第三章光電檢測技術(shù)常用器件及應(yīng)用演示文稿當(dāng)前第1頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)優(yōu)選第三章光電檢測技術(shù)常用器件及應(yīng)用當(dāng)前第2頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光電檢測器件的類型光電檢測器件是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件.光電檢測器件分為兩大類:光子(光電子)檢測器件---------光電效應(yīng)熱電檢測器件-------光熱效應(yīng)不同之處：對光信號的響應(yīng)無波長選擇性當(dāng)前第3頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光電檢測器件光子器件熱電器件真空器件固體器件光電管光電倍增管真空攝像管變像管像增強(qiáng)管光敏電阻光電池光電二極管光電三極管電荷耦合器件CCD熱電偶/熱電堆熱輻射計/熱敏電阻熱釋電探測器當(dāng)前第4頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光電檢測器件的特點(diǎn)光子器件熱電器件響應(yīng)波長有選擇性，一般有截止波長，超過該波長，器件無響應(yīng)。響應(yīng)波長無選擇性，對可見光到遠(yuǎn)紅外的各種波長的輻射同樣敏感響應(yīng)快，吸收輻射產(chǎn)生信號需要的時間短，一般為納秒到幾百微秒響應(yīng)慢，一般為幾毫秒當(dāng)前第5頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)1 光電效應(yīng)光電效應(yīng)：光電效應(yīng)是物理學(xué)中一個重要而神奇的現(xiàn)象，在光的照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子會被光子激發(fā)出來而形成電流，即光生電。光的波動說無法很好的解釋光電效應(yīng)以一定的速度從表面逸出當(dāng)前第6頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光電效應(yīng)的特點(diǎn)

1．每一種金屬在產(chǎn)生光電效應(yīng)是都存在一極限頻率（或稱截止頻率），即照射光的頻率不能低于某一臨界值。相應(yīng)的波長被稱做極限波長（或稱紅限波長）。當(dāng)入射光的頻率低于極限頻率時，無論多強(qiáng)的光都無法使電子逸出。

2．光電效應(yīng)中產(chǎn)生的光電子的速度與光的頻率有關(guān)，而與光強(qiáng)無關(guān)當(dāng)前第7頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)3．光電效應(yīng)的瞬時性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無論強(qiáng)弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時的，即幾乎在照到金屬時立即產(chǎn)生光電流。響應(yīng)時間不超過十的負(fù)九次方秒（1ns）。當(dāng)前第8頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)4.入射光的強(qiáng)度只影響光電流的強(qiáng)弱，即只影響在單位時間內(nèi)由單位面積逸出的光電子數(shù)目。在光顏色不變的情況下，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大，即一定顏色的光，入射光越強(qiáng)，一定時間內(nèi)發(fā)射的電子數(shù)目越多。當(dāng)前第9頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)1905年，愛因斯坦26歲時提出光子假設(shè)，成功解釋了光電效應(yīng)，因此獲得1921年諾貝爾物理獎光是由一份份光子組成，光的傳播是一份份光子的傳播，一個光子的能量為E=hr(h為普朗克常數(shù)6.67*10^-34,r為光的頻率)，因此，只要一個光子能量大于金屬的逸出功（電子脫離金屬原子做的功），電子就會從金屬表面脫離；于是，只需光照射到金屬表面就會產(chǎn)生光電子。當(dāng)前第10頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光電效應(yīng)的類型1、光電子發(fā)射：物體受光照后向外發(fā)射電子．有光電子從表面逸出光電管、光電倍增管當(dāng)前第11頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)2、光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體受光照后，內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減少．3、光生伏特效應(yīng)：光照在半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬—半導(dǎo)體接觸面上時，會在PN結(jié)或金屬—半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動勢。光敏電阻光電池、光敏二極管、光敏三極管當(dāng)前第12頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)2、光電檢測器件的基本特性參數(shù)響應(yīng)特性噪聲特性量子效率線性度工作溫度當(dāng)前第13頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)一、響應(yīng)特性１．響應(yīng)度（或稱靈敏度）：是光電探測器輸出信號與輸入光功率之間關(guān)系的度量。描述的是光電探測器件的光電轉(zhuǎn)換效率。響應(yīng)度是隨入射光波長變化而變化的響應(yīng)度分電壓響應(yīng)率和電流響應(yīng)率當(dāng)前第14頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)電壓響應(yīng)率光電探測器件輸出電壓與入射光功率之比電流響應(yīng)率光電探測器件輸出電流與入射光功率之比當(dāng)前第15頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)２．光譜響應(yīng)度：即單色靈敏度探測器在波長為λ的單色光照射下，輸出電壓或電流與入射的單色光功率之比．３．積分響應(yīng)度：檢測器對各種波長光連續(xù)輻射量的反應(yīng)程度．響應(yīng)度是隨入射光波長變化而變化的當(dāng)前第16頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)４．響應(yīng)時間：響應(yīng)時間τ是描述光電探測器對入射光響應(yīng)快慢的一個參數(shù)上升時間：入射光照射到光電探測器后，光電探測器輸出上升到穩(wěn)定值所需要的時間。下降時間：入射光遮斷后，光電探測器輸出下降到穩(wěn)定值所需要的時間。當(dāng)前第17頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)10.90.1入射光光電流tttrtf當(dāng)前第18頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光電探測器響應(yīng)率與入射調(diào)制頻率的關(guān)系

