授课教案 第七章光电转换器件 第七章光电转换器件 表71光子效应分类 效应 相应的探测器 光电子发射 光电管 外光电效应 光电子倍增 光电倍增管、像增强管 光电导 光敏电阻、光导管 PN结零偏 光电池 内光电效应 PN结反偏 光电二极管 光生伏特 雪崩 雪崩光电二极管 肖特基势垒 肖特基势垒光电二极管 表7-2光热效应分类 效应 相应的探测器 测辐射热计效应 热敏电阻、金属测辐射热计、超导远红外探测器 温差电效应 热电偶、热电堆 热释电效应 热释电探测器 §7-1光电导探测器 一、 光电导器件工作特性 1.响应度（灵敏度） 电流响应度： R=(4/W) (7.1) 电压响应度： eem (7.2) 2.光谱特性 峰值响应波长为 2(m)-E.(eV) 1.24 (7.3
授课教案 第七章 光电转换器件 第七章 光电转换器件 表 7-1 光子效应分类 效应 相应的探测器 光电子发射 光电管 外光电效应 光电子倍增 光电倍增管、像增强管 光电导 光敏电阻、光导管 PN 结零偏 光电池 PN 结反偏 光电二极管 雪崩 雪崩光电二极管 内光电效应 光生伏特 肖特基势垒 肖特基势垒光电二极管 表 7-2 光热效应分类 效应 相应的探测器 测辐射热计效应 热敏电阻、金属测辐射热计、超导远红外探测器 温差电效应 热电偶、热电堆 热释电效应 热释电探测器 §7-1 光电导探测器 一、 光电导器件工作特性 1. 响应度（灵敏度） 电流响应度： WA )( P I RI = （7.1） 电压响应度： WV )( P V RV = （7.2） 2. 光谱特性 峰值响应波长为 )( 24.1 )( eVE m g m μλ = （7.3） 1
授教案 第七章光电转换器件 杂质和晶格缺陷所形成的能级与导带间禁带宽度比价带与导带间的主禁带 宽度窄—光谱响应向长波长方向扩展： 光敏电阻对短波长光吸收系数大，在表层载流子浓度高，自由载流子在表层 复合速度快一对波长短于峰值波长的光响应灵敏度降低。 PbS 82162020m 图7.1三种光敏电阻的光谱响应特性 3.照度特性 外加电压一定时，光生电流与光照度关系： I=KV“E(非线性) (7.4) 低偏压、弱光照条件下可近似为： 1=KVE (7.5) 1(m) 图7.2CdS光敏电阻的光照特性曲线 4.响应速度
授课教案 第七章 光电转换器件 杂质和晶格缺陷所形成的能级与导带间禁带宽度比价带与导带间的主禁带 宽度窄——光谱响应向长波长方向扩展； 光敏电阻对短波长光吸收系数大，在表层载流子浓度高，自由载流子在表层 复合速度快——对波长短于峰值波长的光响应灵敏度降低。 图 7.1 三种光敏电阻的光谱响应特性 3. 照度特性 外加电压一定时，光生电流与光照度关系： γα = EKVI （非线性） （7.4） 低偏压、弱光照条件下可近似为： = KVEI （7.5） 图 7.2 CdS 光敏电阻的光照特性曲线 4. 响应速度 2
授课教案 第七章光电转换器件 相 响 63 图7.3光电导的驰豫 t:光生电流从零上升到0.631时所需时间： ta:光生电流从稳定值下降到0.371o时所需时间。 响应时间决定了器件对调制频率的影响：当调制频率升高，响应度比低频时 的响应度下降，变化关系为 R,= (7.6) 0+ox3)月 截止频率：R下降到R。的0.707倍时对应的o值 5.温度效应 温度升高时产生的影响： >热噪声变大 >灵敏度降低 >峰值响应波长向短波长方向移动 >响应时间下降 6.噪声特性 工作频率>1MHz:热噪声为主要噪声源 工作频率工作频率>1kHz:产生一复合噪声为主要噪声源 1心噪声 热噪声 gr噪声 1k 图7.4典型光电导探测器的噪声功率谱
授课教案 第七章 光电转换器件 图 7.3 光电导的驰豫 tr：光生电流从零上升到 0.63I0时所需时间； td：光生电流从稳定值下降到 0.37I0时所需时间。 响应时间决定了器件对调制频率的影响：当调制频率升高，响应度比低频时 的响应度下降，变化关系为 2 1 22 0 + τω )1( = v v R R （7.6） 截止频率： 下降到 的 Rv Rv0 0.707 倍时对应的ω 值。 5. 温度效应 温度升高时产生的影响： ¾ 热噪声变大 ¾ 灵敏度降低 ¾ 峰值响应波长向短波长方向移动 ¾ 响应时间下降 6. 噪声特性 工作频率>1MHz：热噪声为主要噪声源 工作频率工作频率>1kHz：产生—复合噪声为主要噪声源 图 7.4 典型光电导探测器的噪声功率谱 3
