【文章內(nèi)容簡介】 分別表示照度為 零 及照度為 某值 時(shí)的伏安特性 。 由曲線可知 ， 在給定偏壓下 ,光照度較大 ， 光電流也越大 。 在一定的光照度下 ， 所加的電壓越大 ， 光電流越大 ， 而且無飽和現(xiàn) 50 100 150 200 1 2 U/V 0 20 40 象 。 但是電壓不能無限地增大 ， 因?yàn)槿魏喂饷綦娮瓒际茴~定功率 、 最高工作電壓和額定電流的限制 。超過最高工作電壓和最大額定電流 ， 可能導(dǎo)致光敏電阻永久性損壞 。 I/ μA （ 5）頻率特性 當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)，光電流要經(jīng)過一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時(shí)延特性。由于不同材料的光敏， 20 40 60 80 100 I / % f / Hz 0 10 102 103 104 電阻 時(shí)延特性不同，所以它們的頻率特性也不同，如圖。 硫化鉛 的使用頻率比 硫化鎘 高得多，但多數(shù)光敏電阻的 時(shí)延都比較大，所以，它不能用在要求快速響應(yīng)的場合。 硫化鉛 硫化鎘 （ 6）穩(wěn)定性 圖中曲線 2分別表示兩種型號(hào) CdS光敏電阻的穩(wěn)定性 。 初制成的光敏電阻 ， 由于 體內(nèi)機(jī)構(gòu)工作不穩(wěn)定 ，以及 電阻體與其介質(zhì)的作用還沒有達(dá)到平衡 ， 所以性能是不夠穩(wěn)定的 。 但在人為地加溫 、 光照及加負(fù)載情況下 ， 經(jīng)一至二周的老化 ， 性能可達(dá)穩(wěn)定 。 光敏電阻在開始一段時(shí)間的老化過程中 ， 有些樣品阻值上 I / % 40 80 120 160 2 1 T/h 0 400 800 1200 1600 升，有些樣品阻值下降，但最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值后就不再變了。這就是光敏電阻的主要優(yōu)點(diǎn)。 光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下，幾乎是 無限長 的。 （ 7）溫度特性 其性能 (靈敏度 、 暗電阻 )受溫度的影響較大 。 隨著溫度的升高 ， 其暗電阻和靈敏度下降 ， 光譜特性曲線的峰值向波長短的方向移動(dòng) 。 硫化鎘的光電流 I和溫度 T的關(guān)系如圖所示 。 有時(shí)為了提高靈敏度 ， 或?yàn)榱四軌蚪邮蛰^長波段的輻射 ， 將元件降溫使用 。 例如 ， 可利用制冷器使光敏電阻的溫度降低 。 I / μA 100 150 200 50 10 30 50 10 30 T / 186。C 20 40 60 80 100 0 λ/μm I/mA +20 186。C 20 186。C 二、光電池 光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件 。 由于它可把太陽能直接變電能 ， 因此又稱為太陽能電池 。 它是基于光生伏特效應(yīng)制成的 ， 是發(fā)電式有源元件 。 它有較大面積的 PN結(jié) ， 當(dāng)光照射在 PN結(jié)上時(shí) ，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì) 。 命名方式： 把光電池的半導(dǎo)體材料的名稱冠于光電池 (或太陽能電池 )之前 。 如 ， 硒光電池 、 砷化鎵光電池 、 硅光電池等 。 目前 ,應(yīng)用最廣 、 最有發(fā)展前途的是硅光電池 。 ?硅光電池價(jià)格便宜 ， 轉(zhuǎn)換效率高 ， 壽命長 ， 適于接受紅外光 。 ?硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低 (％ )、 壽命短 ， 適于接收可見光 (響應(yīng)峰值波長 )， 最適宜制造照度計(jì) 。 ?砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高 ， 光譜響應(yīng)特性則與太陽光譜最吻合 。 且工作溫度最高 ， 更耐受宇宙射線的輻射 。 因此 ，它在宇宙飛船 、 衛(wèi)星 、 太空探測(cè)器等電源方面的應(yīng)用是有發(fā)展前途的 。 光電池的示意圖 硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖所示 。 它是在一塊 N型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些 P型雜質(zhì) (如硼 )形成 PN結(jié) 。 當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí) ， 如果光子能量足夠大 ， 將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子 空穴對(duì) ， 在 N區(qū)聚積負(fù)電荷 ， P區(qū)聚積正電荷 ，這樣 N區(qū)和 P區(qū)之間出現(xiàn)電位差 。 若將 PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來 ， 電路中有電流流過 ， 電流的方向由 P區(qū)流經(jīng)外電路至 N區(qū) 。 