為調(diào)制頻率為f時的響應(yīng)率 為調(diào)制頻率為零時的響應(yīng)率 為時間常數(shù)（等于RC）

５．頻率響應(yīng)：光電探測器的響應(yīng)隨入射光的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)．由于光電探測器信號產(chǎn)生和消失存在著一個滯后過程，所以入射光的調(diào)制頻率對光電探測器的響應(yīng)會有較大的影響。當(dāng)前第19頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)上限截止頻率時間常數(shù)決定了光電探測器頻率響應(yīng)的帶寬S00.707S0f當(dāng)前第20頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)二、噪聲特性在一定波長的光照下光電探測器輸出的電信號并不是平直的，而是在平均值上下隨機(jī)地起伏，它實(shí)質(zhì)上就是物理量圍繞其平均值的漲落現(xiàn)象。用均方噪聲來表示噪聲值大小當(dāng)前第21頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)噪聲在實(shí)際的光電探測系統(tǒng)中是極其有害的。由于噪聲總是與有用信號混在一起，因而影響對信號特別是微弱信號的正確探測。一個光電探測系統(tǒng)的極限探測能力往往受探測系統(tǒng)的噪聲所限制。所以在精密測量、通信、自動控制等領(lǐng)域，減小和消除噪聲是十分重要的問題。當(dāng)前第22頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光電探測器常見的噪聲熱噪聲散粒噪聲產(chǎn)生-復(fù)合噪聲1/f噪聲當(dāng)前第23頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)1、熱噪聲或稱約翰遜噪聲，即載流子無規(guī)則的熱運(yùn)動造成的噪聲。導(dǎo)體或半導(dǎo)體中每一電子都攜帶著電子電量作隨機(jī)運(yùn)動(相當(dāng)于微電脈沖)，盡管其平均值為零，但瞬時電流擾動在導(dǎo)體兩端會產(chǎn)生一個均方根電壓，稱為熱噪聲電壓。熱噪聲存在于任何電阻中，熱噪聲與溫度成正比，與頻率無關(guān).屬于白噪聲當(dāng)前第24頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)2、散粒噪聲散粒噪聲：入射到光探測器表面的光子是隨機(jī)的，光電子從光電陰極表面逸出是隨機(jī)的，PN結(jié)中通過結(jié)區(qū)的載流子數(shù)也是隨機(jī)的。散粒噪聲也是白噪聲，與頻率無關(guān)。散粒噪聲是光電探測器的固有特性，對大多數(shù)光電探測器的研究表明：散粒噪聲具有支配地位。例如光伏器件的PN結(jié)勢壘是產(chǎn)生散粒噪聲的主要原因。當(dāng)前第25頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)3、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲半導(dǎo)體受光照，載流子不斷產(chǎn)生-復(fù)合。在平衡狀態(tài)時，在載流子產(chǎn)生和復(fù)合的平均數(shù)是一定的但在某一瞬間載流子的產(chǎn)生數(shù)和復(fù)合數(shù)是有起伏的。載流子濃度的起伏引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的起伏。當(dāng)前第26頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)4、1/f噪聲或稱閃爍噪聲或低頻噪聲。噪聲的功率近似與頻率成反比多數(shù)器件的1/f噪聲在200~300Hz以上已衰減到可忽略不計。當(dāng)前第27頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)５、信噪比信噪比是判定噪聲大小的參數(shù)。是負(fù)載電阻上信號功率與噪聲功率之比若用分貝（dB）表示，為當(dāng)前第28頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)６、噪聲等效功率(NEP)定義：信號功率與噪聲功率比為1（SNR=1）時，入射到探測器件上的輻射通量(單位為瓦)。這時，投射到探測器上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓（或電流）等于探測器本身的噪聲電壓（或電流）一般一個良好的探測器件的NEP約為10-11W。NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。當(dāng)前第29頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)７、探測率與歸一化探測率探測率D定義為噪聲等效功率的倒數(shù)經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)NEP與檢測元件的面積Ad和放大器帶寬Δf乘積的平方根成正比歸一化探測率D*，即D*與探測器的敏感面積、放大器的帶寬無關(guān)。D*(500K,900,1)當(dāng)前第30頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)三、量子效率（）量子效率：在某一特定波長上，每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比。對理想的探測器，入射一個光量子發(fā)射一個電子，=1實(shí)際上，<1量子效率是一個微觀參數(shù)，量子效率愈高愈好。當(dāng)前第31頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)量子效率與響應(yīng)度的關(guān)系I/q：每秒產(chǎn)生的光子數(shù)P/hυ：每秒入射的光子數(shù)當(dāng)前第32頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)四、線性度線性度是描述光電探測器輸出信號與輸入信號保持線性關(guān)系的程度。在某一范圍內(nèi)探測器的響應(yīng)度是常數(shù)，稱這個范圍為線性區(qū)。非線性誤差：

