前第57頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)當(dāng)前第58頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)光電池的特性1、伏安特性無(wú)光照時(shí)，光電池伏安特性曲線與普通半導(dǎo)體二極管相同。有光照時(shí)，沿電流軸方向平移，平移幅度與光照度成正比。曲線與電壓軸交點(diǎn)稱為開路電壓VOC，與電流軸交點(diǎn)稱為短路電流ISC。當(dāng)前第59頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)光電池伏安特性曲線當(dāng)前第60頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)反向電流隨光照度的增加而上升IU照度增加當(dāng)前第61頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)2、時(shí)間和頻率響應(yīng)

硅光電池頻率特性好硒光電池頻率特性差硅光電池是目前使用最廣泛的光電池

當(dāng)前第62頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)要得到短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小的負(fù)載電阻RL；光電池面積越大則響應(yīng)時(shí)間越大，因?yàn)楣怆姵孛娣e越大則結(jié)電容Cj越大，在給定負(fù)載時(shí)，時(shí)間常數(shù)就越大，故要求短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小面積光電池。當(dāng)前第63頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)開路電壓下降大約23mV/度短路電流上升大約10-510-3mA/度3、溫度特性

隨著溫度的上升，硅光電池的光譜響應(yīng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，開路電壓下降，短路電流上升。光電池做探測(cè)器件時(shí)，測(cè)量?jī)x器應(yīng)考慮溫度的漂移，要進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)前第64頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)4、光譜響應(yīng)度硅光電池響應(yīng)波長(zhǎng)微米，峰值波長(zhǎng)微米。硒光電池響應(yīng)波長(zhǎng)微米，峰值波長(zhǎng)0.54微米。當(dāng)前第65頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)5、光電池的光照特性連接方式：開路電壓輸出---(a)

短路電流輸出---(b)光電池在不同的光強(qiáng)照射下可產(chǎn)生不同的光電流和光生電動(dòng)勢(shì)。短路電流在很大范圍內(nèi)與光強(qiáng)成線性關(guān)系。開路電壓隨光強(qiáng)變化是非線性的，并且當(dāng)照度在2000lx時(shí)趨于飽和。當(dāng)前第66頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)光照特性---開路電壓輸出：非線性(電壓---光強(qiáng))，靈敏度高短路電流輸出：線性好(電流---光強(qiáng))，靈敏度低開關(guān)測(cè)量（開路電壓輸出），線性檢測(cè)（短路電流輸出）當(dāng)前第67頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)負(fù)載RL的增大線性范圍也越來(lái)越小。因此，在要求輸出電流與光照度成線性關(guān)系時(shí)，負(fù)載電阻在條件許可的情況下越小越好，并限制在適當(dāng)?shù)墓庹辗秶鷥?nèi)使用。當(dāng)前第68頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)光電池的應(yīng)用1、光電探測(cè)器件利用光電池做探測(cè)器有頻率響應(yīng)高，光電流隨光照度線性變化等特點(diǎn)。2、將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能實(shí)際應(yīng)用中，把硅光電池經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)組成電池組。當(dāng)前第69頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)硅太陽(yáng)能電池硅太陽(yáng)能電池包括單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池、非晶硅太陽(yáng)能電池。單晶硅太陽(yáng)能電池在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為23%,而規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽(yáng)能電池,其效率為15%。多晶硅半導(dǎo)體材料的價(jià)格比較低廉,但是由于它存在著較多的晶粒間界而有較多的弱點(diǎn)。多晶硅太陽(yáng)能電池的實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。當(dāng)前第70頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)非晶硅太陽(yáng)能電池非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池組件的制造采用薄膜工藝,具有較多的優(yōu)點(diǎn),例如:沉積溫度低、襯底材料價(jià)格較低廉,能夠?qū)崿F(xiàn)大面積沉積。

非晶硅的可見光吸收系數(shù)比單晶硅大,是單晶硅的40倍,1微米厚的非晶硅薄膜,可以吸引大約90%有用的太陽(yáng)光能。非晶硅太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性較差,從而影響了它的迅速發(fā)展。

當(dāng)前第71頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)化合物太陽(yáng)能電池

三五族化合物電池和二六族化合物電池。三五族化合物電池主要有GaAs電池、InP電池、GaSb電池等;二六族化合物電池主要有CaS/CuInSe電池、CaS/CdTe電池等。在三五族化合物太陽(yáng)能電池中,GaAs電池的轉(zhuǎn)換效率最高,可達(dá)28%;當(dāng)前第72頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)GaAs化合物太陽(yáng)能電池Ga是其它產(chǎn)品的副產(chǎn)品,非常稀少珍貴;As不是稀有元素,有毒。GaAs化合物材料尤其適用于制造高效電池和多結(jié)電池,這是由于GaAs具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率。

GaAs化合物太陽(yáng)能電池雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn),但是GaAs材料的價(jià)格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。