授误教案」 第七章光电转换器件 7.基本工作电路 暗电阻：在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，或暗阻。此时流过 的电流称为暗电流。 亮电阻：在一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻或亮阻。此时流过的电 流称为亮电流。 (1)低频条件下的负载匹配问题 图7.5光电导探测器工作电路 在一定光照条件下，回路电流： i-R+R (7.7) 光照强度发生变化时回路电流： i+△=R,+R+AR (7.8 电流变化量： △i= V△R VAR (R+R+ARXR+R)(R+R) (7.9) 端电压变化量： AV,=AIR=-(R+R) V△RR (7.10) 使V,有最大值时的负载电阻： (△V)=0→R:=R(最佳匹配条件) (7.11) (2)偏压选择问题 电流在负载电阻上产生的热损耗功率： R,+R尼≤P(最大耗散功) 72 (7.12)
授课教案 第七章 光电转换器件 7. 基本工作电路 暗电阻：在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，或暗阻。此时流过 的电流称为暗电流。 亮电阻：在一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻或亮阻。此时流过的电 流称为亮电流。 （1）低频条件下的负载匹配问题 图 7.5 光电导探测器工作电路 在一定光照条件下，回路电流： RR dL V i + = 0 （7.7） 光照强度发生变化时回路电流： dL RRR d V ii Δ++ =Δ+ 0 （7.8） 电流变化量： 2 0 ( ))( )( dL d dL dLd d RR RV RRRRR RV i + Δ −≈ +Δ++ Δ −=Δ （7.9） 端电压变化量： 2 )( dL Ld s L RR RRV iRV + Δ −=Δ=Δ （7.10） 使 有最大值时的负载电阻： Vs V Rs RR Ld L Δ ′ 0)( ⇒= = （最佳匹配条件） （7.11） （2） 偏压选择问题 电流在负载电阻上产生的热损耗功率： ( ) max 2 0 PR 最大耗散功率 RR V d dL ⎥ ≤ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + （7.12） 4
授课教案 第七章光电转换器件 当R=R时，有s(4R,P)为 二几种典型的光敏电阻 山薄膜 电极 光电导体 新符号旧符号 R 图7.6光敏电阻原理图及符号 特点：自身电阻随光照强度可变，光照越强，阻值越小。 1.种类 (1)Cds和CdSc:自动化技术和摄影机中的光计量。 (2)PbS:遥感技术和武器红外制导。 (3)nSb:快速红外信号探测。 2.使用注意事项 (1)光源光谱须与光敏电阻的光谱响应特性匹配。 (2)防止杂散光影响。 (3)电压、功耗等电参数不超过允许值。 (4)根据不同用途选择不同特性的光敏电阻。 3.光敏电阻的典型应用 R (a)电流控制 (b)电压控制 图7.7光控光开关电路 5
授课教案 第七章 光电转换器件 当 时，有 = RR Ld 2 1 0 max PRV )4( ≤ d 二 几种典型的光敏电阻 图 7.6 光敏电阻原理图及符号 特点：自身电阻随光照强度可变，光照越强，阻值越小。 1.种类 （1）CdS 和 CdSe：自动化技术和摄影机中的光计量。 （2）PbS：遥感技术和武器红外制导。 （3）InSb：快速红外信号探测。 2. 使用注意事项 （1）光源光谱须与光敏电阻的光谱响应特性匹配。 （2）防止杂散光影响。 （3）电压、功耗等电参数不超过允许值。 （4）根据不同用途选择不同特性的光敏电阻。 3. 光敏电阻的典型应用 (a)电流控制 (b)电压控制 图 7.7 光控光开关电路 5