δ＝Δmax/(I2–I1)Δmax：實(shí)際響應(yīng)曲線與擬合曲線之間的最大偏差；I2

和I1：分別為線性區(qū)中最小和最大響應(yīng)值。當(dāng)前第33頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)五、工作溫度工作溫度就是指光電探測器最佳工作狀態(tài)時的溫度。光電探測器在不同溫度下，性能有變化。

例如，半導(dǎo)體光電器件的長波限和峰值波長會隨溫度而變化；熱電器件的響應(yīng)度和熱噪聲會隨溫度而變化。當(dāng)前第34頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光電探測器的合理選擇根據(jù)待測光信號的大小，確定探測器能輸出多大的電信號，即探測器的動態(tài)范圍探測器的光譜響應(yīng)范圍是否同待測光信號的相對光譜功率分布一致，及探測器和光源的光譜匹配對某種探測器，能探測的極限功率或最小分辨率是多少，即需要知道探測器的等效噪聲功率，需要知道所產(chǎn)生的電信號的信噪比。當(dāng)測量調(diào)制或脈沖光信號時，要考慮探測器的響應(yīng)時間或者頻率響應(yīng)范圍當(dāng)測量的光信號幅值變化時，探測器輸出的信號的線性程度。當(dāng)前第35頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)3.3 光電導(dǎo)效應(yīng)光敏電阻當(dāng)前第36頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)一、光敏電阻光敏電阻是光電導(dǎo)型器件。光敏電阻材料：主要是硅、鍺和化合物半導(dǎo)體，例如：硫化鎘（CdS），硫化鋅（ZnS）等。特點(diǎn)：光譜響應(yīng)范圍寬（特別是對于紅光和紅外輻射）；偏置電壓低，工作電流大；動態(tài)范圍寬，既可測強(qiáng)光，也可測弱光；光電導(dǎo)增益大，靈敏度高；無極性，使用方便；在強(qiáng)光照射下，光電線性度較差響應(yīng)時間較長，頻率特性較差。當(dāng)前第37頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光敏電阻(LDR)和它的符號：

