07光敏功能材料及传感器课件优秀PPT.ppt

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1、光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 光敏材料能够将非电量的光信号转换成可检测的电光敏材料能够将非电量的光信号转换成可检测的电量，利用具有这种特性的材料制成的传感器。量，利用具有这种特性的材料制成的传感器。光电传感器光电传感器由由光光引引起起的的电电效效应应内光电效应内光电效应外光电效应外光电效应光生伏特效应光生伏特效应光照作用下使电子逸出物体表面的现象光照作用下使电子逸出物体表面的现象如：光电管、光电倍增器等如：光电管、光电倍增器等光的作用仅使物体的电阻率变更的现象光的作用仅使物体的电阻率变更的现象如：光敏电阻如：光敏电阻光照作用下使物体产生确定的电势光照作用下使物体产生确定的电势如：光

2、敏二极管、光敏三极管、光电池、如：光敏二极管、光敏三极管、光电池、光敏晶体管等光敏晶体管等光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 利用物质在光的照射下电导性能变更或产生电利用物质在光的照射下电导性能变更或产生电动势的原理制成的光电器件称内光电效应器件，常动势的原理制成的光电器件称内光电效应器件，常见的有光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。见的有光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。一一 、内光电效应器件、内光电效应器件（一）光敏电阻（一）光敏电阻(光导管光导管)纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增加而减小。光照增加而

3、减小。优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载实力强和寿命长等。强度高，耐冲击、耐振动、抗过载实力强和寿命长等。不足：须要外部电源，有电流时会发热。不足：须要外部电源，有电流时会发热。光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器4 1 1、光敏电阻的结构、光敏电阻的结构A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬底引线电极引线光电导体 为为了了获获得得高高的的灵灵敏敏度度，光光敏敏电电阻阻的的电电极极一一般般接接受受梳梳状图案，结构见下图。状图案，结构见下图。光光敏敏电电

4、阻阻的的结结构构如如图图所所示示。管管芯芯是是一一块块安安装装在在绝绝缘缘衬衬底底上上带有带有两个欧姆接触电极两个欧姆接触电极的光电导体。的光电导体。光光导导体体吸吸取取光光子子而而产产生生的的光光电电效效应应，只只限限于于光光照照的的表表面面薄薄层层，虽虽然然产产生生的的载载流流子子也也有有少少数数扩扩散散到到内内部部去去，但但扩扩散散深深度度有有限，因此光电导体一般都做成薄层。限，因此光电导体一般都做成薄层。光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器1-光导层光导层;2-玻璃窗口玻璃窗口;3-金属外壳金属外壳;4-电极电极;5-陶瓷基座陶瓷基座;6-黑色绝缘玻璃黑色绝缘玻璃;7-电阻引线。电

5、阻引线。(b)电极RG(c)符号u光敏电阻的制作方式光敏电阻的制作方式CdS光敏电阻的结构和符号（硫化镉）光敏电阻的结构和符号（硫化镉）1234567(a)结构 是是在在确确定定的的掩掩模模下下向向光光电电导导薄薄膜膜上上蒸蒸镀镀金金（Au）或或铟铟（In）等等金金属属形形成成的的。这这种种梳梳状状电电极极，由由于于在在间间距距很很近近的的电电极极之之间间有有可可能能接接受受大大的的灵灵敏敏面面积积，所所以以提提高高了了光光敏敏电电阻阻的的灵灵敏敏度。图（度。图（c）是光敏电阻的代表符号。）是光敏电阻的代表符号。光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 光光敏敏电电阻阻的的灵灵敏敏度度易易受受

6、湿湿度度的的影影响响，因因此此要要将将光光电电导导体体严严密密封封装装在在玻玻璃璃壳壳体体中中。假假如如把把光光敏敏电电阻阻连连接接到到外外电电路路中中，在在外外加加电电压压的的作作用用下下，用用光光照照射射就就能能变变更电路中电流的大小，其连线电路如图所示。更电路中电流的大小，其连线电路如图所示。RGRLEI光光敏敏电电阻阻具具有有很很高高的的灵灵敏敏度度，很很好好的的光光谱谱特特性性，光光谱谱响响应应可可从从紫紫外外区区到到红红外外区区范范围围内内。而而且且体体积积小小、重量轻、性能稳定、价格便宜重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。，因此应用比较广泛。u光敏电阻的制作方式光敏电阻

