光生伏特效应
传感器与检测技术 开卷简答题
1、光生伏特效应如何产生？答：当光照射到距表面很近的PN节时，如果光能足够大，光子能量大于半导体材料的禁带宽度，电子就能从价带跃迁到导带，成为自由电子。
由于光生电子、空穴在扩散过程中会分别于半导体中的空穴、电子复合，因此载流子的寿命与扩散长度有关。
只有PN结距表面的厚度小于扩散长度，才能形成光电流产生光生电动势。
2、什么是压电效应？压电传感器有哪些？答：当某些晶体沿一定方向伸长或压缩时，在其表面上会产生电荷，这种效应成为压电效应。
压电传感器有压电加速度传感器、压电谐振式传感器、声表面波传感器。
3、当吸附膜是绝缘材料、导电体或金属氧化物半导体时，SAW气敏传感器的敏感机理？答：当薄膜是绝缘材料时,它吸附气体引起密度的变化,进而引起SAW延迟线振荡器频率的偏移;当薄膜是导电体或金属氧化物半导体膜时,主要是由于导电率的变化引起SAW延迟线振荡器频率的偏移。
4、简说马赫―泽德(Mach―Zehnder)干涉仪的工作原理。
5、简述光纤传感器的优点？1.具有很高的灵敏度2.频带宽动态范围大3.可根据实际情况做成各种形状4.可以用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器，这些物理量包括声场、磁场、压力、温度、加速度、转动、位移、液位、流量、电流、辐射等等。
5.便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测和控制。
6.可用于高温、高压、强磁干扰、腐蚀等各种恶劣环境。
7.结构简单、体积小、重量轻、耗能少。
6、相位跟踪系统是由什么组成的并简述它的功能？相位跟踪系统是由电路系统和光纤相位调制器组成的。
1.抵消任何不必要的大的低频相位漂移，使干涉仪保持平衡，2.提供保证干涉仪在正交状态下工作的相移。
7、什么叫安时特性流过热敏电阻的电流与时间的关系，称为安时特性8、数值孔径的定义光从空气入射到光纤输入端面时，处在某一角锥内的光线一旦进入光纤，就将被截留在纤芯中，此光锥半角的正弦称为数值孔径9、什么叫绝对湿度在一定温度和压力条件下，单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量为绝对湿度10、光纤优点：1抗电磁干扰能力强2柔软性好3光纤集传感与信号传输与一体，利用它很容易构成分布式传感测量11、光纤分类：一功能型①光强度调制型②光相位调制型③光偏振态调制型二非功能型①光线位移传感器②光纤温度传感器12、光导纤维为什么能够导光？光导纤维有哪些优点？光纤式传感器中光纤的主要优点有哪些？答：光导纤维工作的基础是光的全内反射，当射入的光线的入射角大于纤维包层间的临界角时，就会在光纤的接口上产生全内反射，并在光纤内部以后的角度反复逐次反射，直至传递到另一端面。
传感器名词解释
8、电涡流效应 电涡流的产生要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化的物理现象。
9、零点残余电压 指衔铁位于中间位置时的差动输出电压。
10、应变效应：导体和半导体材料在外力作用下产生机械变形，其电阻发生变化的现象
11、热电效应：两种不同的金属导体组成闭合回路，用酒精灯加热其中一个接触点（结点），发现放在回路中的指南针发生了偏转，如果用两个酒精灯对两个结点同时进行加热，指南针偏转的角度反而减小，由此可知闭合回路中存在电动势并且有电流产生。电流的强弱与两个结点的温度有关的现象
6、正压电效应：又称顺压电效应，指某些电介质，当沿一定方向对其施加压力而其变形时，它的内部就会产生极化的现象，同时在它的两个表面会产生极性相反的电荷，当施加的压力去掉后，他又重新恢复不带电的状态；当压力的作用方向改变时。它内部的极性也随着改变。
7、逆压电效应：又称电致伸缩效应，是指当在电解质的极化方向施加电场，这些电解质就会在一定的方向上产生机械变形或机械压力，当施加的电场撤去时，这些机械变形或机械压力也随之消失的现象。
一、名词解释
1、传感器：指能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的元件或装置。
2、绝对误差：指被测量的测量值与被测量的真值之间的差值。
3、外光电效应：指在光线的作用下使电子逸出物体表面的光电效应。
4.、内光电效应：指在光的作用下使物体的电阻率发生改变的光电效应。
5、光生伏特效应：指在光线照射下，半导体材料吸收光能后，引起PN结两端产生电动势的现象。
12、霍尔效应：把霍尔元件置于磁感应强度为B的磁场中时，磁场方向垂直于霍尔元件，当有电流I流过霍尔元件时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生感应电动势，这种现象称为霍尔效应。
内光电效应
内光电效应当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。
根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类：（1）光电导效应在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。
基于这种效应的光电器件有光敏电阻。
过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。
为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即式中ν、λ分别为入射光的频率和波长。
