《光敏传感器》PPT课件.ppt

1第8章 固态传感器8-2光敏传感器 一、光电效应光谱光谱光光 波波：波长为波长为10106nm的电磁波的电磁波紫外线：紫外线：波长波长10380nm，波长波长10200nm称为极远紫外线，称为极远紫外线，波长波长200300nm称为远紫外线称为远紫外线 波长波长300380nm称为近紫外线称为近紫外线可见光：可见光：波长波长380780nm红外线：红外线：波长波长780106nm 波长波长3m（即（即3000nm）以下的称近红外线）以下的称近红外线 波长超过波长超过3m 的红外线称为远红外线。的红外线称为远红外线。28-2光敏传感器一、光电效应第8章 固态传感器3第8章 固态传感器19051905年，爱因斯坦提出了光子假设：光在空间传播年，爱因斯坦提出了光子假设：光在空间传播时，不仅是连续的（波动性），也具有粒子性，即时，不仅是连续的（波动性），也具有粒子性，即一束光是一束以光速运动的粒子流一束光是一束以光速运动的粒子流，爱因斯坦把这，爱因斯坦把这些不连续的量子称为些不连续的量子称为“光量子光量子”。19261926年，美国物年，美国物理学家刘易斯把这一名词改称为理学家刘易斯把这一名词改称为“光子光子”，并沿用，并沿用至今。至今。8-2光敏传感器一、光电效应4第8章 固态传感器8-2光敏传感器一、光电效应光电器件的物理基础光电器件的物理基础是光电效应。是光电效应。光光电电效效应应：光光照照到到某某些些物物质质上上，引引起起物物质质的的电电性性质质变变化化。这类这类光致电变的现象光致电变的现象统称为光电效应。统称为光电效应。光电效应分为：外光电效应和内光电效应光电效应分为：外光电效应和内光电效应5第8章 固态传感器8-2光敏传感器一、光电效应（一）外光电效应 光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光电效应的实验装置示意图光电效应的实验装置示意图光电效应的伏安曲线光电效应的伏安曲线6 第8章 固态传感器8-2光敏传感器一、光电效应（一）外光电效应光子的能量：(8-36)式中：h=6.62610-34(Js)为普朗克常数；v=光的频率(s-1)。7第8章 固态传感器8-28-28-28-2光敏传感器光敏传感器光敏传感器光敏传感器一、光电效应一、光电效应一、光电效应一、光电效应（一）外光电效应（一）外光电效应（一）外光电效应（一）外光电效应 (8-37)式中 m 电子质量；v0 电子逸出速度；A0逸出功。爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程 若若物物体体中中电电子子吸吸收收的的入入射射光光子子能能量量足足以以克克服服逸逸出出功功A A0 0 时时，电电子子就就逸逸出出物物体体表表面面，产产生生光光电电子子发发射射。故故要要使使一一个个电电子子逸逸出出，则则光光子子能能量量h hv v 必必须须超超过过逸逸出出功功A A0 0，超超过过部部分分的能量，表现为逸出的能量，表现为逸出电子的动能电子的动能，即，即8第8章 固态传感器8-2光敏传感器一、光电效应（二）内光电效应（二）内光电效应（二）内光电效应（二）内光电效应光光光光电电电电导导导导效效效效应应应应：在光照作用下，半导体材料中电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材材材材料料料料电电电电阻阻阻阻率率率率的的的的变变变变化化化化，这种现象称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻光敏电阻光敏电阻光敏电阻。P型半导体的共价键结构9第8章 固态传感器8-2光敏传感器一、光电效应（二）内光电效应（二）内光电效应（二）内光电效应（二）内光电效应 光电导效应光电导效应光电导效应光电导效应自由电子所占能带自由电子所占能带不存在电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带价电子所占能带光电导效应的能级跃迁过程能级跃迁过程能级跃迁过程能级跃迁过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子吸收光子能量hv，当其大于或等于禁带宽度Eg 时，使其由价带越过禁带跃入导带，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。