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第三章 光电检测技术常用器件及应用2


第三章 光电检测技术常用器件及应用

1、光电器件的类型与特点
2、光电检测器件的特性参数 3、光电导器件---光敏电阻

主要内容

4、光生伏特效应------光电池 、光电二极管、光电三极管等 5、光电发射效应---光电管、光电 倍增管等 6、光热效应----热敏电阻、热电偶

光电池是根据光生伏特效应制成的将光 能转换成电能的一种器件。

我们通常把导电性差或不好的材料,如金刚石、人工晶体、琥 珀、陶瓷等等,称为绝缘体。而把导电性比较好的金属如金、 银、铜、铁、锡、铝等称为导体。可以简单的把介于导体和绝 缘体之间的材料称为半导体

半导体相关知识
1、I型半导体(本征半导体) 本征半导体(Intrinsic semiconductor)是完全纯净或 结构完整的半导体。

电子
自 由 电 子 和 空 穴 成 对 产 生

+
Si(硅原子)
Si +4
简化模型

+
Ge(锗原子)
Ge +4

+4
空穴

+4 +4

+4
共价键结构

2.P型半导体
在纯净的硅晶体中掺入三 价元素(如硼或铟),使 之取代晶格中硅原子的位 置,形成P(Positve正) 型半导体。三个价电子, 与相邻的半导体原子形成 共价键时,产生一个空穴。 硼原子成为不能移动的带 负电的离子。由于硼原子 接受电子,所以称为受主 空穴 原子。这种以价带中的空 穴为主导电的半导体,也 称为“空穴型半导体”。

+4

+4

硅 硼
+3 +4

3. N型半导体
在纯净的硅晶体中掺入五 价元素(如磷或锑),使 之取代晶格中硅原子的位 置,就形成了(Negative) 型半导体。五个价电子, 其中四个与相邻的半导体 原子形成共价键,必定多 出一个电子,它很容易被 激发而成为自由电子,该 原子就成了不能移动的带 正电的离子。每个五价原 子给出一个电子,称为施 主原子。这种半导体又称 为“电子型半导体”。

多余电子

+4

+4


+5 +4

PN结及其形成过程

杂质半导体的导电能力虽然比本征半导体极大增 强(约1012倍),但它们并不能称为半导体器件。在 电子技术中,PN结是一切半导体器件的“元概念” 和技术起始点。

PN结的形成
- - -

空间电荷区
- + + + + + + +

P区


- -

+ + + - - - 在一块晶片的两端分别注入三价 元素硼和五价元素磷 + + + - - - - - - + + +

N区

内电场

在P型和N型半导体组成 的PN结界面上,由于存 在多数载流子(电子或空 穴)的梯度,因而产生扩 散运动,形成内部电场, 内部电场产生与扩散相 反方向的漂移运动,直 到P区和N区的Ef 相同, 两种运动处于平衡状态 为止,结果能带发生倾 斜。

P区

耗尽层

N区

单独存在 时能级

理论证明:杂质带的 产生会使禁带宽度变 小.

耗尽层 P区 N区

平衡状态下的PN结动画演示

PN结的单向导电性

PN结反向偏置时的情况

4、光生伏特效应
? PN结的光生伏特效应:当用适当波长的光照射PN结时, 由于内建场的作用(不加外电场),光生电子拉向n区, 光生空穴拉向p区 (帮助少子漂移)
? 半导体内部产生电动势(光生电压);如将PN结短路,则 会出现电流(光生电流)。 利用少子导电

+



光电池的结构特点
? 光电池核心部分是一个PN结,一般作成面积大 的薄片状,来接收更多的入射光。

? 在N型硅片上扩散P型杂质(如硼),受光面是 P型层
? 或在P型硅片上扩散N型杂质(如磷), 受光面 是N型层

?受光面有二氧化硅抗反射膜,起到增透作 用和保护作用 ?上电极做成栅状,为了更多的光入射
?由于光子入射深度有限,为使光照到PN结 上, 实际使用的光电池制成薄P型或薄N型。

硅光电池结构和工作过程
当光作用于PN结时,耗尽区内的光生电子与空穴 在内建电场力的作用下分别向N区和P区运动,在 闭合的电路中将产生输出电流IL,且负载电阻RL 上产生电压降为U。显然有: U=ILRL
光电池输出电流IL应 包括光生电流IP、扩 散电流与暗电流等三 部分:

I L ? I P ? I D (e

qI L R L KT

? 1)

RL

光电池的特性
?1、伏安特性
无光照时,光电池伏安特性曲线与普通半导 体二极管相同。 有光照时,沿电流轴方向平移,平移幅度与 光照度成正比。

曲线与电压轴交点称为开路电压VOC,与电 流轴交点称为短路电流ISC。

光电池伏安特性曲线

?2、时间和频率响应
硅光电池频率特性好

硒光电池频率特性差
硅光电池是目前使用最广泛的光电池

? 要得到短的响应时间,必须选用小的负载电阻RL; ? 光电池面积越大则响应时间越大,因为光电池面 积越大则结电容Cj越大,在给定负载时,时间常 数就越大,故要求短的响应时间,必须选用小面 积光电池。

光谱响应度
? 硅光电池 响应波长0.4-1.1微米,

峰值波长0.8-0.9微米。
? 硒光电池 响应波长0.34-0.75微米, 峰值波长0.54微米。

光电池的光照特性
? 连接方式:开路电压输出---(a) 短路电流输出---(b)

? 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。 ? 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时趋于饱和。

? 光照特性--? 开路电压输出:非线性(电压---光强),灵敏度高 ? 短路电流输出:线性好(电流---光强) ,灵敏度低 ? 开关测量(开路电压输出),线性检测(短路电流输 出)

