光敏电阻、光电池.ppt

光敏电阻光敏电阻 一、结构与原理一、结构与原理 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，称为光敏因此电阻显著减小，称为光敏电阻电阻。本征光电导效应可用本征光电导效应可用来检测可见光和近红外辐射来检测可见光和近红外辐射。如果入射光子从杂质能级跃升到导带如果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型型材料的电导率增大。当光子能量使电子由价带跃升到材料的电导率增大。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移动的空穴时，从而使价带中留有可移动的空穴时，P型材料就会出现非本征光型材料就会出现非本征光电导。电导。非本征光电导体主要非本征光电导体主要检测波长很长的辐射检测波长很长的辐射 用于超过用于超过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。光电导探测器广泛应用在工业自动化、摄影机自动测光等监控系统，也广泛应用于目前其他探测器难以实现的红外测量系统。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基础。光照半导体材料时，若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，半导体材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由电荷，这些由光激发产生的载流子称为光生载流子。相对于热平衡状态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。光电探测器的工作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，从而达到光检测的目的。本征吸收本征吸收本征吸收指光照半导体材料时，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。与热平衡状态相比，在导带中多出了一部分电子，在价带中多出了一部分空穴，它们是因为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状态下载流子浓度大。本征吸收产生的条件是入射光子的能量必须大于材料的禁带宽度，杂质吸收杂质吸收掺有杂质的半导体材料，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。光电导探测器的结构光电导探测器的结构很简单，只要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。由于各种器件使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，因此有一定的弛豫现象：光照射到样品后，光电导逐渐增加，最后达到定态。光照停止，光电导在一段时间内逐渐消失。这种弛豫现象表现了光电导对光强变化反应的快慢。光电导上升或下降的时间就是弛豫时间，或称为响应时间(惰性)。显然，弛豫时间长，表示光电导反应慢，这时称惯性大；弛豫时间短，即光电导反应快，称惯性小。从光电导的机构来看，弛豫现象表现为在光强变化时，光生载流子的积累和消失的过程。因此，要讨论弛豫现象，必须研究光生载流子的产生与复合。光电导的驰豫决定在迅速变化的光强下，一个光电器件能否有效工作的问题。在分析定态光电导和光强之间的关系时，尽管实际情况比较复杂，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等许多材料至少在较低的光强下都具有这种性质；抛物线性光电导，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，但在较高的光强下则为抛物线性光电导。光敏电阻工作机理较复杂，但结构简单，光敏电阻工作机理较复杂，但结构简单，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，如图所示。加上电极即成，如图所示。1光谱响应相当宽光谱响应相当宽根据不同的光电导材料，光敏电阻根据不同的光电导材料，光敏电阻的灵敏域可在的灵敏域可在紫外光区紫外光区，可见光区可见光区，也可在也可在红外区和远红外区红外区和远红外区。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，即可对强光响应，也可对弱光响应。所测的光强范围宽，即可对强光响应，也可对弱光响应。3无极性之分，使用方便，成本低，寿命长。无极性之分，使用方便，成本低，寿命长。4灵敏度高，工作电流大，可达数毫安灵敏度高，工作电流大，可达数毫安 使用时必须在光敏电阻两端加上电压，一般再串一个负载电阻，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，便达到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。模型结构示意图偏置电路等效电路二、特性二、特性 1光照特性光照特性 图示出硫化镉光敏电阻的光照特性。光图示出硫化镉光敏电阻的光照特性。光敏电阻受光照时的电流与不受光照时的敏电阻受光照时的电流与不受光照时的电流之差，称电流之差，称光电流光电流。由于有上述的光。由于有上述的光电流放大作用，它的灵敏度高，光照特电流放大作用，它的灵敏度高，光照特性为性为非线性非线性。在实用范围内，它们的关。