材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限λ0，只有波长小于λ0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。
（2）光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。
基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。
①势垒效应（结光电效应）。
接触的半导体和PN 结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。
以PN 结为例，光线照射PN 结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N 区外侧，被光激发的空穴移向P 区外侧，从而使P 区带正电，N 区带负电，形成光电动势。
②侧向光电效应。
当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。
当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照。
光生伏特效应及原理
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光生伏特效应
光生伏特效应：当阳光照射到PN结上，产生电子——空穴对，在半导体内部结附生成载流子没有被复合而达到空间电 荷区，受内建电场的吸引（不加外电场），电子流入N区，空穴流入P区，结果使N区存储了过剩的电子，P区有过剩的 空穴。它们在PN结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了抵消势垒电场作用外，还使P区带正电，N区带 负电，在N区和P区之前就的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。
栅指形状（减少接触电阻，尽量少挡住阳光）
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此时，如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能成正比的电流流过，这个电流称作短路电流。另一方面，若 将PN结两端开路，则由于电子和空穴分别流入N区和P区，使N区费米能级比P区费米能级高，在这两个费米能级之间 就产生了电位差Voc，可以测得这个值，值称为开路电压。
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光生伏特效应
P-N的结光生伏特效应：
n区运动，使p端电势升高，n端电势降低； 所以，光生电场由p端指向n端，使势垒降低，产生正向电流IF； 由于空穴向p区运动，所以在p-n结内部形成自n区向p区的光
生电流IL
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光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
1.P-N结电流方程
qV
I IL IF IL IS (e kT 1)
I：负载电流；
IL：光生电流； Is：P-N结反向饱和电流； V：P-N结两端电压；
光电池：利用半导体的光生伏特效应，而将光能转换成电能的装置。即将p-n结与外电路接通，只要光照不停止， 就会有源源不断的电流流过电路，p-n结起到了电源的作用。这类装置叫光电池。
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光生伏特效应
光伏发电原理
光伏发电原理光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。
这种技术的关键元件是太阳能电池。
太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。
[1]光生伏特效应如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P 型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子－空穴对。
界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。
电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。
通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。
此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。
对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.5～0.6V。
通过光照在界面层产生的电子－空穴对越多，电流越大。
界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。
[2]编辑本段原理太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。
这就是光电效应太阳能电池的工作原理。
一、太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。
（1）光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。
