传感器58章光电式2教程.ppt

传感器技术及应用机械09 20101～2012第二学期 2012年3月 二、 光生伏特效应及其器件 （一）光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。 基于该效应的光电器件有光电池、光敏二极管、三极管。 产生这种光电动势的机理有好几种，主要的一种是由于阻挡层的存在。称为势垒效应或结光电效应。 以下以P-N结为例说明。 【n型半导体】“n”表示负电的意思，在这类半导体中主要靠电子导电， 叫做电子半导体，简称n型半导体。 【p型半导体】“p”表示正电的意思。这种半导体内主要靠空穴导电 ，所以叫做空穴半导体，简称p型半导体。 【p-n结 结电场】 由于两区多子的扩散运动，在p-n结的界面两侧产生不能移动的离子区； p型区一边带负电荷的离子，n型区一边带正电荷的离子，在结中形成很强的局部电场； 此电场对两区多子的扩散有抵制作用，而对少子的漂移有帮助作用，当扩散流等于漂移流时达到平衡，在界面两侧建立起稳定的内建电场（结电场）。 【P-N结光电效应】 P、N材料产生的多子，都被势垒阻挡而不能过结。少子能在结电场作用下漂移过结。导致多子在各自的边界积累， 它们产生一个光生电场，其方向由P区指向N区。 （二）基于结光电效应的器件 1、光电池 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。又称为太阳能电池。 是发电式有源元件。 光电池命名方式：把半导体材料的名称冠于光电池之前。 硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。是目前,应用最广、最有发展前途的 硒光电池光电转换效率低(0.02％)、寿命短，适于接收可见光(响应峰值波长0.56μm)，最适宜制造照度计。 砷化镓光电池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、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。 1）光电池的结构和工作原理 硅光电池是用单晶硅制成的，在一块N型硅片上用扩散方法渗入一些P型杂质，从而形成一个大面积PN结，P层极薄能使光线穿透到PN结上。 2） 光电池基本特性 （1）光照特性 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 硅光电池的检测 单个硅光电池的电动势即为0.45～0.6V（与电池的面积无关），短路电流为16～30MA/c㎡。 在测试中应用白炽灯或阳光，而不要用 “冷色”光源 为适应不同需要，常串联，并联或混承使用， (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540 n m附近，适宜测可见光。 硅光电池应用的范围400 n m～1100 n m，峰值波长在850 n m附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。 (3) 频率特性 （3）频率特性 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。 如图示曲线2 ，硅光电池具有较高的频率响应；而硒光电池则较差，如曲线1。 （4）温度特性 （4）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。 如图，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。 应用：硅光电池测距装置 硅光电池装置 2、光敏二极管 光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。 它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。 光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几μA到几十μA。 （1）. 光敏二极管的结构 其结构与一般二极管相似，它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态 。 （2）光敏二极管工作原理： 当光不照射时，光敏二极管处于截止状态，这时只有少子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流； 受光照射时，P区和N区的离子浓度大大增加，少子在外加反向偏压和内电场的作用下， P区的少子渡越阻挡层进入N区， N区的少子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。 光敏二极管的光电流 I 与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。 3. 光敏三极管 光敏三极管有PNP型和NPN型两种。 可以看成是一个bC结为光敏二极管的三极管，但基极不接引线。 “光敏二极管”将光信号转换成电流信号，晶体三级管再将电流信号放大， 当晶体管增益为?时，光敏三极