在实用范围内，它们的关系可表示如下：系可表示如下：I通过光敏电阻的电流；通过光敏电阻的电流；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，一般近于电压指数，一般近于1；b 照度指数。照度指数。光谱特性与所用的材料光谱特性与所用的材料有关，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，硫化铅光敏电2光谱特性光谱特性 光敏电阻的光谱分布，不仅和材料的性质有关，也和工艺过程有关。光敏电阻的光谱分布，不仅和材料的性质有关，也和工艺过程有关。例如硫化镉光敏电阻，随着掺铜浓度的增加，光谱峰值由例如硫化镉光敏电阻，随着掺铜浓度的增加，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。如为零和某值时的伏安特性。如果所加电压越高，则光电流越果所加电压越高，则光电流越大而且无饱和现象。对于大多大而且无饱和现象。对于大多数半导体，电场强度超过数半导体，电场强度超过10伏伏厘米时才开始不遵循欧姆定厘米时才开始不遵循欧姆定律。只有硫化镉是例外，它的律。只有硫化镉是例外，它的伏安特性在伏安特性在100多伏时就产生转多伏时就产生转折点而不再呈线性了。光敏电阻的最高使用电压由它的耗散功折点而不再呈线性了。光敏电阻的最高使用电压由它的耗散功率所决定，而耗散功率又和面积大小、散热情况等有关。率所决定，而耗散功率又和面积大小、散热情况等有关。因为伏安特性成线性，光敏电阻除用积分灵敏度外，用比灵敏度也因为伏安特性成线性，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理解的，因为在相同的光通量下，光敏电路的电流与电压成正容易理解的，因为在相同的光通量下，光敏电路的电流与电压成正比。一般需要经过几百小时后，光敏电阻的灵敏度才趋稳定。光敏比。一般需要经过几百小时后，光敏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4频率特性频率特性 图图(d)的曲线的曲线l和和2分别表示出硫分别表示出硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率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特性。光敏电阻的频率特性较差，这是因为光敏电阻的导电差，这是因为光敏电阻的导电性与被俘获的载流子有关，当性与被俘获的载流子有关，当入射光强上升时，被俘获的自入射光强上升时，被俘获的自由载流子到相应的数值需要一由载流子到相应的数值需要一定时间；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，要花一段时间后才能达到相应的数值慢的，光敏电阻的阻值，要花一段时间后才能达到相应的数值(新新的平衡值的平衡值)，故其频率特性较差。有时以时间常数说明频率响应的，故其频率特性较差。有时以时间常数说明频率响应的好坏。当光敏电阻突然受到光照时，电导率上升到最终值的好坏。当光敏电阻突然受到光照时，电导率上升到最终值的63所所花的时间，被称为花的时间，被称为上升时间常数。上升时间常数。同样，同样，降低时间降低时间常数是把器件突常数是把器件突然黑暗时，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疲乏特性疲乏特性 图图(e)的曲线的曲线l和和2分别表示出型分别表示出型号不同的两种硫化镉光敏电阻号不同的两种硫化镉光敏电阻的疲乏特性。初制成的光敏电的疲乏特性。初制成的光敏电阻，由于体内机构的不稳定，阻，由于体内机构的不稳定，以及电阻体与其介质间的作用以及电阻体与其介质间的作用还没有达到平衡，所以性能是还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的。不够稳定的。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，性能可达到稳定。光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品能可达到稳定。光敏电阻在开始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，但最后总能达到一阻值上升了，有些样品阻值下降了，各不一样，但最后总能达到一个稳定值，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应用在自动化技术上。度的稳定性而被广泛地应用在自动化技术上。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。有时为了所示。有时为了提高灵敏度，将元件降温提高灵敏度，将元件降温使用。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。使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，光照时的电流增加不随着温度的升高，光敏电阻黑暗时电流上升，光照时的电流增加不多。因此，它的光电流下降，即光电灵敏度下降。不同材料的光敏多。因此，它的光电流下降，即光电灵敏度下降。不同材料的光敏电阻，温度特性也不一样，一般硫化镉的温度特性比硒化镉好，硫电阻，温度特性也不一样，一般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移动。