7、的制作方式光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器2 2、光敏电阻的主要参数和基本特性、光敏电阻的主要参数和基本特性（1 1）暗电流、亮电流、光电流）暗电流、亮电流、光电流暗暗电电流流(Id)：光光敏敏电电阻阻在在室室温温条条件件下下，全全暗暗（无无光光照照射射）后后经经过过确确定定时时间间测测量量的的电电阻阻值值，称称为为暗暗电电阻阻。此此时时在在给给定定电电压压下下流流过过的的电电流流称称为暗电流。为暗电流。亮电流：亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的的亮电阻亮电阻。此时在给定电压下流过的电流称为。此时在给定电压下流过的电流称为亮电流亮

8、电流。光电流光电流(IL)：亮电流与暗电流之差。亮电流与暗电流之差。光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小,则性能越好。也就则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。好用的光敏电阻的暗电阻往往超过好用的光敏电阻的暗电阻往往超过1M,1M,甚至高达甚至高达100M100M，而亮电阻则在几而亮电阻则在几kk以下，暗电阻与亮电阻之比在以下，暗电阻与亮电阻之比在102102106106之间，之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。可见光敏电阻的灵敏度很高。光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传

9、感器8（2 2）光照特性）光照特性 下下图图表表示示CdSCdS光光敏敏电电阻阻的的光光照照特特性性。在在确确定定外外加加电电压压下下，光光敏敏电电阻阻的的光光电电流流和和光光照照度度之之间间的的关关系系。不不同同类类型型光光敏敏电电阻阻光光照照特性不同特性不同.1000012345I/mA E/lx2000但但光光照照特特性性曲曲线线均均呈呈非非线线性性。因因此此它它不不宜宜作作定定量量检检测测元元件件，这这是是光敏电阻的不足之处。一般在自动限制系统中用作光电开关。光敏电阻的不足之处。一般在自动限制系统中用作光电开关。Lx:照度的国际单照度的国际单位（位（SI），又称），又称米烛光。米烛光。

10、1流明的流明的光通量匀整分布光通量匀整分布在在1平方米面积上平方米面积上的照度，就是一的照度，就是一勒克斯。可以标勒克斯。可以标作勒克斯，作勒克斯，简称勒。英为简称勒。英为lux，简作，简作lx。2 2、光敏电阻的主要参数和基本特性、光敏电阻的主要参数和基本特性光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，

11、在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满足的效果。合起来考虑，才能获得满足的效果。204060801000.40.81.21.622.4/m312相对灵敏度1硫化镉硫化镉2硒化镉硒化镉3硫化铅硫化铅（3 3）光谱特性）光谱特性2 2、光敏电阻的主要参数和基本特性、光敏电阻的主要参数和基本特性光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 在确定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关在确定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。图中曲线系称为伏安特性。图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某分别

12、表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光光照度较大，光电流也越大。在确定的光照度下，所加的电压越大，光电流越电流也越大。在确定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。大，而且无饱和现象。但但是是电电压压不不能能无无限限地地增增大大，因因为为任任何何光光敏敏电电阻阻都都受受额额定定功功率率、最最高高工工作作电电压压和和额额定定电电流流的的限限制制。超超过过最最高高工工作作电电压压和和最最大大额额定定电电流流，可可能能导致光敏电阻永久性损坏。导致光敏电阻永久性损坏。5010015020012U/V0204