导带导带价带价带禁带禁带Eg10第8章 固态传感器8-2光敏传感器一、光电效应（二）内光电效应 光电导效应光电导效应光电导效应光电导效应导带导带价带价带禁带禁带Eg临界波长临界波长11第8章 固态传感器8-2光敏传感器一、光电效应（二）内光电效应 光电导效应光电导效应光电导效应光电导效应 hvEg v=c，式中c：光速：波长故临界波长式中 h=6.62610-34 JSc=3108 m/sEg：以eV为单位，1eV=1.610-19J12第8章 固态传感器8-2光敏传感器一、光电效应（二）内光电效应 光电导效应光电导效应光电导效应光电导效应临界波长 0 0 =c/0 当当当当0 0 0 0，即即即即 0 0 0 0 时，才能发生光电导效应时，才能发生光电导效应时，才能发生光电导效应时，才能发生光电导效应13第8章 固态传感器8-2光敏传感器一、光电效应（二）内光电效应光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应 在光照作用下能够使物体产生一一定定方方向向电电动动势势的现象叫光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏晶体管光电池和光敏晶体管光电池和光敏晶体管光电池和光敏晶体管。14第8章 固态传感器8-28-28-28-2光敏传感器光敏传感器光敏传感器光敏传感器二、光敏电阻二、光敏电阻二、光敏电阻二、光敏电阻 光敏电阻又称光导管光敏电阻又称光导管光敏电阻又称光导管光敏电阻又称光导管，是一种均质半导体光电器均质半导体光电器均质半导体光电器均质半导体光电器件件件件。它具有灵敏度高、光谱响应范围宽；体积小、质量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等特点。15第8章 固态传感器8-28-28-28-2光敏传感器光敏传感器光敏传感器光敏传感器二、光敏电阻二、光敏电阻二、光敏电阻二、光敏电阻 光敏电阻又称光导管光敏电阻又称光导管光敏电阻又称光导管光敏电阻又称光导管，是一种均质半导体光电器均质半导体光电器均质半导体光电器均质半导体光电器件件件件。它具有灵敏度高、光谱响应范围宽；体积小、质量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等特点。16第8章 固态传感器8-2光敏传感器二、光敏电阻(一)光敏电阻的原理和结构 当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子光导材料价带上的电子光导材料价带上的电子光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大致使光导体的电导率变大致使光导体的电导率变大致使光导体的电导率变大。为实现能级的跃迁为实现能级的跃迁为实现能级的跃迁为实现能级的跃迁，入射光的，入射光的，入射光的，入射光的能量必须大于光导材料的禁带宽度能量必须大于光导材料的禁带宽度能量必须大于光导材料的禁带宽度能量必须大于光导材料的禁带宽度E E E Eg g g g，即式中 和入射光的频率和波长。17第8章 固态传感器8-2光敏传感器二、光敏电阻(一)光敏电阻的原理和结构 也就是说，一种光电导体，存在一个照射光的临界波长0，只有波长小于只有波长小于只有波长小于只有波长小于 0 0的光照射在光电的光照射在光电的光照射在光电的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁导体上，才能产生电子在能级间的跃迁导体上，才能产生电子在能级间的跃迁导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。18第8章 固态传感器8-2光敏传感器二、光敏电阻(一)光敏电阻的原理和结构 CdS硫化镉光敏电阻的结构和符号1光导层 2玻璃窗口 3金属外壳 4电极5陶瓷基座 6黑色绝缘玻璃 7电极引线19第8章 固态传感器8-2光敏传感器二、光敏电阻(二)光敏电阻的分类根据光敏电阻的光谱特性根据光敏电阻的光谱特性根据光敏电阻的光谱特性根据光敏电阻的光谱特性，可分为三类光敏电阻器：，可分为三类光敏电阻器：紫外光敏电阻器：紫外光敏电阻器：紫外光敏电阻器：紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏对紫外线较灵敏，包括，包括硫化镉、硒化镉硫化镉、硒化镉硫化镉、硒化镉硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于光敏电阻器等，用于探测紫外线探测紫外线探测紫外线探测紫外线。