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移动。为了使元件对波长较长的光有较高的响应，有时也可采用降温措施。有较高的响应，有时也可采用降温措施。体积小，重量轻，结构简单而牢固，允许的光电流大，工作寿命长；体积小，重量轻，结构简单而牢固，允许的光电流大，工作寿命长；光敏电阻在黑暗时的电阻值一般大于光敏电阻在黑暗时的电阻值一般大于10兆欧，如果它被光线照射，兆欧，如果它被光线照射，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，这对光敏电阻的工作不利。升高，暗电阻下降，这对光敏电阻的工作不利。光敏电阻有下列优点：光敏电阻有下列优点：7暗电阻和暗电流暗电阻和暗电流 型号相同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相同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合于测量要求线性的场合。适合于测量要求线性的场合。缺点缺点光敏电阻虽有它的缺点，但在很多情况下这些缺点并不重要光敏电阻虽有它的缺点，但在很多情况下这些缺点并不重要,因而它因而它的应用较广的应用较广.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。光敏电阻的符号和连接电路如图所光敏电阻的符号和连接电路如图所示。图示。图(a)中的输出电压中的输出电压 与入射与入射光通量的变化成反相，图光通量的变化成反相，图(b)中中 与入射光通量变化成同相。在入射与入射光通量变化成同相。在入射光通量变化范围一定情况下，为了光通量变化范围一定情况下，为了使输出电压使输出电压 变化范围最大，一变化范围最大，一般取般取 。三、电路三、电路 当入射光通量当入射光通量连续变化时，连续变化时，为光敏电阻变化的中间值，即为光敏电阻变化的中间值，即当入射光通量跳跃变化时，当入射光通量跳跃变化时，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，可通过实验得到。同时，电源小时的光敏电阻值，可通过实验得到。同时，电源E也应满足下式也应满足下式 为光敏电阻的最大允许功耗。为光敏电阻的最大允许功耗。1采用光调制技术，一般调制频率为采用光调制技术，一般调制频率为8001000Hz。2制冷或恒温，使热噪声减少。制冷或恒温，使热噪声减少。3采用合理的偏置，选择最佳的偏置电流，使信噪比达到最高。采用合理的偏置，选择最佳的偏置电流，使信噪比达到最高。在图中，当入射光通量变化时，会引起在图中，当入射光通量变化时，会引起I和和 的同时变化，使整个的同时变化，使整个系统线性变坏，噪声增加。为了降低光敏电阻的噪声，提高信息转系统线性变坏，噪声增加。为了降低光敏电阻的噪声，提高信息转换精度，可采取以下办法：换精度，可采取以下办法：恒流偏置电路恒流偏置电路如图所示。图中，由于如图所示。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，达到恒流的目的，不变，达到恒流的目的，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。恒压偏置电路如图所示。图恒压偏置电路如图所示。图中，由于采用了稳压管中，由于采用了稳压管D，故故 不变不变,也不变。也不变。入射光通量的变化仅引起入射光通量的变化仅引起的变化，可以证明，恒压偏的变化，可以证明，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，因而互换性好，调换无关，因而互换性好，调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。恒压偏置电路恒压偏置电路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工作偏压。习题 1光电导探测器灵敏度与其工作偏流有何关系?它在实用中的重要意义是什么?2光电导探测器响应时间(频率特性五受哪些因素限制?为什么光电导探测器的工作频率都不如光伏高，一般上限频率最高约为多少量级?实际使用时如何改善其频率响应?3试绘出光电导探测器的等效电路，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?简述光电倍增管的工作原理。5光电倍增管中倍增极有哪几种结构?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馈效应，怎样才能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结构的探测器，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材料时产生光生电压的现象。通过检测光生电压，或者检测探测器回路的光生感应电流达到检测入射光功率的目的。根据探测器的具体结构不同，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，响应速度快，使用方便，它们广泛应用在测量系统。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，只有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，工作时必须外加偏压，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，响应速度慢，频率响应性能较差。