【文章內(nèi)容簡介】 對于 不同的半導體材料，可簡化如下 : ： 光照前后電子濃度的變化量為 Δ n=Δ ni+Δ n0， Δ n0是本征躍遷所產(chǎn)生的 , Δ ni為雜質(zhì)電離增加的。 實際材料中： Δ ni》 Δ n0 ， Δ p0=Δ n0近似等于 0； Δ n≈ Δ ni 故相對光電導為： ， 光電導為 Δζ=qΔ pμ p ，相對光電導為： ： n0=p0 ， Δ p=Δ n，相對光電導為： ?光照后電導是否變化 主要由材料對光子的吸收決定 。 令 I為照射到物體某一位置 x的單位面積的光強， α 是吸收系數(shù)， 光吸收公式為： I＝ I0eαx 說明在樣品的不同深度，光強不同。 則 單位時間單位體積中材料所吸收的功率 =α I 若照射光頻率為 γ ，則吸收的光子數(shù)為 α I／ hγ 吸收一個光子所產(chǎn)生的電子 — 空穴對數(shù) η 稱為 量子產(chǎn)額 (通常η ≤1) 。 ∴ 電子 — 空穴對的產(chǎn)生率為： x0I0IdxIdI /??? 在穩(wěn)態(tài)條件下，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的載流子數(shù)目 等于 這段時間內(nèi)復合的數(shù)目，即 G＝ R，因此 ： G是深度的函數(shù)，由 α 決定 。 為簡化 假定 光吸收是均勻的，光電導率才是均勻的。 若材料中 不存在 電子或空穴的陷阱，非平衡載流子 Δ n和 Δ P壽命 η相同， 光敏電阻 Photoresistor 是利用光敏材料的 光電導效應 制成的光電元件。 晶體， 玻璃， 支架， 引線， 透光窗 工藝：晶體貼于玻璃上后，固定到支架上引出電極引線，封上透光窗 單晶光敏電阻結構圖 實際結構： 光電阻測試中測出其電流較小。因面積小，光電流小，誤差大 … 。 大面積感光面 光敏電阻的表面結構 ：折線式光敏電阻和梳狀電極結構，得到比較大的光電流。 電極光電材料半 導 體電極塑料殼玻 璃 底 板電極電極光導管的整體 折線式光敏電阻 梳狀電極結構 工藝： 在 玻璃（或陶瓷）基片 上均勻地涂敷一薄層 光電導多晶材料 ，經(jīng) 燒結 后 光刻 ，放上 掩蔽膜 ， 蒸鍍 上兩個金（或銦）電極，再在電阻表面 覆蓋 一層漆保護膜。 要求： 漆膜在光敏材料的最敏感波長范圍內(nèi)透射率最大、吸收少、減少光敏電阻表面的反射。 為防潮：將整個管子 密封于 金屬外殼和玻璃窗內(nèi) 為光敏電阻散熱：給內(nèi)部充入氫氣。 在兩極間加上電壓 (直流或交流 ),就會有電流流過。 暗電流 在給定的工作電壓下， 沒有光照時測得電路的電流 亮電流 有光照時電流 光電流 亮電流與暗電流之差 即 所增加的電流 因 當光強增大光電導增大，光電流 就成比例增大。 在外加電壓為 10V，照度為 50lX時，多晶光敏電阻可獲得 10mA左右的光電流； CdS、 CdSe單晶光敏電阻 用于 可見光及近紅外區(qū) 的檢測； 大面積多晶的光譜范圍較寬可由紫光延伸到紅光 。 光敏電阻電流測量電路圖 R L 光敏電阻的參數(shù)及特性 ： 暗電阻 R0在全暗條件下所測得的電阻值，一般超過 1MΩ，甚至達100 MΩ。 亮電阻 RL受到光照時測得的電阻值，一般在幾千歐以下 一般暗電阻與亮電阻之差越大，其光電流差越大，靈敏度越高。暗電阻與亮電阻之比一般在 102～ 106之間。 2. 光電靈敏度 單位光通量時光敏電阻能輸出的光電流的大小，即：S=dI/dθ 。 最大靈敏度 Smax在給光敏電阻加上最大電壓時光電流 Imax與光通量θ 的比值。 電壓相對靈敏度 KS在 單位外加電壓 下入射 單位光通量 時所輸出的光電流值，為： ∵ 光敏電阻多為 半導體材料 ，暗電阻和靈敏度都受 T影響。 圖中 T升高 時 峰值波長 λ max向短波長方向移動 ；下降時 λ max向長波長方向移動 。 ∵ T高時晶格振動加強，電子運動受阻，電子從產(chǎn)生點運動到陽極所需能量加大，向短波方向移動。且 n增加 I增。 ∴ 測量長波段光時應對光敏電阻采用制冷措施 。 + 2 0 ℃ 2 0 ℃I（μA）λ （ nm ） 0 2 0 0 3 0 0 4 0 01 0 03 0 02 0 0 一般光電流 不能 隨著光照量的改變而 立刻 改變，即 產(chǎn)生光電流有一定惰性 。 時間常數(shù) τ光敏電阻 自停止光照 到 電流下降 為原來的 63﹪ 所需的時間。 τ越小，響應越迅速。 照相機自動測光 光控燈 工業(yè)控制 直流偏置與放大接口電路 一、匹配偏置 輻射熱計的匹配偏置 — 電壓放大電路圖 光敏元件 RL對 T變化很敏感 可用作熱探測器 ， 溫漂 和信號一起輸入到放大器，會產(chǎn)生測量誤差。 熱敏電阻匹配 偏置放大 機理 ： 補償 熱敏電阻 R0與 RL隨 T產(chǎn)生相同變化，輸出信號點 T引起的電位不變 UB為偏置電源； R C1和 R C2分別構成 T型濾波器 ，以減小 UB不穩(wěn)的影響；R R R0和 RL接成 電橋 。后接具有電流負反饋的結型場效應管共源放大器。 R1R2R3R4R0RLR5R6 R7F E TC1C2C3C4UBEc三、恒壓偏置 R L10KR 1150KC P b SR 0 =200KT 1T 2+18VR 310KR 41KR 2100K電阻構成的恒壓偏置 電流放大電路圖 直流電源電壓加到硫化鉛光敏電阻上，負載電阻 RL10KΩ 171。 硫化鉛暗電阻 R0200KΩ，構成 恒壓偏置 。 后接 電流并聯(lián)負反饋電流型 放大器 CdS的阻值 隨 外光源變化， 時間常數(shù) 由 RCdSC決定。 用 RP1設置設定值，控制 VT1的通斷時間，形成具有設定時間寬度的單穩(wěn)脈沖。 若 VT VT3導通， J工作 S2合上， VT1 截止 VT VT3截止 。 單穩(wěn)脈沖由 VT3集電極輸出，脈沖開始時刻由開關 S1確定，結束時刻由電路時間常數(shù)確定。 JRC d SCS1S2V T1V T2V T3RP 1Es1 K1 K1 0 K2 2 KE 光生伏特效應器件 Photovoltaic effect device 光生伏特效應 Photovoltaic effect 主要的光生伏特探測器 main Photovoltaic effect prober 光生伏特效應器件的應用 application 光生伏特效應 定義 光照 PN結，在結兩端產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象，制成很多光生伏特效應器件 。 早期用 丹倍效應 光照射半導體材料的一半，在兩端可測到電位差的現(xiàn)象。 原理 半導體材料的費米能級 EF： 由于 p型半導體中電子是少子，則 p型半導體 EFp低于其本征半導體材料的費米能級 EFi；而 n型半導體中電子是多子，則 EFn高于 EFi，說明兩種材料的能帶不同。 EFf1EEF與其中電子濃度關系為： EcEcEvEF PEvEF N a p 型( b ) n 型 當兩者接觸時， n型半導體 中電子向 p型中擴散，邊界因失去電子帶正電成為正離子， p型的邊界 得到電子使空穴減少而帶負電成為負離子，正負離子形成自建電場 E自 ， E自 阻止電子空穴的擴散，而促進漂移運動，當擴散與漂移達到平衡時，兩邊電子空穴數(shù)目恒定， PN結形成，此時， EFp=EFn，產(chǎn)生接觸電勢差： 半導體材料的能帶結構 P NE自光生伏特效應指半導體材料 PN結受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動勢的效應 。 以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件 。 + + + P N ① 勢壘效應（結光電效應） 接觸的半導體和 PN結中，當光線照射其接觸區(qū)域時，便引起光電動勢，這就是結光電效應。