授误教案」 第七章光电转换器件 电流控制电路：光照时R。下降→品体管的基极电流增大→集电极电流增大→继 电器吸合 电压控制电路：R与R的分压控制晶体管的基极电压→晶体管导通或截止 §7-2光电池 一光电池的结构与原理 原理：光生伏特效应 应用： (1)光电探测器，光电耦合、激光准直等 (2)电源，如野外灯塔、无人气象站等 结构： (1)金属一半导体接触型：硒光电池 (2)PN结型：硅光电池 集电极 半透明薄膜 硒层 金属板 图7.8金屈一半导体型光电池结构图 电极 N型材料 P型材料 电极 图7.9PN结型光电池结构图 二光电池特性 1.光谱特性 硒光电池：400~700nm,峰值响应波长540nm,适用于可见光波段。 普通硅光电池：400nm~1100nm,峰值响应波长800~900nm,适用于可见光和 近红外波段。 蓝硅光电池：峰值响应波长600nm附近
授课教案 第七章 光电转换器件 电流控制电路：光照时 下降→晶体管的基极电流增大→集电极电流增大→继 电器吸合 RG 电压控制电路： 与 的分压控制晶体管的基极电压 RG R1 →晶体管导通或截止 §7-2 光电池 一 光电池的结构与原理 原理：光生伏特效应 应用： （1） 光电探测器，光电耦合、激光准直等 （2） 电源，如野外灯塔、无人气象站等 结构： （1） 金属—半导体接触型：硒光电池 （2） PN 结型：硅光电池 图 7.8 金属－半导体型光电池结构图 图 7.9 PN 结型光电池结构图 二 光电池特性 1. 光谱特性 硒光电池：400～700nm，峰值响应波长 540nm，适用于可见光波段。 普通硅光电池：400 nm~1100 nm，峰值响应波长 800～900nm，适用于可见光和 近红外波段。 蓝硅光电池：峰值响应波长 600nm 附近。 6
授课教案 第七章光电转换器件 硒光电池硅光电池 相对响应 波长(um) 2004006008001000120 图7.10光电池光谱特性曲线 2.伏安特性 即输出电流和电压随负载电阻变化的特性。 短路电流：在一定光功率照射下将光电池两端用一低内阻电流表短接，所测 得的电流值。 开路电压：在一定光功率照射下将光电池两端开路，用一高内阻电压表所测 电压值。 注：实际工作中光电池的开路电压和短路电流不是计算而是实际测量得到的。 ↑I(mA) P>P>P>P>P Rn<Rn<R 0.6 P(1000) P, 3 U(mV) 图7.11硅光电池的输出特性 3.光照特性 短路电流IsC:与光照度在一定范围内成线性关系。光照度较小时，Isc很小： 当光照度过大时，Isc趋于饱和。 开路电压Voc:随着照度增加，Voc增加很快，但当照度增加到一定程度时， 内部非平衡载流子已基本分别集中在PN结的两端，使VoC随
授课教案 第七章 光电转换器件 图 7.10 光电池光谱特性曲线 2. 伏安特性 即输出电流和电压随负载电阻变化的特性。 短路电流：在一定光功率照射下将光电池两端用一低内阻电流表短接，所测 得的电流值。 开路电压：在一定光功率照射下将光电池两端开路，用一高内阻电压表所测 电压值。 注：实际工作中光电池的开路电压和短路电流不是计算而是实际测量得到的。 图 7.11 硅光电池的输出特性 3. 光照特性 短路电流ISC：与光照度在一定范围内成线性关系。光照度较小时，ISC很小； 当光照度过大时，ISC趋于饱和。 开路电压 Voc：随着照度增加，Voc 增加很快，但当照度增加到一定程度时， 内部非平衡载流子已基本分别集中在 PN 结的两端，使 Voc 随 7
授误教案 第七章光电转换器件 照度变化缓慢，出现饱和现象。 I(mA/cm2) Voc(V) Isc(mA/cm2) V 开路电压 0.3 开路电压 0.2 短路电流 短路电流 4 8 10 3 E/klx (a)硅光电池 )硒光电池 图7.12光电池的光照特性曲线 当负载不为零时，光电流与光照度成非线性关系，负载越大，非线性越显著 I(mA) R=02 502 0.4 -1002 10002 50002 0.1 0 0.20.40.608◆ E/klx 图7,13硒光电池的光照特性与负载电阻的关系 4.频率特性 光电池PN结面积大，极间电容大，频率特性较差
