检测与转换技术第5章3.ppt

电能量传感器 第三部分 四、 压电式传感器的应用 光电池 光电池种类繁多，早期出现的有氧化亚铜光电池，因转换效率低已很少使用。 目前应用较多的是硒光电池和硅光电池。硒光电池因光谱特性与人眼视觉很相近，频谱较宽，故多用于曝光表、照度计等分析、测量仪器。硅光电池与其它半导体光电池相比，不仅性能稳定，还是目前转换效率最高(达到17％)的几乎接近理论极限的一种光电池。此外，还有薄膜光电池、紫光电池、异质结光电池等。薄膜光电池是把硫化镉等材料制成薄膜结构，以减轻重量、简化阵列结构，提高抗辐射能力和降低成本。紫光电池是把硅光电池的PN结减薄至结深为0.2～0.3μm，光谱响应峰值移到600nm左右，来提高短波响应，以适应外层空间使用。 光电池外形 能提供较大电流的大面积光电池外形 硅光电池结构示意如图 能带理论能级（Enegy Level） 在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。为简明起见，在表示能量高低的图上，用一条条高低不同的水平线表示电子的能级，此图称为电子能级图。 禁带（Forbidden Band）：允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。 原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允许带。被电子占满的允许带称为满带，每一个能级上都没有电子的能带称为空带。 能带理论能级（Enegy Level） 价带（Valence Band）：原子中最外层的电子称为价电子，与价电带。 导带（Conduction Band）：价带以上能量最低的允许带称为导带。导带的底能级表示为Ec，价带的顶能级表示为Ev，Ec与Ev之间的能量间隔为禁带Eg。 导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为载流子。导体中的载流子是自由电子，半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。对于不同的材料，禁带宽度不同，导带中电子的数目也不同，从而有不同的导电性。 光电池的工作原理 出去活动一下 二 硅光电池的工作原理 硅光电池是一个大面积的光电二极管，它可把入射到它表面的光能转化为电能。当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别漂移到N型区和P型区，当在PN结两端加负载时就有一光生电流流过负载。 （1） PN结两端的电流： 光电池处于零偏时，V＝0，流过PN结的电流I＝－IP ；光电池处于反偏时（实验中取V ＝－5V），流过PN结的电流I ＝－IP- Is ，当光电池用作光电转换器时，必须处于零偏或反偏状态。 （2）光电流IP与输出光功率Pi之间的关系： R 为响应率，R 值随入射光波长的不同而变化，对不同材料制作的光电池R值分别在短波长和长波长处存在一截止波长。 光电池按材料分，有硅、硒、硫化镉、砷化镓和无定型材料的光电池等。按结构分，有同质结和异质结光电池等。光电池中最典型的是同质结硅光电池。国产同质结硅光电池因衬底材料导电类型不同而分成2CR系列和2DR系列两种。2CR系列硅光电池是以N型硅为衬底，P型硅为受光面的光电池。受光面上的电极称为前极或上电极，为了减少遮光，前极多作成梳状。衬底方面的电极称为后极或下电极。为了减少反射光，增加透射光，一般都在受光面上涂有SiO2或MgF2，Si3N4，SiO2－MgF2等材料的防反射膜，同时也可以起到防潮，防腐蚀的保护作用。 其他光电池及在照度测量中的应用 光电池在动力方面的应用 光电池在动力方面的应用 光电池在动力方面的应用 作业P149︰4 休 息 一 下 几种国产硅光电池的特性 由上述分析可知，理想pn结太阳电池可以用一恒定电流源Iph (光生电流)及一理想二极管的并联来表示。故理想pn结太阳电池的等效电路如图所示。 考虑实际太阳电池上存在泄漏电阻Rsh和串联电阻Rs，那么，实际等效电路如图示。 二、等效电路、伏安特性及输出特性 l．pn结太阳电池的等效电路 2．理想情况 在理想情况下，pn结太阳电池的Rsh很大，Rs很小，两者影响都可忽略。根据图所示理想等效电路，三股电流应满足如下关系： Iph-IF＋I＝０　　　 其中理想pn结二极管的正向注入电流为： 式中I0是pn结反向饱和电流，q是电子电荷，k是玻耳