? 负载RL的增大线性范围也越来越小。 ? 因此,在要求输出电流与光照度成线性关系时, 负载电阻在条件许可的情况下越小越好,并限制 在适当的光照范围内使用。

光电池应用
?1、太阳能转变为电能—太阳能电池 ?2、光电检测器件

?太阳能庭院灯。它们可以在白天生成并储 存自己的能量,然后在夜晚间释放能量。 这就像卫星一样,当位于行星有阳光的一 面时,它可以储存太阳能;当它在背光的 一面时,则使用所储存的能量。

太阳能庭院灯的典型构造
?它由以下元件构成: ?一个塑料外壳 ?顶部的一块太阳能电池 ?一个单块的AA镍镉电池 ?一个小的控制器板 ?一个LED光源 ?一个光敏电阻器,用于检测黑暗

?在这一模块的另外一面,是四个电池组成 的太阳能电池阵(大小为5厘米x5厘米)和 光敏电阻器:

光敏电阻器

储能 电池 K

CdS

常闭

照明灯自动控制电路

? 太阳能电池通过一个二极管 (可以防止电池的电流在夜间 流回太阳能电池)直接与电池 连接。电池是一个完全标准的 灯 AA镍镉电池。这样的一块电池 可以产生约1.2伏的电压,最多 可储存约700毫安时的电量。 在白天,电池进行充电,除了 冬季白天较短的日子或者天气 非常阴的日子外,都可以达到 最大充电量。

?充满电时,镍镉电池能 使LED亮起约15小时。

照度计
光的照度E 的单位是lx(勒 克斯),它是常 用的光度学单位 之一,它表示受 照物体被照亮程 度的物理量,可 以用照度计来测 量。 光电池

(外加柔光罩)

光电式浊度计和含沙量测量
将装有浊水 的试管插入 仪器中

光电式浊度计工作原理

参比通道
1—恒流源 2—半导体激光器 3—半反半透镜 4—反射镜 5—被测水样 6、9—光电池 7、10—电流/电压转换器 8—标准水样

其他应用
1. 硅系太阳能电池
1) 单晶硅太阳能电池 优点:转化率高 (24.4%) ,技术最为成熟 缺点:成本高,基底厚度达350--450? m。 提高转化率的途径:单晶硅表面微结构处理和分区掺 杂工艺 德国费莱堡太阳能系统研究所保持至世界领先水平

2) 多晶硅薄膜太阳能电池 优点:成本低,转化率不衰退 缺点:转化率较低 (18%) 制备方法:多采用化学气相沉积法,还有液相 外延法和溅射沉积法 3) 非晶硅薄膜太阳能电池 优点:成本低 缺点:转化率低 (13%) 制备方法:多采用化学气相沉积法,还有液相外 延法和溅射沉积法 解决方法:制造叠层太阳能电池

2. 多元化合物薄膜太阳能电池
主要包括:砷化镓、硫化镉、碲化镉及铜铟硒 薄膜电池 硫化镉(CdS) 、碲化镉(CdSe) :镉有剧毒,不 理想 砷化镓(GaAs):高转化率 (37.4%),成本高。 能隙1.42eV,光谱响应可见和紫外,温度特 性好,已开始用于空间太电池 铜铟硒(CuInSe2) :优点:转化率高 (17%),价 格低廉,性能良好,工艺简单。缺点:铟和 硒都是稀有元素,发展受限

3. 有机太阳能电池
工作原理:有机半导体产生的电子和空 穴束缚在激子之中,电子和空穴在界面(电 极和导电聚合物的结合处)上分离。 优点:价格低、易成形、可通过化学修 饰调控性能

4. 纳米晶化学太阳能电池
工作原理:染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态,激发 态不稳定,电子快速注入到紧邻的TiO2的导带,染料分 子中失去的电子很快从电解质中的导补偿,进入 TiO2 导带中的电子最终进入导电膜,然后通过外回路产生光 电流。优点:成本低廉,转化率已稳定在10%以上,寿 命达15—20年。

太阳能电池发电站
太阳能电池板:将太阳的辐射能 力转换为电能,或送往蓄电池中 存储起来,或推动负载工作。 太阳能控制器:控制整个系统的工作状态,并对蓄电池 起到过充电保护、过放电保护的作用。 蓄电池:在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储 存起来,到需要的时候再释放出来。 逆变器:将太阳能发电系统所发出的直流电能(12VDC、 24VDC、48VDC)转换成交流电能(220VAC、110VAC)

目前太阳能发电的上网电价则 约为3.5元/千瓦时,是普通发电 机组上网电价的10倍左右

1954年美国贝尔实验 室制成了世界上第一 个实用的太阳能电池, 效率为4%,于1958年 应用到美国的先锋1号 人造卫星上。 我国1958年开始进行 太阳能电池的研制工 作,并于1971年将研 制的太阳能电池用在 了发射的第二颗卫星 上。

1974年世界上第一架太阳能电池飞机在美国首次试飞。 现在,最先进的太阳能飞机,飞行高度可达2万多米,航 程超过4000公里。

Honda dream, the winning car in the 1996 World Solar Challenge.

BIPV并网光伏系统

瑞士学生公寓上的玻璃幕墙

日本AriaKa摄影工作室外的光伏系统

日本sanyo 1MW的屋顶

德国旭格 国际集团 安装的一 个建筑屋 顶项目

太阳能凉帽

太阳电池的应用

屋顶太阳能发电并网系统

太阳能交通指示系统

太阳电池庭院灯

太阳电池玩具

太阳电池鱼缸

太阳电池厕所

韩国的风力发电和太阳能发电互补系统

将来的太阳能车

太阳能建材一体化零能住宅


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