13、0I/A（4 4）伏安特性伏安特性2 2、光敏电阻的主要参数和基本特性、光敏电阻的主要参数和基本特性光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 当当光光敏敏电电阻阻受受到到脉脉冲冲光光照照射射时时，光光电电流流要要经经过过一一段段时时间间才才能能达达到到稳稳定定值值，而而在在停停止止光光照照后后，光光电电流流也也不不立立刻刻为为零零，这这就就是是光光敏敏电电阻阻的的时时延延特特性性。由由于于不不同同材材料料的的光光敏敏电电阻阻时时延延特特性性不不同，所以它同，所以它们们的的频频率特性也不同。率特性也不同。如图。硫化铅的运用频率比硫如图。硫化铅的运用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻化镉高得多，但

14、多数光敏电阻的时延（时间常数）都比较大，的时延（时间常数）都比较大，所以，它不能用在要求快速响所以，它不能用在要求快速响应的场合。应的场合。20406080100I/%f/Hz010102103104硫化铅硫化镉（5 5）频率特性）频率特性2 2、光敏电阻的主要参数和基本特性、光敏电阻的主要参数和基本特性光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 光电二极管基本结构是一个光电二极管基本结构是一个PN结。它的结面积结。它的结面积小，因此它的频率特性特殊好。输出电流小，一般小，因此它的频率特性特殊好。输出电流小，一般为几为几A到几十到几十A。按材料分，光电二极管有硅、砷。按材料分，光电二极管有硅、砷

15、化镓、锑化铟光电二极管等很多种。化镓、锑化铟光电二极管等很多种。国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为分为2CU和和2DU两种系列。两种系列。2CU系列以系列以N-Si为衬底，为衬底，2DU系列以系列以P-Si为衬底。为衬底。2CU系列的光电二极管只有系列的光电二极管只有两条引线，而两条引线，而2DU系列光电二极管有三条引线。系列光电二极管有三条引线。(二）光敏二极管和光敏三极管二）光敏二极管和光敏三极管光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器光敏二极管的结构与一般二极光敏二极管的结构与一般二极管相像、它装在透亮玻璃外壳中，管相像、它装在透亮玻

16、璃外壳中，其其PNPN结装在管顶，可干脆受到光照结装在管顶，可干脆受到光照射。射。光敏二极管在电路中一般是处光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图所示。于反向工作状态，如图所示。光敏二极管符号光敏二极管符号PN光RL 光PN光敏二极管接线光敏二极管接线1、光敏二极管、光敏二极管CL-5M3B5mmPhototransistor光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器14光敏二极管的光电流光敏二极管的光电流 I 与照度之间呈线性关系。光敏二极管与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的适合检测等方面的应用。应用。光敏二极管在没有光照射

17、时，反向电阻很大，反向电光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。光敏二极管处于截止状态，这时只有少数载流子流很小。光敏二极管处于截止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流。在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流。暗电流；暗电流；当光照射时，光敏二极管导通。受光照射时，当光照射时，光敏二极管导通。受光照射时，PN结旁结旁边受光子轰击，吸取其能量而产生电子边受光子轰击，吸取其能量而产生电子-空穴对，从而使空穴对，从而使P区和区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，和

18、内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过区，从而使通过PN结的结的反向电流大为增加，形成了光电流。反向电流大为增加，形成了光电流。光电流：光电流：1、光敏二极管、光敏二极管光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器（1 1）PINPIN管结光电二极管管结光电二极管P-SiN-SiI-SiPIN管结构示意图 PIN PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P P型型半导体和半导体和N N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导型半

19、导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，体。这样，PNPN结的内电场就基本上全集中于结的内电场就基本上全集中于 I I 层中，从而层中，从而使使PNPN结双电层的间距加宽，结电容变小结双电层的间距加宽，结电容变小,频带将变宽。频带将变宽。1、光敏二极管、光敏二极管光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器最大特点：频带宽，可达最大特点：频带宽，可达10GHz10GHz。特点：特点：另另一一个个特特点点是是，因因为为I I层层很很厚厚，在在反反偏偏压压下下运运用用,可可承承受受较较高高的的反反向向电电压压，线线性性输输出出范范围围宽宽。由由耗耗尽尽层层宽宽度度与与外外加加电电压压的的关关系