前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍。
（2）光—电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。
太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。
光生伏特效应的工作原理
光生伏特效应的工作原理光生伏特效应（Photovoltaic Effect）是指在特定材料中，当光照射到其上时，会引发电荷的分离和产生电流的现象。
这一效应是太阳能电池及其他光电器件运转的基础，其工作原理的理解对于光伏发电等领域的研究和应用具有重要意义。
光生伏特效应的工作原理可以通过以下几个方面来解释。
1. 半导体特性在解释光生伏特效应之前，有必要了解半导体材料的基本特性。
半导体属于介于导体和绝缘体之间的一类材料，其导电特性可以通过控制材料中的杂质和缺陷来改变。
常用的半导体材料有硅和锗。
2. 光的能量转化当光照射到半导体材料的表面时，光子的能量会被材料中的原子或分子吸收，并促使电子跃迁到更高能级。
这个过程涉及到光子的能量大于电子与原子结合所需的能量。
3. 电子的分离与漂移在光照射后，能量较高的电子和空穴（所谓的缺电子位）被激发出来。
电子和空穴以不同的方式分离并朝相反的方向运动。
这个分离过程发生在材料内部的PN结，其中P区富含空穴，N区富含自由电子。
4. 电势差的产生当电子和空穴分离后，由于它们分别位于不同的区域，就形成了电荷堆积和电势差。
这个电势差会引导形成电流，并产生电压差，即光生电动势。
根据奥姆定律，电流与电压成正比。
5. 界面效应光生伏特效应还与半导体与其他电子器件之间的界面有关。
当光生电荷流经半导体与外部电路之间的接触面时，界面效应会影响电流和电压的传输，并可能导致功率损耗或效率降低。
总结回顾：光生伏特效应是光电效应的基础，通过光照射到半导体材料中，产生电子与空穴的分离和漂移，从而产生电流和电势差。
这个效应在太阳能电池及其他光电器件中被利用，通过光的能量转化为电力。
在应用上，光生伏特效应的工作原理可以用来解释太阳能发电、太阳能电池及其他光电器件的运行原理，以及如何提高其效率和稳定性。
我的观点和理解：光生伏特效应的工作原理深入浅出地阐述了光照射到半导体材料时产生的电势差和电流的产生过程。
这一理论对于我个人对于太阳能发电和光电器件的了解提供了重要基础。
光电效应总结
★光电效应光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象。
在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。
光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。
科学家们在研究光电效应的过程中，物理学者对光子的量子性质有了更加深入的了解，这对波粒二象性概念的提出有重大影响定律定义光电效应光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。
这类光变致电的现象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect）。
光电效应分为光电子发射、光电导效应和阻挡层光电效应，又称光生伏特效应。
前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。
后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。
按照粒子说，光是由一份一份不连续的光子组成，当某一光子照射到对光灵敏的金属(如硒)上时，它的能量可以被该金属中的某个电子全部吸收。
电子吸收光子的能量后，动能立刻增加;如果动能增大到足以克服原子核对它的引力，就能在十亿分之一秒时间内飞逸出金属表面，成为光电子，形成光电流。
单位时间内，入射光子的数量愈大，飞逸出的光电子就愈多，光电流也就愈强，这种由光能变成电能自动放电的现象，就叫光电效应。
赫兹于1887年发现光电效应，爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应（金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子）。
光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。
临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释。
还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累住足够的能量，飞出金属表面。
可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，电子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。
正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。
太阳电池工作原理简介