若將外電路斷開 ， 就可測(cè)出光生電動(dòng)勢(shì) 。 1. 光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理 + 光 P N － SiO2 RL (a) 光電池的結(jié)構(gòu)圖 I 光 (b) 光電池的工作原理示意圖 P N 光電池的表示符號(hào) 、 基本電路及等效電路如圖所示 。 I U Id U I RL IΦ (a) (b) (c) 圖 光電池符號(hào)和基本工作電路 L/klx L/klx 5 4 3 2 1 0 2 4 6 8 10 開路電壓 Uoc /V 0 1 2 3 4 5 Uoc/V Isc /mA Isc/mA (a) 硅光電池 (b)硒光電池 （ 1）光照特性 開路電壓曲線：光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的特性曲線 ，當(dāng)照度為 2022lx時(shí)趨向飽和 。 短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線 2. 基本特性 開路電壓 短路電流 短路電流 短路電流，指外接負(fù)載相對(duì)于光電池內(nèi)阻而言是很小的。光電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同，因而應(yīng)選取適當(dāng)?shù)耐饨迂?fù)載近似地滿足“短路”條件。 下圖表示硒光電池在不同負(fù)載電阻時(shí)的光照特性。從圖中可以看出，負(fù)載電阻 RL越小，光電流與強(qiáng)度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。 0 2 4 6 8 10 I/mA L/klx 50Ω 100Ω 1000Ω 5000Ω RL=0 20 40 60 80 100 I / % 1 2 λ/μm (2) 光譜特性 光電池的光譜特性決定于材料。從曲線可看出，硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在 540nm附近，適宜測(cè)可見光。硅光電池應(yīng)用的范圍 400nm— 1100nm，峰值波長在 850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。 1—— 硒光電池 2—— 硅光電池 (3) 頻率特性 光電池作為測(cè)量 、 計(jì)數(shù) 、 接收元件時(shí)常用調(diào)制光輸入 。 光電池的頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系 。 由于光電池 PN結(jié)面積較大 ， 極間電容大 ， 故頻率特性較差 。 圖示為光電池的頻率響應(yīng)曲線 。 由圖可知 ， 硅光電池具有較高的頻率響應(yīng) ， 如曲線 2， 而硒光電池則較差 ， 如曲線 1。 20 40 60 80 100 0 I / % 1 2 3 4 5 1 2 f / kHz 1—— 硒光電池 2—— 硅光電池 （ 4）溫度特性 光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。由圖可見，開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測(cè)量或控制精度等主要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池作為測(cè)量元件時(shí)，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。 20 0 40 60 90 40 60 UOC/ mV T / 186。C ISC UOC ISC / μA 600 400 200 UOC—— 開路電壓 ISC —— 短路電流 硅光電池在 1000lx照度下的溫度特性曲線 三、光敏二極管和光敏三極管 光電二極管和光電池一樣 ， 其 基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè) PN結(jié) 。 它和光電池相比 ， 重要的不同點(diǎn)是 結(jié)面積小 ， 因此它的頻率特性特別好 。 光生電勢(shì)與光電池相同 ， 但輸出電流普遍比光電池小 ， 一般為幾 μA到幾十 μA。 按材料分 ， 光電二極管有硅 、 砷化鎵 、 銻化銦光電二極管等許多種 。 按結(jié)構(gòu)分 ， 有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分 。 其中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管 。 國產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)電類型不同，分為 2CU和 2DU兩種系列。 2CU系列以 NSi為襯底， 2DU系列以 PSi為襯底。 2CU系列的光電二極管只有兩條引線，而 2DU系列光電二極管有三條引線。 1. 光敏二極管 光敏二極管符號(hào)如圖 。 鍺光敏二極管有 A， B， C， D四類；硅光敏二極管有 2CU1A～ D系列 、 2DU1～ 4系列 。 光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似 、 它裝在透明玻璃外殼中 ， 其 PN結(jié)裝在管頂 ， 可直接受到光照射 。