红外光敏电阻器：红外光敏电阻器：红外光敏电阻器：红外光敏电阻器：主要有主要有硫化铅、碲化铅硫化铅、碲化铅硫化铅、碲化铅硫化铅、碲化铅、硒化铅、锑化、硒化铅、锑化铟等光敏电阻器，铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触广泛用于导弹制导、天文探测、非接触广泛用于导弹制导、天文探测、非接触广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学、科学研究和工农业生产中。研究和工农业生产中。20第8章 固态传感器8-2光敏传感器二、光敏电阻(二)光敏电阻的分类可见光光敏电阻器可见光光敏电阻器可见光光敏电阻器可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和的自动保护装置和“位置检测器位置检测器”，极薄零件的厚度检测，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。电跟踪系统等方面。21第8章 固态传感器8-2光敏传感器二、光敏电阻(三)光敏电阻的主要参数和基本特性1.1.1.1.暗电阻、亮电阻暗电阻、亮电阻暗电阻、亮电阻暗电阻、亮电阻 光敏电阻在室温条件下，全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流暗电流暗电流暗电流。光敏电阻在某某某某一一一一光光光光照照照照下下下下的的的的阻阻阻阻值值值值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差，称为光电流光电流光电流光电流。22 第8章 固态传感器 光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流要小，亮电流要大暗电流要小，亮电流要大暗电流要小，亮电流要大暗电流要小，亮电流要大，这样光电这样光电这样光电这样光电流就越大，说明光敏电阻灵敏度就高流就越大，说明光敏电阻灵敏度就高流就越大，说明光敏电阻灵敏度就高流就越大，说明光敏电阻灵敏度就高。实际上，大多数光敏电阻的暗电阻往往超过1 M，甚至高达100 M，而亮电阻即使在正常白昼条件下也可降到1 k以下，可见光敏电阻的灵敏度是相当高的。8-2光敏传感器二、光敏电阻(三)光敏电阻的主要参数和基本特性1.1.1.1.暗电阻、亮电阻暗电阻、亮电阻暗电阻、亮电阻暗电阻、亮电阻23第8章 固态传感器8-2光敏传感器二、光敏电阻(三)光敏电阻的主要参数和基本特性 2.2.2.2.光照特性光照特性光照特性光照特性RGRLEI光敏电阻电路连线光敏电阻的光照特性曲线G24第8章 固态传感器8-2光敏传感器二、光敏电阻(三)光敏电阻的主要参数和基本特性 3.光谱特性 光谱特性与光敏电阻的材料有关20406080100408012016020024010-2/m312相相对对灵灵敏敏度度1硫化镉硫化镉2硒化镉硒化镉3硫化铅硫化铅25第8章 固态传感器8-2光敏传感器二、光敏电阻(三)光敏电阻的主要参数和基本特性 4.伏安特性RGRLEI光敏电阻电路连线光敏电阻的伏安特性曲线 1-照度=0 2-照度0G注：电压不能无限地增大，因为任注：电压不能无限地增大，因为任注：电压不能无限地增大，因为任注：电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工何光敏电阻都受额定功率、最高工何光敏电阻都受额定功率、最高工何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。作电压和额定电流的限制。作电压和额定电流的限制。作电压和额定电流的限制。26第8章 固态传感器8-2光敏传感器二、光敏电阻(三)光敏电阻的主要参数和基本特性 5.频率特性20406080100I/%f/Hz010102103104硫化硫化铅铅硫化硫化镉镉 光敏电阻的频率特性随所用材料的不同而有所区别27第8章 固态传感器8-2光敏传感器二、光敏电阻(二)光敏电阻的主要参数和基本特性 6.6.6.6.稳定性稳定性稳定性稳定性I（uA）408012016021T/h0400 800 1200 1600初始稳定性不好初始稳定性不好 需老化处理需老化处理28第8章 固态传感器8-2光敏传感器二、光敏电阻(二)光敏电阻的主要参数和基本特性7.7.7.7.