符號當(dāng)前第38頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)1.光敏電阻的工作原理光敏電阻結(jié)構(gòu)：在一塊均勻光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母、高頻瓷或其他絕緣材料基板上，兩端接有電極引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。（如圖）工作機(jī)理：當(dāng)接受光照的時候，光生載流子迅速增加，阻值急劇減小。在外電場作用下，光生載流子沿一定方向運(yùn)動，形成電流。當(dāng)前第39頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)入射光當(dāng)前第40頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)當(dāng)前第41頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)本征型和雜質(zhì)型光敏電阻本征型光敏電阻：當(dāng)入射光子的能量等于或大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg時，激發(fā)一個電子－空穴對，在外電場的作用下，形成光電流。雜質(zhì)型光敏電阻：對于Ｎ型半導(dǎo)體，當(dāng)入射光子的能量等于或大于雜質(zhì)電離能ΔＥ時，將施主能級上的電子激發(fā)到導(dǎo)帶而成為導(dǎo)電電子，在外電場的作用下，形成光電流。本征型用于可見光長波段,雜質(zhì)型用于紅外波段。價帶導(dǎo)帶電子空穴Eg價帶導(dǎo)帶電子空穴ΔＥ施主當(dāng)前第42頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光電導(dǎo)與光電流光敏電阻兩端加電壓（直流或交流）．無光照時，阻值（暗電阻）很大，電流（暗電流）很小；光照時，光生載流子迅速增加，阻值（亮電阻）急劇減少．在外場作用下，光生載流子沿一定方向運(yùn)動，形成光電流（亮電流）。光電流：亮電流和暗電流之差；

I光

=IL-Id光電導(dǎo)：亮電流和暗電流之差；

g

=gL-gd當(dāng)前第43頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光敏電阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是說暗電流要小，亮電流要大，這樣光敏電阻的靈敏度就高。光電流與光照強(qiáng)度／電阻結(jié)構(gòu)的關(guān)系。當(dāng)前第44頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)無光照，暗電導(dǎo)率光照下電導(dǎo)率

當(dāng)前第45頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)附加光電導(dǎo)率,簡稱光電導(dǎo)光電導(dǎo)相對值要制成附加光電導(dǎo)相對值高的光敏電阻應(yīng)使p0和n0小，因此光敏電阻一般采用禁帶寬度大的材料或在低溫下使用。當(dāng)前第46頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)當(dāng)光照穩(wěn)定時，光生載流子的濃度為無光照時，光敏電阻的暗電流為光照時，光敏電阻的光電流為當(dāng)前第47頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)２．光敏電阻的工作特性光電特性伏安特性時間響應(yīng)和頻率特性溫度特性當(dāng)前第48頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光電特性：光電流與入射光照度的關(guān)系：

(1)弱光時，γ=1，光電流與照度成線性關(guān)系

(2)強(qiáng)光時，γ=0.5，光電流與照度成拋物線 光照增強(qiáng)的同時，載流子濃度不斷的增加，同時光敏電阻的溫度也在升高，從而導(dǎo)致載流子運(yùn)動加劇，因此復(fù)合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢。（冷卻可以改善）光敏電阻的光電特性當(dāng)前第49頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)在弱光照下，光電流與E具有良好的線性關(guān)系在強(qiáng)光照下則為非線性關(guān)系其他光敏電阻也有類似的性質(zhì)。當(dāng)前第50頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光電導(dǎo)靈敏度:光電導(dǎo)g與照度E之比. 不同波長的光，光敏電阻的靈敏度是不同的。在選用光電器件時必須充分考慮到這種特性。當(dāng)前第51頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光電導(dǎo)增益