20、系可可知知，增增加加反反向向偏偏压压会会使使耗耗尽尽层层宽宽度度增增加加，从从而而结结电电容要进一步减小，使频带宽度变宽。容要进一步减小，使频带宽度变宽。I I层层电电阻阻很很大大，管管子子的的输输出出电电流流小小，一一般般多多为为零零点点几几微微安安至至数数微微安安。目目前前有有将将PINPIN管管与与前前置置运运算算放放大大器器集集成成在在同同一一硅硅片片上并封装于一个管壳内的商品出售。上并封装于一个管壳内的商品出售。不足：不足：1、光敏二极管、光敏二极管光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 雪崩光电二极管是利用雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的结在高反向电

21、压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。一种二极管。这种管子工作电压很高，约这种管子工作电压很高，约100200V，接近于反向击穿电压。结区内电，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的雪崩。这种管子，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特殊快，带宽可达响应速度特殊快，带

22、宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极，是目前响应速度最快的一种光电二极管。管。噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特殊是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大它的噪声较大，特殊是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法运用。但由于到放大器的噪声水平，以至无法运用。但由于APD的响应时间极短，灵敏的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广袤。度很高，它在光通信中应用前景广袤。（2 2）雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)(APD)光

23、敏二极管的种类和用途见表光敏二极管的种类和用途见表10-21、光敏二极管、光敏二极管光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器（1 1）光敏三极管有）光敏三极管有PNPPNP型和型和NPNNPN型两种，如图。型两种，如图。2、光敏三极管、光敏三极管 其其结结构构与与一一般般三三极极管管很很相相像像，具具有有电电流流增增益益,只只是是它它的的放放射射极极一一边边做做的的很很大大,以以扩扩大大光光的的照照射射面面积积,且且其其基基极极不不接接引引线线。当当集集电电极极加加上上正正电电压压,基基极极开开路路时时,集集电电极极处处于于反反向向偏偏置置状状态态。当当光光线线照照射射在在集集电电结结的的基基

24、区区时时,会会产产生生电电子子-空空穴穴对对,在在内内电电场场的的作作用用下下,光光生生电电子子被被拉拉到到集集电电极极,基基区区留留下下空空穴穴,使使基基极极与与放放射射极极间间的的电电压压上上升升,这这样样便便有有大大量量的的电电子子流流向向集集电电极极,形形成成输输出出电电流流,且且集集电极电流为光电流的电极电流为光电流的倍。倍。RL ECEPPNNNPe b bcec（1）（2）光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器IC:集电极电流；集电极电流；IP：基极与集电极：基极与集电极p-n结的光生电流；结的光生电流；ICBO：无光照时：无光照时p-n结反向饱和电流；结反向饱和电流；：共放射

25、极直流放大系数。：共放射极直流放大系数。一般反向饱和电流一般反向饱和电流ICBO很小，所以有：很小，所以有：2、光敏三极管、光敏三极管光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器20（2）光敏三极管的主要特性：）光敏三极管的主要特性：光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面旁边就光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体

26、表面旁边就被吸取，并且在表面激发的电子空穴对不能到达被吸取，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PNPN结，因而使相对灵敏度结，因而使相对灵敏度下降。下降。光光谱谱特性特性相对灵敏度/%硅锗入射光/400080001200016000100806040200硅硅的的峰峰值值波波长长为为9000，锗锗的的峰峰值值波波长长为为15000。由由于于锗锗管管的的暗暗电电流流比比硅硅管管大大，因因此此锗锗管管的的性性能能较较差差。故故在在可可见见光光或或探探测测赤赤热热状状态态物物体体时时，一一般般选选用用硅硅管管；但但对对红红外外线线进进行行探探测测时时,则接受锗管较合适。则接受锗管较合适。2、光敏三极