温度特性温度特性温度特性温度特性I/A10015020030 50-30T/C204060801000I/mA+20C-20C/m-50-10 10光敏电阻和其它半导体器件一样，性能受温度影响较大光敏电阻和其它半导体器件一样，性能受温度影响较大光敏电阻和其它半导体器件一样，性能受温度影响较大光敏电阻和其它半导体器件一样，性能受温度影响较大硫化镉硫化镉硫化镉硫化镉298-28-28-28-2光敏传感器光敏传感器光敏传感器光敏传感器二、光敏电阻二、光敏电阻二、光敏电阻二、光敏电阻(三三三三)光敏电阻与负载的匹配光敏电阻与负载的匹配光敏电阻与负载的匹配光敏电阻与负载的匹配 每一光敏电阻都有允许的每一光敏电阻都有允许的最大耗散功率最大耗散功率最大耗散功率最大耗散功率P Pmaxmax。如果超过这一数值，则光敏电阻容易损坏。因此，光敏电阻工作在任何照度下都必须满足 IUPmax 或 (8-39)I 和 U分别为通过光敏电阻的电流和它两端的电压。因Pmax数值一定，满足(8-39)式的图形为双曲线双曲线双曲线双曲线。第8章 固态传感器30 图8-43 光敏电阻的测量电路及伏安特性第8章 固态传感器8-28-28-28-2光敏传感器光敏传感器光敏传感器光敏传感器二、光敏电阻二、光敏电阻二、光敏电阻二、光敏电阻(三三三三)光敏电阻与负载的匹配光敏电阻与负载的匹配光敏电阻与负载的匹配光敏电阻与负载的匹配P P P Pmaxmaxmaxmax双曲线在左下部分为允许的工作区域双曲线在左下部分为允许的工作区域双曲线在左下部分为允许的工作区域双曲线在左下部分为允许的工作区域。31光敏电阻测量电路中的电流I为 (8-40)式中 RL负载电阻；RG光敏电阻；E电源电压。第8章 固态传感器8-28-28-28-2光敏传感器光敏传感器光敏传感器光敏传感器二、光敏电阻二、光敏电阻二、光敏电阻二、光敏电阻(三三三三)光敏电阻与负载的匹配光敏电阻与负载的匹配光敏电阻与负载的匹配光敏电阻与负载的匹配32 图中绘出光敏电阻的负载线光敏电阻的负载线光敏电阻的负载线光敏电阻的负载线NBQANBQA及伏安特性OBOB、OQOQ、OAOA，对应的照度为L、LQ、L。设光敏电阻工作在LQ照度下，当照度变化时，工作点Q将变至A或B，它的电流和电压都改变。设照度变化时，光敏电阻值的变化RG，则此时电流为第8章 固态传感器8-28-28-28-2光敏传感器光敏传感器光敏传感器光敏传感器二、光敏电阻二、光敏电阻二、光敏电阻二、光敏电阻(三三三三)光敏电阻与负载的匹配光敏电阻与负载的匹配光敏电阻与负载的匹配光敏电阻与负载的匹配33式中负号所表示的物理意义是：当照度L光敏电阻RG，即RG 0。光敏电阻的RG和RG可由实验或伏安特性曲线求得。在照度LConst时RGI。第8章 固态传感器8-28-28-28-2光敏传感器光敏传感器光敏传感器光敏传感器二、光敏电阻二、光敏电阻二、光敏电阻二、光敏电阻(三三三三)光敏电阻与负载的匹配光敏电阻与负载的匹配光敏电阻与负载的匹配光敏电阻与负载的匹配34当电流为I时，由图可求得输出电压U为 U=E-IRU=E-IRL L电流为I+I时，其输出电压则为 U+U=E-(I+I)RU+U=E-(I+I)RL L 第8章 固态传感器8-28-28-28-2光敏传感器光敏传感器光敏传感器光敏传感器二、光敏电阻二、光敏电阻二、光敏电阻二、光敏电阻(三三三三)光敏电阻与负载的匹配光敏电阻与负载的匹配光敏电阻与负载的匹配光敏电阻与负载的匹配在照度LConst时RGU U。35 当光敏电阻的R RGG和和和和R RGG及电源电压及电源电压及电源电压及电源电压E E为已知为已知为已知为已知，则选择最佳的负载电阻RL有可能获得最大的信号电压最大的信号电压最大的信号电压最大的信号电压 U U，这不难由(8-43)式求得。令解得 R RL L=R RGG第8章 固态传感器8-28-28-28-2光敏传感器光敏传感器光敏传感器光敏传感器二、光敏电阻二、光敏电阻二、光敏电阻二、光敏电阻(三三三三)光敏电阻与负载的匹配光敏电阻与负载的匹配光敏电阻与负载的匹配光敏电阻与负载的匹配36第8章 固态传感器8-28-28-28-2光敏传感器光敏传感器光敏传感器光敏传感器三、光电池三、光电池三、光电池三、光电池复习：复习：复习：复习：光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应 光电池是利用光生伏特效应把光能直接转变成电能的光电池是利用光生伏特效应把光能直接转变成电能的光电池是利用光生伏特效应把光能直接转变成电能的光电池是利用光生伏特效应把光能直接转变成电能的器件。器件。器件。器件。由于光电池光电池光电池光电池可把太阳能直接变成电能，因此又称为太阳能电池太阳能电池。