授课教案 第七章 光电转换器件 照度变化缓慢，出现饱和现象。 (a) 硅光电池 (b) 硒光电池 图 7.12 光电池的光照特性曲线 当负载不为零时，光电流与光照度成非线性关系，负载越大，非线性越显著。 图 7.13 硒光电池的光照特性与负载电阻的关系 4. 频率特性 光电池 PN 结面积大，极间电容大，频率特性较差。 8
授课教案 第七章光电转换器件 R,=1k2 80 10k2 100k2 102 103 v(Hz) 图7.14硅光电池的频率特性曲线 5.温度特性 硒光电池结温<50℃，硅光电池结温<200C℃ Voe(mV) Isc(mA) 600 40 % 300 30 200 100 TC) 0 3060 90 图7.15光电池的温度特性曲线 6.输出功率和最佳负载电阻 光电池电输出功率：P=u 光电池转换效率：最大电输出功率与入射光功率的比值，即 7=210%-15% (7.13) 最佳负载电阻：获得最大电功率输出时的负载电阻 9
授课教案 第七章 光电转换器件 图 7.14 硅光电池的频率特性曲线 5. 温度特性 硒光电池结温 <500 C，硅光电池结温<2000 C。 图 7.15 光电池的温度特性曲线 6. 输出功率和最佳负载电阻 光电池电输出功率： = uiP 光电池转换效率：最大电输出功率与入射光功率的比值，即 %)15~%10( P0 Pm η = （7.13） 最佳负载电阻：获得最大电功率输出时的负载电阻。 9
授课教案 第七章光电转换器件 的留囊下 RL-Rm 图7.16硅光电池输出功率曲线示意图 作图法寻找最佳负载电阻数值R：过开路电压u及短路电流1x做伏安特性曲 线的切线，两切线相交于Q点。连接OQ与伏安特性曲线的交点m点，即得 R=tan e (7.14) 注：R数值随光功率增大而减小。 三太阳能电池 >在实际使用中为获得较大的输出电压，常采用多个电池串并连组合使用 >为实现稳定供电，将光电池组和蓄电池组合使用 >为提高光电转换效率，采用表面制绒技术 §7-3光电二极管 光电二极管和光电池一样，都是基于P结的光伏效应而工作的，但和光电 池有所不同，主要有： (1)就制作基底材料的掺杂浓度而言，光电池的掺杂浓度较高，约为106一109 原子数cm3,而硅光电二极管约为102~10原子数cm3。 (2)光电池的电阻率较低，约为0.1~0.01欧姆/cm,而硅光电二极管则为1000 欧姆/cm。 (3)光电池在零偏下工作，而硅光电二极管通常在反向偏置下工作。 (4)光电池的受光面积要比光电二极管大的多，所以硅光电二极管的光电流要 小的多，通常在微安量级
授课教案 第七章 光电转换器件 图 7.16 硅光电池输出功率曲线示意图 作图法寻找最佳负载电阻数值 ：过开路电压 及短路电流 做伏安特性曲 线的切线，两切线相交于Q 点。连接OQ 与伏安特性曲线的交点m 点，即得 Rm uOC SC i m Rm tanθ 1 = （7.14） 注： Rm 数值随光功率增大而减小。 三 太阳能电池 ¾ 在实际使用中为获得较大的输出电压，常采用多个电池串并连组合使用 ¾ 为实现稳定供电，将光电池组和蓄电池组合使用 ¾ 为提高光电转换效率，采用表面制绒技术 §7-3 光电二极管 光电二极管和光电池一样，都是基于 PN 结的光伏效应而工作的，但和光电 池有所不同，主要有： （1）就制作基底材料的掺杂浓度而言，光电池的掺杂浓度较高，约为 1016～1019 原子数/cm3 ，而硅光电二极管约为 1012～1013原子数/cm3 。 （2）光电池的电阻率较低，约为 0.1～0.01 欧姆/cm，而硅光电二极管则为 1000 欧姆/cm。 （3）光电池在零偏下工作，而硅光电二极管通常在反向偏置下工作。 （4）光电池的受光面积要比光电二极管大的多，所以硅光电二极管的光电流要 小的多，通常在微安量级。 10