27、管、光敏三极管光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器伏安特性伏安特性 光光敏敏三三极极管管的的伏伏安安特特性性曲曲线线如如图图所所示示。光光敏敏三三极极管管在在不不同同的的照照度度下下的的伏伏安安特特性性，就就像像一一般般晶晶体体管管在在不不同同的的基基极极电电流流时时的的输输出出特特性性一一样样。因因此此，只只要要将将入入射射光光照照在在放放射射极极e与与基基极极b之之间间的的PN结结旁旁边边，所所产产生生的的光光电电流流看看作作基基极极电电流流，就就可可将将光光敏敏三三极极管管看看作作一一般般的的晶晶体体管管。光光敏敏三三极极管管能能把把光光信信号号变变成成电信号，而且输出的电信号较大。

28、电信号，而且输出的电信号较大。0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080光敏晶体管的伏安特性U/V2、光敏三极管、光敏三极管光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器光敏晶体管的光照特性I/AL/lx200400600800100001.02.03.0 光敏三极管的光照特性如图所示。它给出了光敏三光敏三极管的光照特性如图所示。它给出了光敏三极管的输出电流极管的输出电流 I I 和照度之间的关系。它们之间呈现和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大了近似线性关系。当光照足够大(几几klx)klx)时，会出现饱时，会出现饱和现象，从而

29、使光敏三极管既可作线性转换元件，也可和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。作开关元件。光照特性光照特性2、光敏三极管、光敏三极管光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器暗电流/mA10 20 30 40 50 60 70T/C25050光电流/mA10002003004001020 30 4050 60 70 80T/C光敏晶体管的温度特性 光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变更对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很

30、大所以变更对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大所以电子线路中应当对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输电子线路中应当对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。出误差。温度特性温度特性2、光敏三极管、光敏三极管光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 光敏三极管的频率特性曲线如图所示。光敏三极管的频率光敏三极管的频率特性曲线如图所示。光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在入射光的

31、调制频率要求在5 5k kHzHz以下。硅管的频率响应要比锗管以下。硅管的频率响应要比锗管好。好。0100100050050001000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k入射光调制频率/HZ相对灵敏度/%光敏晶体管的频率特性光敏晶体管的频率特性频率特性频率特性2、光敏三极管、光敏三极管光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器光传感器的应用光传感器的应用鼠鼠标标中中的的红红外外接接收收管管就就是是光光传传感感器器。鼠鼠标标移移动动时时，滚滚球球带带动动 x、y 方方向向两两个个码码盘盘转转动动，红红外外管管接接收收到到一一个个个个红红外外线线脉脉冲冲。计计算算机机分分别

32、别统统计计 x、y 两两个个方方向向上上的的脉脉冲冲信信号号，就就能能确确定定鼠鼠标标的的位位置。置。1.鼠标器鼠标器光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器光传感器的应用光传感器的应用26(光敏三极管的应用光敏三极管的应用)2.火灾报警器火灾报警器光光电电三三极极管管是是烟烟雾雾火火警警报报警警器器中中的的光光传传感感器器。平平常常，发发光光二二极极管管发发出出的的光光被被不不透透亮亮挡挡板板拦拦住住。当当有有烟烟雾雾时时，烟烟雾雾对对光光有有散散射射作作用用，光光电电三三极极管管接接收收到到散散射射光光，电电阻阻变变小小，使使报报警警电路工作。电路工作。光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传

33、感器光传感器的应用光传感器的应用3.光电池光电池光电池是利用光生伏特效应把光干脆转变成电能的器件。由光电池是利用光生伏特效应把光干脆转变成电能的器件。由于它可把太阳能干脆变电能，因此又称为太阳能电池。它是于它可把太阳能干脆变电能，因此又称为太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。它有较大面基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。它有较大面积的积的PN结，当光照射在结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。结上时，在结的两端出现电动势。光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器光传感器的应用光传感器的应用u命命名名方方式式：把把光光电电池池的的半半导导体体材材料料的的名名