光電導(dǎo)增益反比于電極間距的平方。量子效率：光電流與入射光子流之比。當(dāng)前第52頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)伏安特性在一定的光照下，光敏電阻的光電流與所加的電壓關(guān)系光敏電阻是一個純電阻，因此符合歐姆定律，其伏安特性曲線為直線。不同光照度對應(yīng)不同直線當(dāng)前第53頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)受耗散功率的限制，在使用時，光敏電阻兩端的電壓不能超過最高工作電壓，圖中虛線為允許功耗曲線由此可確定光敏電阻正常工作電壓。當(dāng)前第54頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光敏電阻時間常數(shù)比較大，其上限截止頻率低。只有PbS光敏電阻的頻率特性稍好些，可工作到幾千赫。頻率特性當(dāng)前第55頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光敏電阻的時間響應(yīng)特性較差材料受光照到穩(wěn)定狀態(tài)，光生載流子濃度的變化規(guī)律：停止光照，光生載流子濃度的變化為響應(yīng)時間當(dāng)前第56頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光敏電阻是多數(shù)載流子導(dǎo)電，溫度特性復(fù)雜。隨著溫度的升高，光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要下降，溫度的變化也會影響光譜特性曲線。例如：硫化鉛光敏電阻，隨著溫度的升高光譜響應(yīng)的峰值將向短波方向移動。尤其是紅外探測器要采取制冷措施溫度特性當(dāng)前第57頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)前歷效應(yīng)光敏電阻時間特性與工作前“歷史”有關(guān)的現(xiàn)象暗態(tài)前歷亮態(tài)前歷當(dāng)前第58頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)常用光敏電阻參數(shù)當(dāng)前第59頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光敏電阻參數(shù)使用材料：硫化鎘（CdS），硫化鉛（PbS），銻化銦（InSb），碲鎘汞（HgCdTe），碲錫鉛（PbSnTe）.光敏面：1-3mm工作溫度：-40–80oC極限電壓：10–300V耗散功率：<100W時間常數(shù)：5–50ms光譜峰值波長：因材料而不同，在可見/紅外遠(yuǎn)紅外暗電阻：108歐姆亮電阻：104

歐姆當(dāng)前第60頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)特性總結(jié)弱光照射下光電流與入射輻射通量成線性關(guān)系用于光度量測試儀器時，須對光譜特性曲線進(jìn)行修正，保證與人眼光譜光視效率曲線符合光譜特性與溫度有關(guān)，不適合在高溫下使用頻帶寬度窄設(shè)計負(fù)載電阻應(yīng)考慮到光敏電阻的額定功耗當(dāng)前第61頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光敏電阻的應(yīng)用---照明燈的光電控制電路

基本功能：根據(jù)自然光的情況決定是否開燈?；窘Y(jié)構(gòu)：整流濾波電路；光敏電阻及繼電器控制；觸電開關(guān)執(zhí)行電路基本原理：光暗時，光敏電阻阻值很高，繼電器關(guān)，燈亮；光亮?xí)r，光敏電阻阻值降低，繼電器工作，燈關(guān)。照明燈自動控制電路K220V燈常閉CdS當(dāng)前第62頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)以硫化鉛光敏電阻為探測元件的火焰探測器電路1、暗電阻為1MΩ,亮電阻為0.2MΩ，峰值響應(yīng)波長為2.2μm，恰為火焰的峰值輻射光譜。（匹配）硫化鉛光敏電阻處于V1管組成的恒壓偏置電路，其偏置電壓約為6V，電流約為6μA。V1管集電極電阻兩端并聯(lián)68μF的電容，可以抑制100Hz以上的高頻，使其成為只有幾十赫茲的窄帶放大器。V2、V3構(gòu)成二級負(fù)反饋互補(bǔ)放大器，火焰的閃動信號經(jīng)二級放大后送給中心控制站進(jìn)行報警處理。采用恒壓偏置電路是為了在更換光敏電阻或長時間使用后，器件阻值的變化不至于影響輸出信號的幅度，保證火焰報警器能長期穩(wěn)定的工作。光敏電阻的應(yīng)用-----火焰檢測報警器當(dāng)前第63頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)火焰探測報警器電路圖光敏電阻的應(yīng)用-----火焰檢測報警器V1管集電極電阻兩端并聯(lián)68μF的電容，可以抑制100Hz以上的高頻2k6V220k68m68mpbs820k3.9MV1V21k32k100m150k3.9KV34.7n12V中心站放大器暗電阻為1MΩ,亮電阻為0.2MΩ，峰值響應(yīng)波長為2.2μm，恰為火焰的峰值輻射光譜恒壓偏置電路：輸出電路的電壓靈敏度不因光敏電阻的阻值而改變，保證火焰報警器能長期穩(wěn)定的工作。放大電路，將信號放大傳送給中心站集電極和發(fā)射極的電流大致相等當(dāng)前第64頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光敏電阻的應(yīng)用----照相機(jī)電子快門硫化鎘光敏電阻，與人眼光譜響應(yīng)接近按動快門，電路接通Ur電位下降電壓比較器輸出，三極管導(dǎo)通，快門工作光敏電阻決定了充電電流的大小，即為電容充電的時間長短，即為快門開啟的時間當(dāng)前第65頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)當(dāng)前第66頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)4、光生伏特效應(yīng)PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)：當(dāng)用適當(dāng)波長的光照射PN結(jié)時，由于內(nèi)建場的作用（不加外電場），光生電子拉向n區(qū)，光生空穴拉向p區(qū)，相當(dāng)于PN結(jié)上加一個正電壓。半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動勢（光生電壓）；如將PN結(jié)短路，則會出現(xiàn)電流（光生電流）。當(dāng)前第67頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光電池是根據(jù)光生伏特效應(yīng)制成的將光能轉(zhuǎn)換成電能的一種器件。當(dāng)前第68頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)光電池核心部分是一個PN結(jié)，一般作成面積大的薄片狀，來接收更多的入射光。在N型硅片上擴(kuò)散P型雜質(zhì)（如硼），受光面是P型層或在P型硅片上擴(kuò)散N型雜質(zhì)（如磷），受光面是N型層當(dāng)前第69頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保護(hù)作用上電極做成柵狀，為了更多的光入射由于光子入射深度有限，為使光照到PN結(jié)上，實(shí)際使用的光電池制成薄P型或薄N型。當(dāng)前第70頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)當(dāng)前第71頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光電池等效電路當(dāng)前第72頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)當(dāng)前第73頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)當(dāng)前第74頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光電池的特性1、伏安特性無光照時，光電池伏安特性曲線與普通半導(dǎo)體二極管相同。有光照時，沿電流軸方向平移，平移幅度與光照度成正比。曲線與電壓軸交點(diǎn)稱為開路電壓VOC，與電流軸交點(diǎn)稱為短路電流ISC。當(dāng)前第75頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光電池伏安特性曲線當(dāng)前第76頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)2、時間和頻率響應(yīng)