光电池光电池光电池光电池是发电式有源元件发电式有源元件发电式有源元件发电式有源元件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。命名方式：命名方式：命名方式：命名方式：把光电池的半导体材料的名称半导体材料的名称半导体材料的名称半导体材料的名称冠于光电池(或太阳能电池)之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前目前目前目前,应用最广、最有发展前途的是硅光电池。应用最广、最有发展前途的是硅光电池。应用最广、最有发展前途的是硅光电池。应用最广、最有发展前途的是硅光电池。37第8章 固态传感器8-2光敏传感器三、光电池l硅光电池硅光电池硅光电池硅光电池:价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。红外光。红外光。红外光。l硒光电池硒光电池硒光电池硒光电池:光电转换效率低光电转换效率低光电转换效率低光电转换效率低)、寿命短，适于接收可见光(响应峰值波长0.56m)，最适宜制造照度计。l砷化镓光电池砷化镓光电池砷化镓光电池砷化镓光电池:理论转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探它在宇宙飞船、卫星、太空探它在宇宙飞船、卫星、太空探它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用测器等电源方面的应用测器等电源方面的应用测器等电源方面的应用是有发展前途有发展前途有发展前途有发展前途的。38(一一一一)光电池的结构原理光电池的结构原理光电池的结构原理光电池的结构原理制造工艺制造工艺制造工艺制造工艺常用的硅光电池硅光电池硅光电池硅光电池的结构如图所示。工艺：在电阻率约为0.1 0.1 0.1 0.1 cmcmcmcm1 1 1 1 cmcmcmcm的N N N N型硅片上型硅片上型硅片上型硅片上，扩散硼形成扩散硼形成扩散硼形成扩散硼形成P P P P型型型型层层层层；然后，分别用电极引线把P型和N型层引出，形成正、负电极正、负电极正、负电极正、负电极。如果在两电极间接上负载电阻R R R R L L L L，则受光光光光照后照后照后照后就会有电流流过。为了提高效率提高效率提高效率提高效率，防止表面反射光防止表面反射光防止表面反射光防止表面反射光，在器件的受光面上要进行氧化，以形成SiOSiOSiOSiO2 2 2 2保护膜保护膜保护膜保护膜。图8-44 硅光电池的构造图8-2光敏传感器三、光电池第8章 固态传感器39(一一一一)光电池的结构原理光电池的结构原理光电池的结构原理光电池的结构原理硅光电池硅光电池硅光电池硅光电池器件的价格与原材价格与原材价格与原材价格与原材料消耗量料消耗量料消耗量料消耗量密切相关。把光电池做成圆形(或六角形),利用率最高，为了满足电源电压、容量的要求，必须把单个光电池串、并联起来组单个光电池串、并联起来组单个光电池串、并联起来组单个光电池串、并联起来组成电池组成电池组成电池组成电池组使用。第8章 固态传感器8-2光敏传感器三、光电池40第8章 固态传感器8-2光敏传感器三、光电池（一）光电池的结构原理SiO2+光光PNRL(a)a)光电池的结构图光电池的结构图（多数载流子）热运动结果（多数载流子）热运动结果光光PN当N型半导体和P型半导体结合在一起构成一块晶体时，由于热运动:N区中的多子电子向P区扩散，P区中的多子空穴N区扩散，结果在N区靠近交界处聚集起较多的空穴，而在P区靠近交界处聚集起较多的电子，于是在过渡区形成了一个电场，过渡区形成了一个电场，方向:NP。这个电场阻止多子进一步扩散。但它却能推动但它却能推动但它却能推动但它却能推动N N N N区中的空穴区中的空穴区中的空穴区中的空穴(少数载流子少数载流子少数载流子少数载流子)和和和和P P P P区中的电子区中的电子区中的电子区中的电子(也是少数载流子也是少数载流子也是少数载流子也是少数载流子)分别向对方运动分别向对方运动分别向对方运动分别向对方运动。41第8章 固态传感器8-2光敏传感器三、光电池（一）光电池的结构原理SiO2+光光PNRL(b)b)光电池的工作原理示意图光电池的工作原理示意图I I光光光光PN当光照到PN结区时，如果光子能量足够大光子能量足够大光子能量足够大光子能量足够大，就将在结区附近激发结区附近激发结区附近激发结区附近激发出电子出电子出电子出电子空穴对空穴对空穴对空穴对。在PN结内电场的作用下，N N区的光生空穴区的光生空穴区的光生空穴区的光生空穴被拉向P区，P P区的光生电子区的光生电子区的光生电子区的光生电子被拉向N区，结果，在N区就聚积了负电荷，P区聚积了正电荷，这样，N区和P区之间就出现了电位差。