34、称称冠冠于于光光电电池池(或或太太阳阳能能电电池池)之之前前。如如，硒硒光光电电池池、砷砷化化镓镓光光电电池池、硅硅光光电电池池等。目前等。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。u砷砷化化镓镓光光电电池池转转换换效效率率比比硅硅光光电电池池稍稍高高，光光谱谱响响应应特特性性则则与与太太阳阳光光谱谱最最吻吻合合。且且工工作作温温度度最最高高，更更耐耐受受宇宇宙宙射射线线的的辐辐射射。因因此此，它它在在宇宇宙宙飞飞船船、卫卫星星、太太空空探探测测器器等等电电源源方方面的应用是有发展前途的。面的应用是有发展前途的。u硅硅光光电电池池价价格格便便宜宜，转转换换效

35、效率率高高，寿寿命命长长，适适于于接接受受红红外外光。光。u硒硒光光电电池池光光电电转转换换效效率率低低(0.02)、寿寿命命短短，适适于于接接收收可可见光见光(响应峰值波长响应峰值波长0.56m)，最适宜制造照度计。，最适宜制造照度计。光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器光传感器的应用光传感器的应用 硅硅光光电电池池的的结结构构如如图图所所示示。它它是是在在一一块块N型型硅硅片片上上用用扩扩散散的的方方法法掺掺入一些入一些P型杂质型杂质(如硼如硼)形成形成PN结。结。（1）光电池的结构和工作原理）光电池的结构和工作原理+光PNSiO2RL(a)光电池的结构图光电池的结构图当当光光照照到到

36、PN结结区区时时，假假如如光光子子能能量量足足够够大大，将将在在结结区区旁旁边边激激发发出出电电子子-空空穴穴对对，只只要要入入射射光光子子能能量量比比半半导导体体禁禁带带宽宽度度大大，在在结结区区、P区区和和N区区都都会会引引起起本本征征激激发发而而产产生生电电子子空空穴穴对对，N区区的的光光生生空空穴穴和和P区区的的光光生生电电子子会会向向结结区区扩扩散散，只只要要在在载载流流子子寿寿命命时时间间内内到到达达结结区区，强强大大的的内内建建电场就会把电场就会把P区的光生电子拉向区的光生电子拉向N区，把区，把N区的光生空穴拉向区的光生空穴拉向P区。区。因因而而导导致致在在N区区边边界界有有光光

37、生生电电子子积积累累，在在P区区边边界界有有光光生生空空穴穴积积累累，产产生生一一个个与与内内建建电电场场相相反反的的光光生生电电场场，使使原原来来的的势势垒垒高高度度降降低低，相相当当于于在在PN结结上上加加上上一一个个正正向向电电压压V，这这就就是是光光生电动势。生电动势。光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器光传感器的应用光传感器的应用光电池的示意图光电池的示意图+光PNSiO2RL(a)光电池的结构图(b)光电池的工作原理示意图I光P N若若将将PN结结两两端端用用导导线线连连起起来来，电电路路中中有有电电流流流流过过，电电流流的的方方向向由由P区区流流经经外外电电路路至至N区区。若

38、若将将外外电电路路断断开开，就可测出光生电动势。就可测出光生电动势。（1）光电池的结构和工作原理）光电池的结构和工作原理光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器光传感器的应用光传感器的应用光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。IU(b)光电池符号和基本工作电路光电池符号和基本工作电路IdUIRLI(c)(a)光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器光传感器的应用光传感器的应用204060801000.40.60.81.01.20.2I /%12/m 光电池的光谱特性确定于材料。从曲线可看出，硒光光电池的光谱特性确定于材料。从曲线可看出，硒光

39、电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm旁边，适宜测可见光。硅光电池应用的范围旁边，适宜测可见光。硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在，峰值波长在850nm旁边，因此硅光电池旁边，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。可以在很宽的范围内应用。1硒光电池2硅光电池（2）基本特性）基本特性光谱特性光谱特性光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器光传感器的应用光传感器的应用 光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变更的关光电池