硅光電池頻率特性好硒光電池頻率特性差硅光電池是目前使用最廣泛的光電池

當(dāng)前第77頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)要得到短的響應(yīng)時間，必須選用小的負(fù)載電阻RL；光電池面積越大則響應(yīng)時間越大，因?yàn)楣怆姵孛娣e越大則結(jié)電容Cj越大，在給定負(fù)載時，時間常數(shù)就越大，故要求短的響應(yīng)時間，必須選用小面積光電池。當(dāng)前第78頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)3、光譜響應(yīng)度硅光電池響應(yīng)波長微米，峰值波長微米。硒光電池響應(yīng)波長微米，峰值波長0.54微米。當(dāng)前第79頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)4、光電池的光照特性連接方式：開路電壓輸出---(a)

短路電流輸出---(b)光電池在不同的光強(qiáng)照射下可產(chǎn)生不同的光電流和光生電動勢。短路電流在很大范圍內(nèi)與光強(qiáng)成線性關(guān)系。開路電壓隨光強(qiáng)變化是非線性的，并且當(dāng)照度在2000lx時趨于飽和。當(dāng)前第80頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光照特性---開路電壓輸出：非線性(電壓---光強(qiáng))，靈敏度高短路電流輸出：線性好(電流---光強(qiáng))，靈敏度低開關(guān)測量（開路電壓輸出），線性檢測（短路電流輸出）當(dāng)前第81頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)負(fù)載RL的增大線性范圍也越來越小。因此，在要求輸出電流與光照度成線性關(guān)系時，負(fù)載電阻在條件許可的情況下越小越好，并限制在適當(dāng)?shù)墓庹辗秶鷥?nèi)使用。當(dāng)前第82頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光電池的應(yīng)用1、光電探測器件利用光電池做探測器有頻率響應(yīng)高，光電流隨光照度線性變化等特點(diǎn)。2、將太陽能轉(zhuǎn)化為電能實(shí)際應(yīng)用中，把硅光電池經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)組成電池組。當(dāng)前第83頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)硅太陽能電池硅太陽能電池包括單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池。單晶硅太陽能電池在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為23%,而規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽能電池,其效率為15%。多晶硅半導(dǎo)體材料的價格比較低廉,但是由于它存在著較多的晶粒間界而有較多的弱點(diǎn)。多晶硅太陽能電池的實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。當(dāng)前第84頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)非晶硅太陽能電池非晶硅薄膜太陽能電池組件的制造采用薄膜工藝,具有較多的優(yōu)點(diǎn),例如:沉積溫度低、襯底材料價格較低廉,能夠?qū)崿F(xiàn)大面積沉積。