若将PN结两端用导线连起来，电路中就有电流流过，电流的方向由电流的方向由电流的方向由电流的方向由P P区区区区流经外电路至流经外电路至流经外电路至流经外电路至N N区区区区。若将外电路断开，就可以测出光生电动势光生电动势。光生光生光生光生空穴空穴空穴空穴光生光生光生光生电子电子电子电子PNPNPN结电场结电场结电场结电场-42第8章 固态传感器8-2光敏传感器三、光电池（一）光电池的结构原理SiOSiO2 2+光光P PN NR RL L(a)a)光电池的结构图光电池的结构图(b)b)光电池的工作原理示意图光电池的工作原理示意图I I光光PN当光子能量 时，即 （8-38）产生光电流光电流光电流光电流，外电路断路时产生光生电动势光生电动势光生电动势光生电动势。光子能量足够大，即光子能量足够大，即光子能量足够大，即光子能量足够大，即43第8章 固态传感器8-2光敏传感器三、光电池（一）光电池的结构原理光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。RLIUIdUII(a)(b)(c)光电池符号和基本工作电路光电池符号和基本工作电路44第8章 固态传感器8-2光敏传感器三、光电池（二）基本特性1.1.1.1.光照特性光照特性光照特性光照特性L/klxL/klx5432100.10.20.30.40.5246810开路电压开路电压Uoc/V0.10.20.30.40.50.30.1012345Uoc/VIsc/mAIsc/mA(a)硅光电池硅光电池(b)硒光电池硒光电池开路电压开路电压短路电流短路电流短路电流短路电流0.5开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为2000lx时趋向饱和。短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线.45第8章 固态传感器说明：外接负载相对于光电池内阻而言是很小说明：外接负载相对于光电池内阻而言是很小说明：外接负载相对于光电池内阻而言是很小说明：外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足外接负载近似地满足外接负载近似地满足外接负载近似地满足“短短短短路路路路”条件。光电池的短路电流Isc与照度L成线性关系，而且受光面积越大，短受光面积越大，短受光面积越大，短受光面积越大，短路电流也越大路电流也越大路电流也越大路电流也越大。当光电池作为测量元件测量元件测量元件测量元件时应取短路电流的形式时应取短路电流的形式时应取短路电流的形式时应取短路电流的形式。应用：照度计8-2光敏传感器三、光电池（二）基本特性1.1.1.1.光照特性光照特性光照特性光照特性L/klxL/klx5432100.10.20.30.40.5246810开路电压开路电压Uoc/V0.10.20.30.40.50.30.1012345Uoc/VIsc/mAIsc/mA(a)硅光电池硅光电池(b)硒光电池硒光电池开路电压开路电压短路电流短路电流短路电流短路电流0.546第8章 固态传感器IUIU02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx5010010005000RL=0 下图表示硒光电池硒光电池硒光电池硒光电池在不同负载电阻不同负载电阻不同负载电阻不同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，负载电阻负载电阻负载电阻负载电阻RLRLRLRL越小越小越小越小，光电流与光照强度的线光电流与光照强度的线光电流与光照强度的线光电流与光照强度的线性关系越好，且线性范围越宽性关系越好，且线性范围越宽性关系越好，且线性范围越宽性关系越好，且线性范围越宽。8-2光敏传感器三、光电池（二）基本特性1.光照特性47第8章 固态传感器8-2光敏传感器三、光电池（二）基本特性2.光谱特性光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可看出：硒光电池：在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜测可见光。硅光电池：应用的范围400nm1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。