8.4 光电伏特效应及光电元件.ppt

第8章 光电传感器 * 第8章 光电传感器 8.1 光电传感器的基本效应 8.2 外光电效应光电器件 8.3 光电导效应及光电元件 8.4 光电伏特效应及光电元件 8.5 CCD图像传感器 8.6 应用光路 * 8.4 光电伏特效应及光电元件 在PN结、肖特基结等具有内建电场的半导体中，光生电子和光生空穴将受到内建电场的作用，作反方向运动，产生光生电动势，这就是光伏效应。 根据所生电动势机理的不同，光伏效应可分为光电导结型和光电伏特型两种。基于光伏效应的光电器件有光电池和反向偏置工作的光电二极管及光电三极管。 8.4.1 光电导结型光电元件 　图8.10所示为光电二极管的结构原理、外形及电路符号。 * 光电二极管在电路中工作在反向偏置下,即在N区接高电位,在P区接低电位。无光照时,反向电阻高达4 MΩ。在反向偏压作用下,有一反向电流（称为暗电流）。当有光照时,反向电阻下降到1kΩ左右,产生光电流,实现了将光信号转变成电信号的目的。光电二极管的主要特点是体积小,频率特性好,但弱光下灵敏度低。 图8.10 光电二极管 (a) 结构原理；（b） 外形；(c) 电路符号 为了便于受光, PN结装在外壳的顶部,上面有一个用透镜制成的窗口1,以便使光线集中在PN结上。2为封装壳体,3为引出电极。 * 光照射在发射极e与基极b之间的PN结附近便产生光电流（几微安,相当于三极管的基极电流）,于是在集电极c与基极基b之间的PN结能产生几毫安电流（相当于三极管的集电极电流）。光电三极管的通频带较窄,不如光电二极管性能稳定,但灵敏度高。 图8.11 光电三极管 （a） 结构原理；（b） 外形；(c) 电路符号 图8.11所示为光电三极管的结构原理、外形及电路符号。图中是三极管为PNP型,也可做成NPN型。 * 8.4.2 光电伏特型光电元件 1. 光电池结构原理 光电池是有源器件,这种器件受到光照时就产生一定方向的电动势,不需要外部电源供电。光电池的种类很多,有硒光电池、氧化亚铜光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓光电池等。用可见光作为光源的光电池的常用半导体材料有硒和硅等。 图8.12所示为硅光电池的结构原理、外形以及电路符号。 * 图8.12 硅光电池 (a) 结构原理；(b) 外形；(c) 电路符号 它是用单晶硅制成的,在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型杂质而形成一个大面积的PN结,P层很薄,从而使光能穿透到PN结上。由于光线的照射,使P区带正电荷,N区带负电荷,从而在两区之间形成电位差,即构成光电池,若接于外电路中就可产生电流。 * 从图示曲线可以看出,不同的光电池其光谱峰值的位置不同。硅光电池的在8000 附近,硒光电池的在5400 附近。硅光电池的光谱范围很广,在4500～11 000 之间,硒光电池的光谱范围为3400～7500 。因此,硒光电池适用于可见光,常用于照度计测定光的强度。 2. 光电池的特性 1） 光电池的光谱特性 硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线如图8.13所示。 * 2） 光电池的光照特性 光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光生电动势。硅光电池的光照特性曲线如图8.14所示。从该曲线中可以看出,短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压随光强变化是非线性的,并且当照度在2000lx时就趋于饱和。因此,把光电池作为测量元件时,应把它当作电流源来使用,不宜用作电压源。 图8.14 硅光电池的光照特性曲线 * 所谓光电池的短路电流，就是反映负载电阻相对于光电池内阻很小时的光电流。光电池的内阻是随着照度增加而减小的，所以在不同照度下可将大小不同的负载电阻视为近似“短路”条件。 从实验中知道，负载电阻越小，光电流与照度之间的线性关系越好，且线性范围越宽，对不同的负载电阻，可以在不同的照度范围内，使光电流与光强保持线性关系。 所以，应用光电池作测量元件时，所用负载电阻的大小，应根据光强的具体情况而定。 总之，负载电阻越小越好。 * ? 3） 光电池的频率特性 光电池在作为测量、计数、接收元件时,常用交变光照。光电池的频率特性就是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系,如图8.15所示。从该曲线可以看出,硅光电池有很高的频率响应,可用在高速计数、有声电影等方面。这是硅光电池在所有光电元件中最为突出的优点。 图8.15 光电池的频率特性曲线 * 精度等主要指标,因此是光电池的重要特性之一。光电池的温度特性曲线如图