以 PN結為例，光線照射 PN結時，設光子能量大于禁帶寬度 Eg，使價帶中的電子躍遷到導帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在阻擋層內(nèi)電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向 N區(qū)外側，被光激發(fā)的空穴移向 P區(qū)外側，從而使 P區(qū)帶正電， N區(qū)帶負電，形成光電動勢。 勢壘pn空 穴 空 穴空 態(tài)能量空穴電子q VD PN結的能帶結構 ② 側向光電效應 當半導體光電器件受光照不均勻時，有載流子濃度梯度將會產(chǎn)生側向光電效應 。 當光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對時，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴散不明顯，則電子向未被光照部分擴散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電動勢。 基于該效應的光電器件如半導體光電位置敏感器件（ PSD）。 正向偏壓 時， E外 使 E自 減小，耗盡區(qū)中和了部分空間電荷，正負離子數(shù)少而 變薄 。使內(nèi)建電場的勢壘高度降低， P區(qū)空穴向 n區(qū)移動 ,n區(qū)電子向 p區(qū)移動都更容易，正向電流增大 反向偏壓 時， E外 使 E自 增加， 耗盡區(qū) 變厚 。 IILEP NAE自 光照耗盡區(qū) 時，吸收光子產(chǎn)生電子 空穴對，且在 E自 下向相反方向運動，電子穿過 PN結進入 n區(qū)，空穴進入 p區(qū)，形成自 n向 p的 光生電流 IL， P端因堆積了空穴而呈高電位， n端因堆積了電子呈低電位，相當于一個 電壓源 ； 而 耗盡層外 的 P區(qū)、 N區(qū)光生電子空穴對受到的電場很小，運動很慢在到達厚耗盡區(qū)外就復合掉，不能形成光電流。 若光照穩(wěn)定時，此電流一直存在。 PN結光電檢測原理 ④ 當 PN結 斷路 不接任何外設時，正向電流為零，即： 即正向電流等于光電流 ： 則： PN結上光產(chǎn)生的開路電壓為： 可直接在 PN結兩端并聯(lián)一個電壓表，測 光照時 的電勢差的值。 主要的光生伏特探測器 一、 PN結光電池 若給 PN結連接一個用電器，只要光照不停止，可連續(xù)產(chǎn)生電子空穴對，電路中就有源源不斷的電流。 PN結就起到電源的作用，稱為 光電池 。 Si光電池結構： P型區(qū)為受光區(qū)，面積很大的特點 陽極 陰極n 型硅p 型硅引線 ： PN結內(nèi) 光電流由 N向 P流， PN結外 光電流由 P向 N流，與正向電流相反。 有光照時在一定反向電壓下反向電流增大，光照強度越大、下移越大，且下移幅度與光強成正比， IL與光強成正比，一般可達十幾微安。 ILIV全暗2 0 0 0 L x4 0 0 0 L x0光照二、 PIN管： 為保證 耗盡層能 吸收大量的入射光，避免耗盡層以外的光吸收以降低吸收損耗。 P+區(qū)和 N+區(qū)要很薄（約 m），之間有一厚的 I區(qū)（為 30μ m），穿越式 結構。光子可透過 p區(qū)在 I區(qū)被吸收產(chǎn)生電子空穴對，在 E自 下，PI結中電子向 I區(qū)漂移，空穴向 P+漂移； IN結中電子向 n+區(qū)漂移，空穴向 I區(qū)漂移；形成 光電流 。 要使 IL升高，應增加空間電荷區(qū)寬度，即加反偏電壓 U反 ， I區(qū)比 P+、N+區(qū)電阻高，承受大部分壓降， 耗盡區(qū)加寬 ，因耗盡層通過耗盡過程“穿越” I區(qū)到達重摻雜的襯底處停止， VOC加大，靈敏度提高。 光照 PIN結光電流的產(chǎn)生 加反壓的示意圖 PIN管結構 ++NPU反IE自+++P+抗 反 射 涂 層金 屬 接 觸n+襯 底S i O2h γ3 0 μ m+++++增 透 膜+ ++ + + +NP+電 極++++++++I+ ++ +++++++++T i A u 接 觸 電 極P+ G a I n A s ( Z n )N+