40、的频率响应就是指输出电流随调制光频率变更的关系。由于光电池系。由于光电池PNPN结面积较大，极间电容大，故频率特性结面积较大，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，硅光电较差。图示为光电池的频率响应曲线。由图可知，硅光电池具有较高的频率响应，如曲线池具有较高的频率响应，如曲线2 2，而硒光电池则较差，而硒光电池则较差，如曲线如曲线1 1。204060801000I /%1234512f/kHz1硒光电池2硅光电池频率特性频率特性光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器光传感器的应用光传感器的应用 光光电电池池的的温温度度特特性性是是指指开开路路电电压压和和短短路路电

41、电流流随随温温度度变变更更的的关关系系。由由图图可可见见，开开路路电电压压与与短短路路电电流流均均随随温温度度而而变变更更，它它将将关关系系到到应应用用光光电电池池的的仪仪器器设设备备的的温温度度漂漂移移，影影响响到到测测量量或或限限制制精精度度等等主主要要指指标标，因因此此，当当光光电电池池作作为为测测量量元元件件时时，最好能保持温度恒定，或实行温度补偿措施。最好能保持温度恒定，或实行温度补偿措施。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1000lx照照度下的温度特性曲线度下的温度特

42、性曲线温度特性温度特性光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器二、二、外光电效应器件外光电效应器件利用物质在光的照射下放射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器三、半导体色敏传感器三、半导体色敏传感器 半半导导体体色色敏敏传传感感器器是是半半导导体体光光敏敏感感器器件件中中的的一一种种。它它是是基基于于内内光光电电效效应应将将光光信信号号转转换换为为电电信信号号的的光光辐辐射射探探测测器器件件。色色敏敏传传感感器器是是各各种种类类型型测测色色仪仪器器的关键元素。的关键元素。光光敏敏传传感感器器件件不不管管

43、是是光光电电导导器器件件还还是是光光生生伏伏特特效效应应器器件件，它它们们检检测测的的都都是是在在确确定定波波长长范范围围内内光光的的强度强度,或者说光子的数目。或者说光子的数目。半半导导体体色色敏敏器器件件则则可可用用来来干干脆脆测测量量从从可可见见光光到到近近红红外外波波段段内内单单色色辐辐射射的的波波长长。这这是是近近年年来来出出现现的的一一种新型光敏器件。种新型光敏器件。光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器三、半导体色敏传感器三、半导体色敏传感器其其结结构构原原理理及及等等效效电电路路如如图图31所所示示。为为了了说说明明色色敏敏传传感感器器的的工工作作原原理理,有有必必要要了了解

44、解光光电电二二极极管管的的工工作机理。作机理。图图 31（一）半导体色敏传感器的基本原理（一）半导体色敏传感器的基本原理半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电二极管的半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电二极管的组合组合,故又称光电双结二极管。故又称光电双结二极管。光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器三、半导体色敏传感器三、半导体色敏传感器 对对于于用用半半导导体体硅硅制制造造的的光光电电二二极极管管,在在受受光光照照射射时时,若若入入射射光光子子的的能能量量h大大于于硅硅的的禁禁带带宽宽度度Eg,则则光光子子就就激激发发价价带带中中的电子跃迁到导带而产生一对电子的电子跃迁到导带而产生

45、一对电子-空穴。空穴。1、（复习）光（敏）电二极管的工作原理、（复习）光（敏）电二极管的工作原理 这这些些由由光光子子激激发发而而产产生生的的电电子子空空穴穴统统称称为为光光生生载载流流子子。光光电电二二极极管管的的基基本本部部分分是是一一个个-结结,产产生生的的光光生生载载流流子子只只要要能能扩扩散散到到势势垒垒区区的的边边界界,其其中中少少数数载载流流子子（专专指指P区区中中的的电电子子和和N区区的的空空穴穴）就就受受势势垒垒区区强强电电场场的的吸吸引引而而被被拉拉向向对对面面区区域域,这这部部分分少少数数载载流流子子对对电电流流作作出出贡贡献献。多多数数载载流流子子（P区区中中的的空空穴