光敏二極管在電路中一般是處于 反向工作狀態(tài) ， 如圖所示 。 P N 光 光敏二極管符號(hào) RL 光 P N 光敏二極管接線 光敏二極管在沒有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小。反向電流也叫做 暗電流 ．當(dāng)光照射時(shí)，光敏二極管的工作原理與光電池的工作原理很相似。當(dāng)光不照射時(shí)，光敏二極管處于載止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流即暗電流； 受光照射時(shí)， PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子 空穴對(duì)，從而使 P區(qū)和 N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下， P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入 N區(qū)， N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入 P區(qū)，從而使通過 PN結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流 。光敏二極管的光電流 I 與照度之間呈線性關(guān)系。光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測(cè)等方面的應(yīng)用。 （ 1） PIN管結(jié)光電二極管 PIN管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在 P型半導(dǎo)體和 N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對(duì)）很厚的本征半導(dǎo)體。這樣， PN結(jié)的內(nèi)電場就基本上全集中于 I 層中，從而使 PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。 由式 τ = CjRL與 f = 1/2πτ知， Cj小， τ則小，頻帶將變寬。 PSi NSi ISi PIN管結(jié)構(gòu)示意圖 最大特點(diǎn)：頻帶寬，可達(dá) 10GHz。另一個(gè)特點(diǎn)是，因?yàn)?I層很厚，在反偏壓下運(yùn)用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。由耗盡層寬度與外加電壓的關(guān)系可知，增加反向偏壓會(huì)使耗盡層寬度增加，從而結(jié)電容要進(jìn)一步減小，使頻帶寬度變寬。 不足： I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。目前有將 PIN管與前置運(yùn)算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個(gè)管殼內(nèi)的商品出售。 （ 2） 雪崩光電二極管 (APD) 雪崩光電二極管是利用 PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管 。 這種管子 工作電壓很高 ， 約 100～ 200V， 接近于反向擊穿電壓 。 結(jié)區(qū)內(nèi)電場極強(qiáng) ， 光生電子在這種強(qiáng)電場中可得到極大的加速 ， 同時(shí)與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng) 。 因此 ， 這種管子有很高的內(nèi)增益 ， 可達(dá)到幾百 。 當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時(shí) ， 電流增益可達(dá) 106， 即產(chǎn)生所謂的雪崩 。 這種管子響應(yīng)速度特別快 ， 帶寬可達(dá)100GHz， 是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管 。 噪聲大是這種管子目前的一個(gè)主要缺點(diǎn)。由于雪崩反應(yīng)是隨機(jī)的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時(shí)，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。但由于 APD的響應(yīng)時(shí)間極短，靈敏度很高，它在光通信中應(yīng)用前景廣闊。 2. 光敏三極管 光敏三極管有 PNP型和 NPN型兩種，如圖。其結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，具有電流增益 ,只是它的發(fā)射極一邊做的很大 ,以擴(kuò)大光的照射面積 ,且其基極不接引線。當(dāng)集電極加上正電壓 ,基極開路時(shí) ,集電極處于反向偏置狀態(tài)。 當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時(shí) ,會(huì)產(chǎn)生電子 空穴對(duì) ,在內(nèi)電場的作用下 ,光生電子被拉到集電極 ,基區(qū)留下空穴 ,使基極與發(fā)射極間的電壓升高 ,這樣便有大量的電子流向集電極 ,形成輸出電流 ,且集電極電流為光電流的 β倍。 P