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，响应速度快，频率响应特性好。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，还可以通过较大的电流。基于上述特点，光伏探测器的应用非常广泛。一般多用于光度测量、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现象。对于不均匀半导体，由于同质的半导体不同的掺杂形成的pn结、不同质的半导体组成的异质结或金属与半导体接触形成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移动和积聚而产生电位差，这种现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扩散运动。但电子和空穴的迁移率不等，由于两种载流子扩散速度的不同而导致两种电荷的分开，从而出现光生电势。这种现象称为丹倍效应。此外，如果存在外加磁场，也可使得扩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。从晶体管理论可知，当把从晶体管理论可知，当把N型半导体和型半导体和P型半导体结合在一起时，型半导体结合在一起时，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互相扩散，见图型半导体中的空穴就会互相扩散，见图(a)，结果在结果在PN区交界面附近形成一个很薄的空间电荷区，产生如图区交界面附近形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、原理与结构一、原理与结构 光电池光电池硒光电池结构示意图硅光电池结构示意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。如果光子能量超过结将吸收入射光子。如果光子能量超过半导体材料的禁带宽度，则由半导体能带理论可知，在半导体材料的禁带宽度，则由半导体能带理论可知，在PN结附近结附近会产生电子和空穴。在内电场的作用下，空穴移向会产生电子和空穴。在内电场的作用下，空穴移向P区，电子移区，电子移向向N区，移动的结果，在区，移动的结果，在N区聚集大量的电子而带上负电，在区聚集大量的电子而带上负电，在P区区聚集大量的空穴而带上正电。于是在聚集大量的空穴而带上正电。于是在P区和区和N区之间产生了电势，区之间产生了电势，成为光生电动势。如果用导线和电阻把成为光生电动势。如果用导线和电阻把N区和区和P区连接起来，回路区连接起来，回路中就会有光电流中就会有光电流I流过，电流方向是由流过，电流方向是由P区流向区流向N区，如图区，如图313-1(c)所示，这就是光电池受光照时产生光生电动势和光电流的所示，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。简单原理。光电池的符号如图所示，光电池的光电池的符号如图所示，光电池的内部结构等效电路如图内部结构等效电路如图(b)所示。所示。从以上分析可知，由光照产生的电子从以上分析可知，由光照产生的电子和空穴在内电场的作用下才形成光生和空穴在内电场的作用下才形成光生电动势和光电流。由于内电场电动势和光电流。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，如图所示另外，光电池的输出也受外接负载电阻大小的影响，如图所示.当当 时，时，是由掺杂的是由掺杂的P区和区和N区自由扩散形成的，故内电场的强度是非常有限区自由扩散形成的，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，最高也只能是百分之的，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。十几。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 开始变小，则 开始增大，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 变得很小，光照所变得很小，光照所产生的光电流产生的光电流 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消耗在光电池内部。照产生的光电流几乎都消耗在光电池内部。这种现象也可以从图这种现象也可以从图(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，故要削弱的方向是与内电场方向相反，故要削弱内电场的强度，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，使对外结，使对外输出的光电流减少。输出的光电流减少。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。其中最受重视的是硅光电池，因为它有一系列的其中最受重视的是硅光电池，因为它有一系列的优点优点，例如例如性能稳定性能稳定、光谱范围宽光谱范围宽、频率特性好频率特性好、换能效率高换能效率高、能耐能耐高能辐射高能辐射等。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光电池价廉，它的光谱峰值位置在人的视觉范围内，因而应用在不少测量仪器上。内，因而应用在不少测量仪器上。