非晶硅的可見光吸收系數(shù)比單晶硅大,是單晶硅的40倍,1微米厚的非晶硅薄膜,可以吸引大約90%有用的太陽光能。非晶硅太陽能電池的穩(wěn)定性較差,從而影響了它的迅速發(fā)展。

當(dāng)前第85頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)化合物太陽能電池

三五族化合物電池和二六族化合物電池。三五族化合物電池主要有GaAs電池、InP電池、GaSb電池等;二六族化合物電池主要有CaS/CuInSe電池、CaS/CdTe電池等。在三五族化合物太陽能電池中,GaAs電池的轉(zhuǎn)換效率最高,可達(dá)28%;當(dāng)前第86頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)GaAs化合物太陽能電池Ga是其它產(chǎn)品的副產(chǎn)品,非常稀少珍貴;As不是稀有元素,有毒。GaAs化合物材料尤其適用于制造高效電池和多結(jié)電池,這是由于GaAs具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率。

GaAs化合物太陽能電池雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn),但是GaAs材料的價格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。

當(dāng)前第87頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)太陽能太陽能特點(diǎn)：①無枯竭危險；②絕對干凈；③不受資源分布地域的限制；④可在用電處就近發(fā)電；⑤能源質(zhì)量高；要使太陽能發(fā)電真正達(dá)到實(shí)用水平，一是要提高太陽能光電變換效率并降低成本；二是要實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電同現(xiàn)在的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。當(dāng)前第88頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)太陽能庭院燈。它們可以在白天生成并儲存自己的能量，然后在夜晚間釋放能量。這就像衛(wèi)星一樣，當(dāng)位于行星有陽光的一面時，它可以儲存太陽能；當(dāng)它在背光的一面時，則使用所儲存的能量。太陽能庭院燈工作原理

作者：MarshallBrain（本文為博聞網(wǎng)版權(quán)所有，轉(zhuǎn)載必須注明出處。）1.

引言

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太陽能庭院燈是如何發(fā)光的？

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如果您有一個庭院，并且曾考慮過進(jìn)行夜間照明，那么您很可能聽說過太陽能庭院燈。它們?nèi)匀幌喈?dāng)昂貴，但是它們的好處是您不用設(shè)置任何電線。只要一個地方有直射太陽光，您就可以在大約15秒鐘內(nèi)在那里放好一盞燈。這些燈非常有意思，因?yàn)樗鼈兙拖裥⌒l(wèi)星一樣。它們可以在白天生成并儲存自己的能量，然后在夜晚間釋放能量。這就像衛(wèi)星一樣，當(dāng)位于行星有陽光的一面時，它可以儲存太陽能；當(dāng)它在背光的一面時，則使用所儲存的能量。在本文中，您將了解這到底是怎么發(fā)生的！基本構(gòu)造

下面是太陽能庭院燈的典型構(gòu)造：

太陽能庭院燈工作原理

下面是LED和控制器板的特寫：

在這一模塊的另外一面，是四個電池組成的太陽能電池陣（大小為5厘米x5厘米）和光敏電阻器：

下面是光敏電阻器的特寫：

光電池以及光敏電阻應(yīng)用當(dāng)前第89頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)太陽能庭院燈的典型構(gòu)造它由以下元件構(gòu)成：一個塑料外殼頂部的一塊太陽能電池一個單塊的AA鎳鎘電池一個小的控制器板一個LED光源一個光敏電阻器，用于檢測黑暗當(dāng)前第90頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)當(dāng)前第91頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)在這一模塊的另外一面，是四個電池組成的太陽能電池陣（大小為5厘米x5厘米）和光敏電阻器：光敏電阻器