當(dāng)前第73頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)太陽(yáng)能太陽(yáng)能特點(diǎn)：①無(wú)枯竭危險(xiǎn)；②絕對(duì)干凈；③不受資源分布地域的限制；④可在用電處就近發(fā)電；⑤能源質(zhì)量高；⑥使用者從感情上容易接受；⑦獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短。要使太陽(yáng)能發(fā)電真正達(dá)到實(shí)用水平，一是要提高太陽(yáng)能光電變換效率并降低成本；二是要實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電同現(xiàn)在的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。當(dāng)前第74頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)光敏二極管結(jié)構(gòu)光敏二極管與普通二極管一樣有一個(gè)PN結(jié)，屬于單向?qū)щ娦缘姆蔷€形元件。外形不同之處是在光電二極管的外殼上有一個(gè)透明的窗口以接收光線照射，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。為了獲得盡可能大的光生電流，需要較大的工作面，即PN結(jié)面積比普通二極管大得多，以擴(kuò)散層作為它的受光面。為了提高光電轉(zhuǎn)換能力，PN結(jié)的深度較普通二極管淺。

當(dāng)前第75頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)光電二極管（光敏二極管）光敏二極管符號(hào)

光敏二極管接法

當(dāng)前第76頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)外加反向偏壓可以不加偏壓，與光電池不同，光敏二極管一般在負(fù)偏壓情況下使用大反偏壓的施加，增加了耗盡層的寬度和結(jié)電場(chǎng)，電子—空穴在耗盡層復(fù)合機(jī)會(huì)少，提高光敏二極管的靈敏度。增加了耗盡層的寬度，結(jié)電容減小，提高器件的頻響特性。但是，為了提高靈敏度及頻響特性，卻不能無(wú)限地加大反向偏壓，因?yàn)樗€受到PN結(jié)反向擊穿電壓等因素的限制。當(dāng)前第77頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)光敏二極管體積小，靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短，光譜響應(yīng)在可見到近紅外區(qū)中，光電檢測(cè)中應(yīng)用多。擴(kuò)散型P-i-N硅光敏二極管和雪崩光敏二極管擴(kuò)散型P-i-N硅光敏二極管當(dāng)前第78頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)選擇一定厚度的i層，具有高速響應(yīng)特性。i層所起的作用:(1)為了取得較大的PN結(jié)擊穿電壓，必須選擇高電阻率的基體材料，這樣勢(shì)必增加了串聯(lián)電阻，使時(shí)間常數(shù)增大，影響管子的頻率響應(yīng)。而i層的存在，使擊穿電壓不再受到基體材料的限制，從而可選擇低電阻率的基體材料。這樣不但提高了擊穿電壓，還減少了串聯(lián)電阻和時(shí)間常數(shù)。

(2)反偏下，耗盡層較無(wú)i層時(shí)要大得多，從而使結(jié)電容下降，提高了頻率響應(yīng)。當(dāng)前第79頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)PIN管的最大特點(diǎn)是頻帶寬，可達(dá)10GHz。另一特點(diǎn)是線性輸出范圍寬。缺點(diǎn):

由于I層的存在，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。當(dāng)前第80頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)雪崩光敏二極管由于存在因碰撞電離引起的內(nèi)增益機(jī)理，雪崩管具有高的增益帶寬乘積和極快的時(shí)間響應(yīng)特性。通過(guò)一定的工藝可以使它在1.06微米波長(zhǎng)處的量子效率達(dá)到30％，非常適于可見光及近紅外區(qū)域的應(yīng)用。當(dāng)前第81頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)

當(dāng)光敏二極管的PN結(jié)上加相當(dāng)大的反向偏壓時(shí)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個(gè)很高的電場(chǎng)，使進(jìn)入場(chǎng)區(qū)的光生載流子獲得足夠的能量，通過(guò)碰撞使晶格原子電離，而產(chǎn)生新的電子—空穴對(duì)。新的電子—空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下分別向相反方向運(yùn)動(dòng)．在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，又有可能與原子碰撞再一次產(chǎn)生電子—空穴對(duì)。只要電場(chǎng)足夠強(qiáng)，此過(guò)程就將繼續(xù)下去，達(dá)到載流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二極管的反向工作偏壓略低于擊穿電壓。當(dāng)前第82頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)雪崩光電二極管的

倍增電流、噪聲與偏壓的關(guān)系曲線當(dāng)前第83頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)在偏置電壓較低時(shí)的A點(diǎn)以左，不發(fā)生雪崩過(guò)程；隨著偏壓的逐漸升高，倍增電流逐漸增加從B點(diǎn)到c點(diǎn)增加很快，屬于雪崩倍增區(qū)；偏壓再繼續(xù)增大，將發(fā)生雪崩擊穿；同時(shí)噪聲也顯著增加，如圖中c點(diǎn)以有的區(qū)域。因此，最佳的偏壓工作區(qū)是c點(diǎn)以左，否則進(jìn)入雪崩擊穿區(qū)燒壞管子。由于擊穿電壓會(huì)隨溫度漂移，必須根據(jù)環(huán)境溫度變化相應(yīng)調(diào)整工作電壓。當(dāng)前第84頁(yè)\共有93頁(yè)\編于星期六\15點(diǎn)雪崩光電二極管具有電流增益大，靈敏度高，頻率響應(yīng)快，帶寬可達(dá)100GHz。是目前響應(yīng)最快的一種光敏二極管。不需要后續(xù)龐大的放大電路等特點(diǎn)。