204060801000.40.60.81.01.20.2I/%12/m1硒光电池硒光电池2硅光电池硅光电池可见光：可见光：波长波长380380780nm780nm48第8章 固态传感器8-2光敏传感器三、光电池（二）基本特性3.频率响应光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入调制光输入调制光输入调制光输入。光电池的频率响应：指输出电流指输出电流指输出电流指输出电流I I I I 随调制光频率随调制光频率随调制光频率随调制光频率f f f f 变化的关系变化的关系变化的关系变化的关系由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率响应曲线。由图可知，相对而言，硅硅硅硅光光光光电电电电池池池池具具具具有有有有较较较较高高高高的频率响应的频率响应的频率响应的频率响应，如曲线2，而硒光电池则较差，如曲线1。204060801000I/%1234512f/kHz1硒光电池硒光电池2硅光电池硅光电池49第8章 固态传感器8-2光敏传感器三、光电池（二）基本特性 4.温度特性光电池的温度特性光电池的温度特性光电池的温度特性光电池的温度特性:是指开路电压和短路电流随温度变化的关系开路电压和短路电流随温度变化的关系开路电压和短路电流随温度变化的关系开路电压和短路电流随温度变化的关系。温度上升1 时，Uoc开路电压约降低3 mV3 mV3 mV3 mV。温度上升1 时，Isc 短路电流只增加210210210210-6-6-6-6 A。2004060904060UOC/mVT/CISCUOCISC/A600400200UOC开路电压开路电压ISC短路电流短路电流硅光电池在硅光电池在1000lx照照度下的温度特性曲线度下的温度特性曲线50第8章 固态传感器8-2光敏传感器三、光电池（二）基本特性 4.温度特性由图可见，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关它将关它将关它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标制精度等主要指标制精度等主要指标制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时当光电池作为测量元件时当光电池作为测量元件时当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定温度恒定温度恒定温度恒定，或采取温度补偿措施温度补偿措施温度补偿措施温度补偿措施。2004060904060UOC/mVT/CISCUOCISC/A600400200UOC开路电压开路电压ISC短路电流短路电流硅光电池在硅光电池在1000lx1000lx照照度下的温度特性曲线度下的温度特性曲线51光电池的转换效率光电池的转换效率光电池的转换效率光电池的转换效率:光电池的最大输出电功率最大输出电功率最大输出电功率最大输出电功率和输入光功输入光功输入光功输入光功率的比值率的比值率的比值率的比值，称为光电池的转换效率。光电池输出功率光电池输出功率光电池输出功率光电池输出功率:在一定负载电阻下，光电池的输出电压U与输出电流I的乘积，即为光电池输出功率，记为P，其表达式如下：P=IUP=IU硅光电池硅光电池硅光电池硅光电池转换效率的理论值，最大可达24%，而实际上只达到1 1 1 10 0 0 0%15%15%15%15%。第8章 固态传感器8-2光敏传感器三、光电池（三）光电池的转换效率及最佳负载匹配（三）光电池的转换效率及最佳负载匹配52最佳负载电阻最佳负载电阻最佳负载电阻最佳负载电阻在一定的辐射照度下，当负载电阻RL:0输出电压U:Uoc0;I:0 Isc，说明只有在某一负载电阻只有在某一负载电阻只有在某一负载电阻只有在某一负载电阻R R R Rj j j j下，才能得到最大的输出功下，才能得到最大的输出功下，才能得到最大的输出功下，才能得到最大的输出功率率率率P P P Pj j j j(P P P Pj j j j=I I I Ij j j jU U U Uj j j j)。Rj称为光电池在一定辐射照度下的最佳负载电阻最佳负载电阻最佳负载电阻最佳负载电阻。注：同一光电池的Rj值随辐射照度的增强而稍微减少随辐射照度的增强而稍微减少随辐射照度的增强而稍微减少随辐射照度的增强而稍微减少。第8章 固态传感器8-2光敏传感器三、光电池（三）光电池的转换效率及最佳负载匹配53 可以利用光电池的输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线直观地表示出输出功率值输出功率值输出功率值输出功率值。