當(dāng)前第92頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)太陽能電池通過一個二極管（可以防止電池的電流在夜間流回太陽能電池）直接與電池連接。電池是一個完全標(biāo)準(zhǔn)的AA鎳鎘電池。這樣的一塊電池可以產(chǎn)生約1.2伏的電壓，最多可儲存約700毫安時的電量。在白天，電池進(jìn)行充電，除了冬季白天較短的日子或者天氣非常陰的日子外，都可以達(dá)到最大充電量。

充滿電時，鎳鎘電池能使LED亮起約15小時。照明燈自動控制電路K儲能電池?zé)舫ｉ]CdS當(dāng)前第93頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)當(dāng)前第94頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光敏二極管結(jié)構(gòu)光敏二極管與普通二極管一樣有一個PN結(jié)，屬于單向?qū)щ娦缘姆蔷€形元件。外形不同之處是在光電二極管的外殼上有一個透明的窗口以接收光線照射，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。為了獲得盡可能大的光生電流，需要較大的工作面，即PN結(jié)面積比普通二極管大得多，以擴(kuò)散層作為它的受光面。為了提高光電轉(zhuǎn)換能力，PN結(jié)的深度較普通二極管淺。

當(dāng)前第95頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)當(dāng)前第96頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光電二極管（光敏二極管）光敏二極管符號

光敏二極管接法

當(dāng)前第97頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)外加反向偏壓與光電池不同，光敏二極管一般在負(fù)偏壓情況下使用大反偏壓的施加，增加了耗盡層的寬度和結(jié)電場，電子—空穴在耗盡層復(fù)合機(jī)會少，提高光敏二極管的靈敏度。增加了耗盡層的寬度，結(jié)電容減小，提高器件的頻響特性。但是，為了提高靈敏度及頻響特性，卻不能無限地加大反向偏壓，因?yàn)樗€受到PN結(jié)反向擊穿電壓等因素的限制。當(dāng)前第98頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)光敏二極管體積小，靈敏度高，響應(yīng)時間短，光譜響應(yīng)在可見到近紅外區(qū)中，光電檢測中應(yīng)用多。擴(kuò)散型P-i-N硅光敏二極管和雪崩光敏二極管擴(kuò)散型P-i-N硅光敏二極管當(dāng)前第99頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)選擇一定厚度的i層，具有高速響應(yīng)特性。i層所起的作用:(1)為了取得較大的PN結(jié)擊穿電壓，必須選擇高電阻率的基體材料，這樣勢必增加了串聯(lián)電阻，使時間常數(shù)增大，影響管子的頻率響應(yīng)。而i層的存在，使擊穿電壓不再受到基體材料的限制，從而可選擇低電阻率的基體材料。這樣不但提高了擊穿電壓，還減少了串聯(lián)電阻和時間常數(shù)。

(2)反偏下，耗盡層較無i層時要大得多，從而使結(jié)電容下降，提高了頻率響應(yīng)。當(dāng)前第100頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)PIN管的最大特點(diǎn)是頻帶寬，可達(dá)10GHz。另一特點(diǎn)是線性輸出范圍寬。缺點(diǎn):

由于I層的存在，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。當(dāng)前第101頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)雪崩光敏二極管由于存在因碰撞電離引起的內(nèi)增益機(jī)理，雪崩管具有高的增益帶寬乘積和極快的時間響應(yīng)特性。通過一定的工藝可以使它在1.06微米波長處的量子效率達(dá)到30％，非常適于可見光及近紅外區(qū)域的應(yīng)用。當(dāng)前第102頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)

當(dāng)光敏二極管的PN結(jié)上加相當(dāng)大的反向偏壓時，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個很高的電場，使進(jìn)入場區(qū)的光生載流子獲得足夠的能量，通過碰撞使晶格原子電離，而產(chǎn)生新的電子—空穴對。新的電子—空穴對在強(qiáng)電場的作用下分別向相反方向運(yùn)動．在運(yùn)動過程中，又有可能與原子碰撞再一次產(chǎn)生電子—空穴對。只要電場足夠強(qiáng)，此過程就將繼續(xù)下去，達(dá)到載流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二極管的反向工作偏壓略低于擊穿電壓。當(dāng)前第103頁\共有115頁\編于星期六\15點(diǎn)雪崩光電二極管的

倍增電流、噪聲與偏壓的關(guān)