二、特性二、特性 1光照特性光照特性 图图(a)和图和图(b)分别示分别示出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，即光电池的电动势，即开路电压与照度开路电压与照度L L成非线性关系成非线性关系，在照度，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。光电池的光电池的短路电流与照度成线性关系短路电流与照度成线性关系，而且受照结面积越大，而且受照结面积越大，短路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)。光光电电池的所池的所谓谓短路短路电电流是指外接流是指外接负载电负载电阻相阻相对对于光于光电电池的内阻来池的内阻来讲讲很小。而光很小。而光电电池在不同照度池在不同照度时时，其内阻也不同，所以在不同的，其内阻也不同，所以在不同的照度照度时时可用不同大小的外接可用不同大小的外接负载负载近似地近似地满满足足“短路短路”条件。条件。当光当光电电池作池作为测为测量元件量元件时时，应应以以电电流源的形式来使用。流源的形式来使用。图图(c)(c)示示出出硒硒光光电电池池的的光光照照特特性性与与负负载载电电阻阻的的关关系系。硅硅光光电电池池也也有有相相类类似似的的关关系系。从从图图可可见见，负负载载电电阻阻RLRL越越小小，光光电电流流和和照照度度的的线线性性关关系系越越好好，且且线线性性范范围围较较广广。所所以以光光电电池池作作为为测测量量元元件件时时，所所用用负负载载电电阻阻的的大大小小，应应根根据据照照度度或或光光强强而而定定。当当照照度度较较大大时时，为为保保证证测测量量有有线线性性关系，所用关系，所用负载电负载电阻阻应较应较小。小。负负载载电电阻阻增增大大时时，光光电电流流变变小小，而而且且光光照照特特性性的的线线性性区区域域亦亦变变小小，这这是是因因为为光光电电池池的的内内阻阻随随照照度度和和电电压压而而改改变变。硅硅光光电电池池的的内内阻阻一一般般属属于于低低阻阻范范围围，其其大大小小与与受受光光面面积积和和光光强强有有关关，在在100100毫毫瓦瓦厘厘米米的的入入射射光光强强下下，光光电电池池每每平平方方厘厘米米的的内内阻阻范范围围在在15152020欧欧之之间间。2 2光谱特性光谱特性 光电池的光谱特性决定于所采用的材料。光电池的光谱特性决定于所采用的材料。图图(d)(d)的的曲曲线线1 1和和2 2分分别别示示出出硒硒和和硅硅光光电电池池的的光光谱谱特特性性。从从图图上上可可看看出出，硒硒光光电电池池在在可可见见光光谱谱内内有有较较高高的的灵灵敏敏度度，峰峰值值波波长长在在54005400埃埃附附近近，它它适适宜宜于于测测量量可可见见光光。如如果果硒硒光光电电池池与与适适当当的的滤滤光光片片配配合合，它它的的光光谱谱灵灵敏敏度度与与人人的的眼眼睛睛很接近很接近，可用它客，可用它客观观地决定照度。地决定照度。硅硅光光电电池池可可以以应应用用的的范范围围为为400040001100011000埃埃，峰峰值值波波长长在在85008500埃埃附附近，因此近，因此对对色温色温为为2854K2854K的的钨丝钨丝灯光源，能得到很好的光灯光源，能得到很好的光谱谱响响应应。光光电电池的光池的光谱谱峰峰值值位置不位置不仅仅与制造光与制造光电电池的材料有关，也和制造池的材料有关，也和制造工工艺艺有关，并且随使用温度的不同而有所移有关，并且随使用温度的不同而有所移动动。3 3伏安特性伏安特性 伏伏安安特特性性如如图图。图图中中还还画画出出负负载载电电阻阻为为0.50.5、l l、3 3千千欧欧的的负负载载线线。光光电电池的池的负载线负载线由由 决定。决定。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距离，电流正比于性的交点为等距离，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，交点的距离不等，例如增大时，交点的距离不等，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距离不等，即电流不与照度成正比，光照特性不是直线，点相互间距离不等，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。光光电电池的池的积积分灵敏度由光通量分灵敏度由光通量为为1 1流明所能流明所能产产生的短路生的短路电电流决定。流决定。硅光硅光电电池的灵敏度池的灵敏度为为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，因而硅光电池的灵敏度比硒高。硅光电池毫安流明，因而硅光电池的灵敏度比硒高。硅光电池的开路的开路电电压压在在0.450.450.60.6伏之伏之间间。在器件。在器件结结构相同的情况下，可能达到的最构相同的情况下，可能达到的最大开路大开路电压电压，硒比硅略微高一些。，硒比硅略微高一些。4 4频率特性频率特性 光电池的光电池的PNPN结或阻挡层的面积大结或阻挡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。因此下降越厉害。因此不宜于检测交变不宜于检测交变图图(f)(f)中中的的曲曲线线2 2，在在照照度度较较强强和和负负载载电电阻阻较较小小的的情情况况下下，它它的的截截止止频频率率最最高高可可达达10103030千千赫赫。在在低低照照度度时时频频率率特特性性要要变变差差，这这是是因因为为在在低低照照度度时时光光电电池池内内阻阻增增大大的的缘缘故故。响响应应速速度度与与结结电电容容和和负负载载电电阻阻的的乘乘积积有有关关。