淺談光電池與光電阻

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1、淺談光電池與光電阻默認(rèn)分類(lèi)2009-05-1016:43:18閱讀308評(píng)論0字號(hào)：大中小檢測(cè)技術(shù)報(bào)告時(shí)間：2008-12-2802:04:32Tag：光敏電阻原理?點(diǎn)擊：168?光電傳感器的應(yīng)用與新技術(shù)——淺談光電池與光電阻???當(dāng)光照射到物體上會(huì)使物體發(fā)射電子或?qū)щ娐拾l(fā)生變化或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)等現(xiàn)象，這種因光照而引起物體電學(xué)特性的改變統(tǒng)稱(chēng)為光電效應(yīng)。按照產(chǎn)生這些特性的原因不同，光電效應(yīng)又分為光導(dǎo)效應(yīng)，光生伏特效應(yīng)及光電發(fā)射效應(yīng)。光電檢測(cè)器件就是利用物質(zhì)的這些光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。光電檢測(cè)器件有

2、很多種類(lèi)，最常見(jiàn)的是光電池與光電阻傳感器。光電池是光電類(lèi)傳感器的一種，它的主要功能是在不加偏置的情況下將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電池的種類(lèi)繁多，早期出現(xiàn)的有氧化亞銅光電池，因轉(zhuǎn)換效率低已很少應(yīng)用，此外有硒、硫化鉈、硫化鎘、鍺、硅、砷化鎵等制成的光電池。按用途劃分光電池可分為太陽(yáng)能光電池和測(cè)量光電池兩大類(lèi)。太陽(yáng)能光電池主要用作電源，由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。體積小、重量輕、可靠性高、壽命長(zhǎng)能直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能。因而不僅成為航天工業(yè)上的重要電源。還被廣泛地應(yīng)用與人們的日常生活中。測(cè)量光電池的主要功能是作為光電探測(cè)用，對(duì)

3、它的要求是線(xiàn)性范圍寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)，它被廣泛地應(yīng)用在光度、色度、光學(xué)精密計(jì)量和測(cè)試中。目前應(yīng)用較多的是硒光電池和硅光電池。硒光電池因光譜特性與人眼視覺(jué)很相近，頻譜較寬，故多用于日落光表及照度計(jì)。硅光電池與其它半導(dǎo)體光電池相比，是目前轉(zhuǎn)換效率最高17%，幾乎接近理論極限的一種光電池。此外，還有薄膜光電池、紫光電池、異質(zhì)結(jié)光電池等。薄膜光電池是把硫化偏等材料制成薄膜結(jié)構(gòu)，以減輕重量、簡(jiǎn)化陣列結(jié)構(gòu)，提高抗輻射能力和降低成本。紫光電池是把硅光電池的PN結(jié)減薄至結(jié)深為0.2～0.3μm，光

4、譜響應(yīng)峰值移到600nm左右,來(lái)提高短波響應(yīng)，以適應(yīng)外層空間使用。與上述同質(zhì)結(jié)光電池不同，異質(zhì)結(jié)光電池利用不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料做成異質(zhì)PN結(jié)，入射光幾乎全透過(guò)寬禁帶材料一側(cè)，而在結(jié)區(qū)窄禁帶材料中被吸收，產(chǎn)生電子一空穴對(duì)。利用這種“窗口”效應(yīng)提高人射光的收集效率，以獲得高于同質(zhì)結(jié)硅光電池的轉(zhuǎn)換效率，理論上最大可達(dá)30%，但目前因工藝尚未成熟，仍低于硅光電池。光電池的主要原理是光生伏特效應(yīng)，當(dāng)用hν足夠大的光照射一均勻半導(dǎo)體的表面時(shí)，由于半導(dǎo)體對(duì)光的吸收而在半導(dǎo)體的近表面層中產(chǎn)生高濃度的光生非平衡電子空穴對(duì)

5、。這樣就造成從半導(dǎo)體近表面層至內(nèi)部的載流子濃度梯度，因而發(fā)生兩種載流子都向半導(dǎo)體內(nèi)部的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。非平衡電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相同，因此它們的擴(kuò)散電流方向相反。由于遷移率與載流子的有效質(zhì)量有關(guān)，而電子的有效質(zhì)量比空穴小。所以電子的遷移率和擴(kuò)散系數(shù)比空穴的大，因此電子比空穴擴(kuò)散得較快并且擴(kuò)散到較深的半導(dǎo)體內(nèi)部。在沒(méi)有其它場(chǎng)的影響時(shí)，這種擴(kuò)散的差異導(dǎo)致電荷的分開(kāi)積聚，從而使半導(dǎo)體表面帶正電而內(nèi)部帶負(fù)電，于是建立起光生電場(chǎng)。這種電場(chǎng)又可引起電子和空穴的漂移運(yùn)動(dòng)。兩種載流子的漂移運(yùn)動(dòng)方向相反，所以它們的漂移電流方向

6、相同。在載流子的漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后，總電流應(yīng)為零，在受照表面與暗表面之間產(chǎn)生一定的開(kāi)路光電壓，于是在光生載流子的擴(kuò)散在光的傳播方向產(chǎn)生了電位差，形成了光電池。光電阻傳感器是另一種光電類(lèi)傳感器，它是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器。若用這種傳感器測(cè)量其它非電量時(shí)，只要將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的變化即可。此種測(cè)量方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸、高可靠性、高精度和反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。光電阻傳感器又分為光敏電阻和光敏晶體管。光敏電阻的基本原理為光電導(dǎo)效應(yīng)，在本征半導(dǎo)體中，電子未獲得其它能量之前處于基態(tài)，價(jià)

7、帶充滿(mǎn)著電子，導(dǎo)帶沒(méi)有電子，而因晶體缺陷產(chǎn)生的能級(jí)又不能激發(fā)自由電子時(shí)，則這些材料的電阻是較大的。但是，如果這些材料內(nèi)的電子受到一種外來(lái)能量如光子的激發(fā)，且這種激發(fā)又能使電子獲得足夠的能量越過(guò)禁帶而躍入導(dǎo)帶的話(huà)，則材料中就會(huì)產(chǎn)生大量的電子及空穴(光生載流子)參與導(dǎo)電，因而材料的電阻就相應(yīng)減少。這是由本征光吸收所引起的光電導(dǎo)效應(yīng)，又叫內(nèi)光電效應(yīng)。根據(jù)半導(dǎo)體材料的分類(lèi)，光敏電阻有兩種類(lèi)型。一種是本征型光敏電阻，另一種是摻雜型光敏電阻。摻雜型光敏電阻中N型半導(dǎo)體材料制成的光敏電阻性能穩(wěn)定，特性較好，故目前大都采用

8、。光敏電阻若按它的光譜特性及最佳工作波長(zhǎng)范圍可分為三類(lèi)：一類(lèi)是對(duì)紫外光敏感的光敏電阻，如硫化鎘和硒化鎘等。另一類(lèi)是對(duì)可見(jiàn)光敏感的光敏電阻，如硫化鉈等。還有一類(lèi)是對(duì)紅外光敏感的光敏電阻，如硫化鉛等。常見(jiàn)的光敏電阻有硫化鎘光敏電阻、硫化鉛光敏電阻、銻化銦光敏電阻、碲鎘汞系列光敏電阻等。光敏電阻和其它半導(dǎo)體光電器件相比有以下特點(diǎn):(1)光譜響應(yīng)范圍相當(dāng)寬。根據(jù)光電導(dǎo)材料的不同，光譜響應(yīng)可從紫外光、可見(jiàn)光、近紅外擴(kuò)展到遠(yuǎn)