在图中，通过原点、斜率为通过原点、斜率为通过原点、斜率为通过原点、斜率为tantan=I IHH/U UHH=1/=1/R RL L的直线，就是未加偏压的直线，就是未加偏压的直线，就是未加偏压的直线，就是未加偏压的光电池的负载线的光电池的负载线的光电池的负载线的光电池的负载线。此负载线与某一照度下的伏安特性曲线交于PH点。PH点在I轴和U轴上的投影投影投影投影即分别为负载电阻为RL时的输出电流IH和输出电压UH。此时，输出功率等于矩形输出功率等于矩形输出功率等于矩形输出功率等于矩形OIOIHHP PHHU UHH的面积的面积的面积的面积。第8章 固态传感器8-2光敏传感器三、光电池（三）光电池的转换效率及最佳负载匹配光电池的伏安特性光电池的伏安特性及负载线及负载线54 为了求取某一照度下最佳负载电阻Rj，可以分别从该照度下的电压电流特性曲线与两坐标轴交点（U Uococ，0 0）（）（）（）（0 0，I Iscsc）作该特性曲线的切线，两切线交于Pm点，连接P PmmO O的直线即为负载线的直线即为负载线的直线即为负载线的直线即为负载线。此负载线所确定的阻值(R Rj j=1/tan=1/tan)即为取得最大功率的最佳负载电阻最佳负载电阻最佳负载电阻最佳负载电阻R Rj j。图8-48中画阴影线部分的面积等于最大输出功率值画阴影线部分的面积等于最大输出功率值画阴影线部分的面积等于最大输出功率值画阴影线部分的面积等于最大输出功率值。第8章 固态传感器8-2光敏传感器三、光电池（三）光电池的转换效率及最佳负载匹配光电池的伏安特性光电池的伏安特性及负载线及负载线55R Rj j负载线把光电池伏安特性曲线分成负载线把光电池伏安特性曲线分成负载线把光电池伏安特性曲线分成负载线把光电池伏安特性曲线分成、两部分两部分两部分两部分：RLRj，负载变化将引起输出电流大幅度的变化，而输出电压却几乎不变。第8章 固态传感器8-2光敏传感器三、光电池（三）光电池的转换效率及最佳负载匹配Rj=1/tan56 应该指出，光电池的最佳负载电阻是随入射光照度光电池的最佳负载电阻是随入射光照度光电池的最佳负载电阻是随入射光照度光电池的最佳负载电阻是随入射光照度的增大而减小的的增大而减小的的增大而减小的的增大而减小的，由于在不同照度下的电压不同照度下的电压不同照度下的电压不同照度下的电压电流曲线电流曲线电流曲线电流曲线不同不同不同不同，对应的最佳负载线不同。因此每个光电池的最佳最佳最佳最佳负载线不是一条，而是一簇负载线不是一条，而是一簇负载线不是一条，而是一簇负载线不是一条，而是一簇。第8章 固态传感器8-2光敏传感器三、光电池（三）光电池的转换效率及最佳负载匹配57第8章 固态传感器8-2光敏传感器三、光电池（四（四（四（四)太阳能发电系统设计实例太阳能发电系统设计实例太阳能发电系统设计实例太阳能发电系统设计实例设计目标：实现设计目标：实现TTWGF凝析天然气两相流量计量系统的太阳能发凝析天然气两相流量计量系统的太阳能发电系统配置，满足四川地区电系统配置，满足四川地区15天阴雨可持续工作。天阴雨可持续工作。设计选型：设计选型：太阳能电池板功率太阳能电池板功率太阳能电池板功率太阳能电池板功率及蓄电池容量及蓄电池容量58第8章 固态传感器8-2光敏传感器三、光电池（四（四（四（四)太阳能发电系统设计实例太阳能发电系统设计实例太阳能发电系统设计实例太阳能发电系统设计实例设计目标：实现设计目标：实现TTWGF凝析天然气气液两相流量计量系统的太阳凝析天然气气液两相流量计量系统的太阳能发电系统配置，满足四川地区能发电系统配置，满足四川地区15天阴雨可持续工作。天阴雨可持续工作。选型：选型：太阳能电池板功率太阳能电池板功率太阳能电池板功率太阳能电池板功率及蓄电池容量及蓄电池容量已知：TTWGF系统负载为 变送器变送器变送器变送器5 5台台台台:输出电流：420mA,供电电压：24V；ARMARM流量计算机流量计算机流量计算机流量计算机1 1台台台台:工作电流：，供电电压：12V；GPRSGPRS无线通讯模块：无线通讯模块：无线通讯模块：无线通讯模块：工作电压4V，工作电流仪表每天工作时数：仪表每天工作时数：仪表每天工作时数：仪表每天工作时数：仪表采用间歇性供电，即工作5分钟，断电5分钟。故变送器和ARM每天工作时数为12小时，GPRS模块在每次上电的5分钟内，大约只工作2分钟，所以GPRS模块每天工作时数为小时。太阳能电池板功率太阳能电池板功率太阳能电池板功率太阳能电池板功率=负载