如如欲欲改改善善频频率率特特性性，需需减减小小负负载载电电阻阻或或减减小小光光电电池池的的面面积积，使使它它的的结结电电容容减减小小。此此外外，响响应应速速度度还还与与少少数数载载流流子子的的寿寿命命和和扩扩散散时间时间等有关。等有关。光通量光通量。硅光电池的频率特性要好一些，。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。硅硅光光电电池池的的开开路路电电压压随随温温度度升升高高而而降降低低，温温度度每每升升高高l l度度，电电压压下下降降2 23 3毫毫伏伏。短短路路电电流流随随着着温温度度升升高高，开开始始增增大大。当当温温度度超超过过7070度度左左右右时时，温度升高，温度升高，电电流下降。流下降。硅硅光光电电池池在在强强辐辐射射下下性性能能也也是是稳稳定定的的。对对于于硒硒光光电电池池，在在强强光光照照射射时时性性能能变变化化很很大大，这这主主要要是是由由于于此此时时体体内内已已起起了了变变化化或或表表面面的的硒硒被被氧氧化化所所造造成成的的。光光电电池池的的可可靠靠性性好好，寿寿命命也也较较长长，它它们们除除与与制制造造材材料料、工工艺艺有有关关外外，还还和和使使用用的的情情况况有有关关，因因此此合合理理地地使使用用光光电电池，也是保池，也是保证证性能性能稳稳定，可靠性好，寿命定，可靠性好，寿命长长的重要的重要环节环节。光电池的使用：光电池的使用：光电池在受强光照射或聚焦光照射的情况下，应该考虑光电池的光电池在受强光照射或聚焦光照射的情况下，应该考虑光电池的工作温度及散热措施。如果硒光电池的结温超过工作温度及散热措施。如果硒光电池的结温超过50度、硅光电池度、硅光电池的结温超过的结温超过200度时，就要破坏它们的晶体结构，造成损坏。度时，就要破坏它们的晶体结构，造成损坏。通常通常硅光电池使用的结温不允许超过硅光电池使用的结温不允许超过125度。度。硅光电池是由薄的硅片制成，极脆，使用时应特别小心。硅光电池硅光电池是由薄的硅片制成，极脆，使用时应特别小心。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。由于硅光电池和座子的膨胀系数不可能相同，所以也不宜用极牢固的胶合剂系数不可能相同，所以也不宜用极牢固的胶合剂(如环氧树脂、如环氧树脂、502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)。硅光电池的表面通常镀有一层增透膜，使用时应避免硬物接触表硅光电池的表面通常镀有一层增透膜，使用时应避免硬物接触表面。表面如有脏物，可面。表面如有脏物，可以用酒精棉花轻轻擦拭。若增透膜脱落，以用酒精棉花轻轻擦拭。若增透膜脱落，将使硅光电池的输出略有下降，但仍可使用。将使硅光电池的输出略有下降，但仍可使用。硅光电池的引线很娇嫩，不能拉力太大，以免脱落。硅光电池的引线很娇嫩，不能拉力太大，以免脱落。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，需要最把光能直接转换成电能，需要最大的输出功率和转换效率。这时大的输出功率和转换效率。这时光电池的受光面积往往做得比较光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、并联连接，再将它们置连接，再将它们置于太阳光的照于太阳光的照射下，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电池。光电池用作太阳能电池时的电路如图所示。在黑夜电池时的电路如图所示。在黑夜或光线微弱时，为防止蓄电池经或光线微弱时，为防止蓄电池经过光电池放电而设置二极管过光电池放电而设置二极管D。光电池用作检测元件使用时的电路如图所示，此电路可实现光电池用作检测元件使用时的电路如图所示，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光光电电池用作池用作检测检测元件元件314 光敏二极管光敏二极管(PD)光敏二极管是一种用光敏二极管是一种用PN结单向导电结单向导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、结构和工作原理一、结构和工作原理 与一般半与一般半导导体二极管体二极管类类似，其似，其PNPN结结装在管子的装在管子的顶顶部，以便使部，以便使光光线线集中在光敏面，光敏二极管的外形集中在光敏面，光敏二极管的外形结结构如构如图图（a a）所示所示。光敏二极管工作时加反向偏压，图光敏二极管工作时加反向偏压，图(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PN结内电场方向一致的外电场，克服了光电池弱点，线结内电场方向一致的外电场，克服了光电池弱点，线性特性和频率特性将彻底改善，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。影响，与负载电阻的大小无关。无光照时，光敏二极管工作在截止无光照时，光敏二极管工作在截止状态，只有少数载流子在反向偏压作用下，渡越阻挡层，形成微小状态，只有少数载流子在反向偏压作用下，渡越阻挡层，形成微小的反向电流，即的反向电流，即暗电流暗电流。光敏二极管受光照时，。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流子浓度大大增加，在外加电场和内电场的共同作用下，度大大增加，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挡层进入阻挡层进入N N区，区，N N区的空穴进人区的空穴进人P P