46、穴或或N区区中中的的电电子子）则则受受势垒区电场的排斥而留在势垒区的边缘。势垒区电场的排斥而留在势垒区的边缘。光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器三、半导体色敏传感器三、半导体色敏传感器 在势垒区内产生的光生电子和光生空穴在势垒区内产生的光生电子和光生空穴,则分别被电场则分别被电场扫向扫向N区和区和P区区,它们对电流也有贡献。它们对电流也有贡献。用能带图来表示上用能带图来表示上述过程如图述过程如图32所示。所示。32Ec表示导带底能量表示导带底能量;Ev表示价带顶能量。表示价带顶能量。“”表示带正电荷的空穴表示带正电荷的空穴;“”表示电子表示电子IL表示光电流表示光电流光敏功能材料及传感器

47、光敏功能材料及传感器三、半导体色敏传感器三、半导体色敏传感器 光光电电流流由由势势垒垒区区两两边边能能运运动动到到势势垒垒边边缘缘的的少少数数载载流流子子和和势势垒垒区区中中产产生生的的电电子子-空空穴穴对对构构成成,其其方方向向是是由由N区区流流向向P区区,即即与与无无光光照照射射P-N结结的的反反向向饱饱和电流方向相同。和电流方向相同。当当P-N结结外外电电路路短短路路时时,这这个个光光电电流流将将全全部部流流过过短短接接回回路路,即即从从P区区和和势势垒垒区区流流入入N区区的的光光生生电电子子将将通通过过外外短短接接回回路路全全部部流流到到P区区电电极极处处,与与P区区流流出出的的光光生

48、生空空穴穴复复合合。因因此此,短短接接时时外外回回路路中中的的电电流流是是L,方方向向由由P端端经经外外接接回回路路流流向向N端端。这这时时,P-N结结中中的的载载流流子子浓浓度度保保持持平平衡衡值值,势势垒垒高高度度（图图32a中中的的q(UD-U)）亦无变更。）亦无变更。当当P-N结结开开路路或或接接有有负负载载时时,势势垒垒区区电电场场收收集集的的光光生生载载流流子子便便要要在在势势垒垒区区两两边边积积累累,从从而而使使P区区电电位位上上升升,N区区电电位位降降低低,造造成成一一个个光光生生电电动动势势,如如图图32（b）所所示示。该该电电动动势势使使原原P-N结结的的势势垒垒高高度度下

49、下降降为为q（U-U）。其其中中V即即光光生生电电动动势势,它它相相当当于于在在P-N结结上上加加了了正正向向偏偏压压。只只不不过过这这是是光光照照形形成成的的,而不是电源馈送的而不是电源馈送的,这称为光生电压这称为光生电压,这种现象就是光生伏特效应。这种现象就是光生伏特效应。光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器三、半导体色敏传感器三、半导体色敏传感器 光光在在半半导导体体中中传传播播时时的的衰衰减减是是由由于于价价带带电电子子吸吸取取光光子子而而从从价价带带跃跃迁迁到到导导带带的的结结果果,这这种种吸吸取取光光子子的的过过程程称称为为本本征征吸吸取取。硅硅的的本本征征吸吸取取系系数数随随

50、入入射射光光波波长长变变更更的的曲曲线线如如右右图图所所示示。由由图图可可见见,在在红红外外部部分分吸吸取取系系数数小小,紫紫外外部部分分吸吸取取系系数数大大。这这就就表表明明,波波长长短短的的光光子子衰衰减减快快,穿穿透透深深度度较较浅浅,而而波波长长长长的的光光子子则则能能进入硅的较深区域。进入硅的较深区域。光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器三、半导体色敏传感器三、半导体色敏传感器 对对于于光光电电器器件件而而言言,还还常常用用量量子子效效率率来来表表征征光光生生电电子子流流与与入入射射光光子子流流的的比比值值大大小小。其其物物理理意意义义是是指指单单位位时时间间内内每每入入射射一一