太阳电池工作原理简介PN结光生伏特效应的原理{光的吸收{空穴、电子对的产生{载流子的分离{产生光生电动势当一束光照射到半导体表面上，被半导体材料吸收的光会激发材料内的电子从价带跃迁到导带，从而产生电子空穴对；若电子空穴对产生于PN结内部，电子空穴对立刻就会被很强的PN结内建电场分离，空穴向P区运动，电子向N区运动，并被扫出势垒区；对于光在PN结势垒区外激发产生的电子空穴对，只要它们热运动到势垒区边缘，N区势垒边缘处的空穴会被立刻扫入势垒并渡越势垒进入P区，而P区势垒边缘处的电子则会被立刻扫入势垒并渡越势垒进入N区；这样会建立起从基区到势垒区以及发射区到势垒区的少数载流子的浓度梯度，使得光照在基区和发射区产生的非平衡少数载流子通过扩散运动源源不断地到达势垒区边缘，并被PN结内建电场扫入对方形成多数载流子；由此可知，光照产生的空穴会在P区积累，使P区的电势升高；光照产生的电子会在N区积累，使N区的电势降低；从而在PN结两端建立起光生电动势（与PN结内建电场的方向相反，并使PN结正向偏置）。
如果将PN结两端与包含负载的外电路相连，光生电动势就会在回路中产生电流，从而对负载做功，这就是太阳电池的基本工作原理——光生伏特效应。
太阳电池的等效电路图I L 代表光生电流，一个处于恒定光照下的太阳电池，其光电流不随负载变化，可以看成是一个恒流源；由于光生电动势使PN结正向偏置，因此存在一个流经二极管的漏电流，该电流是非线性的，并与光生电流的方向相反，会抵消部分光生电流，被称为暗电流ID ；由于存在电池边缘漏电或PN结结区漏电，用Rsh 代表太阳电池的并联电阻；Rs是太阳电池的串联电阻，它主要由金属电极与半导体材料的接触电阻造成。
太阳电池的工作特性方程二极管反向饱和电流的物理意义二极管反向饱和电流的表达式P max1/Rm•短路电流I•最佳工作点：当负载阻值从0→∞变化时，总存在一个负载值R m ，它可从太阳电池获得最大的输出功率P m 。
太阳电池原理及基本特性
பைடு நூலகம்
第二节 太阳电池原理及基本特性
太阳电池原理及基本特性
目录
p-n结的光生伏特效应 结的光生伏特效应 太阳电池的电流电压特性 太阳电池的电流电压特性 太阳电池的基本参数 如何提高电池的光电转换效率 太阳辐射基本知识
太阳电池原理及基本特性
1. p-n结的光生伏特效应
当用适当波长的光照射非均匀半导体（ 当用适当波长的光照射非均匀半导体（p-n结等）时， 适当波长的光照射非均匀半导体 结等） 由于内建场的作用（不加外电场），半导体内部产生电动势 由于内建场的作用（不加外电场），半导体内部产生电动势 ）， （光生电压）；如将p-n结短路，则会出现电流（光生电流 光生电压）；如将p 结短路，则会出现电流（ ）；如将 ）。这种由内建场引起的光电效应称为光生伏特效应。 ）。这种由内建场引起的光电效应称为光生伏特效应。 这种由内建场引起的光电效应称为光生伏特效应
hν ≥ Eg
前电极
太阳电池基本结构
太阳电池原理及基本特性
1. p-n结的光生伏特效应
平衡p-n结： 在p-n结处形成耗尽区，其 中存在着势垒电场，该电场的方 向由n区指向p区。 ——内建电场
光照：在N区、耗尽层P区产生电子-空穴对。多数载流子浓 度改变较小，而少数载流子浓度变化很大，主要研究少数 载流子的运动。
(
qV k0T
−1
)
k0T IL − I V= ln +1 q IS
（1）开路电压 Voc p-n结开路情况下，R=∞，此时流经R的电流 I=0 ，则得： IL = ID
太阳电池原理及基本特性
3. 太阳电池的基本参数
开路电压为：
k0T IL Voc = q ln +1 IS
光电效应
1 2
（1-87）
抛物线关系。 进行微分得
1 1 bd e,2 dg q d e, 3 2 h K l f
1 2
（1-88）
在强辐射作用的情况下半导体材料的光电导灵敏度 不仅与材料的性质有关而且与入射辐射量有关，是 非线性的。
补充例题：倘若已知光生伏特器件的光电流分 别： I Φ1=300mA ，I Φ2=100mA ,且 IΦ >> ID ，测得开路 电压为： 求开路电压 UOC1= ？设T=300K UOC2=520mV，
解：因为 IΦ >> ID 所以 U OC
KT I ln( 1) q ID
可以写成： U OC
3. 丹培（Dember）效应
如图1-13所示，当半导体材料的一部分被遮蔽，另一部分 被光均匀照射时，在曝光区产生本征吸收的情况下，将产生高 密度的电子与空穴载流子，而遮蔽区的载流子浓度很低，形成
浓度差。
这种由于载流子迁
移率的差别产生受
照面与遮光面之间 的伏特现象称为丹 培效应。
丹培效应产生的光生电压可由下式计算
光电效应。
外光电效应中光电能量转换的基本关系为
1 2 h mv0 Eth 2
表明，具有能量的光子被电子吸收 后，只要光子的能量大于光电发射 材料的光电发射阈值Eth，则质量为 m的电子的初始动能便大于0。
（1-99）
光电发射阈值Eth的概念是建立在材料的能带结构基础上
的，对于金属材料，由于它的能级结构如图1-15所示，
U OC
KT I ln( 1) q ID
（1-91）
光电二极管在反向偏置的情况下，输出的电流为
第三章光生伏特器件2-1介绍
其中的小实箭际头上表，示不正是向不电能流加的正方向向电（压普，通只整是流正二极管中规 定的正方接向以）后，就光与电普流通的二方极向管与一之样相，反只。有图单中向的前极为光 照面，后导极电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ性背，光而面表。现不出它的光电效应。
2、光电二极管的电流方程
在无辐射作用的情况下（暗室中），PN结硅光电二 极管的正、反向特性与普通PN结二极管的特性一样，如 图3-2所示。其电流方程为
限制PN结硅光电二极管时间响应的主要因素。
另一个因素是PN结电容Cj和管芯电阻Ri及负载电阻 RL构成的时间常数τRC，τRC为
PN结电容由势垒电R容C Cc b和j(扩Ri散电R 容L)Cd组成。（3-5）
普电势负垒 离容通电子CP容，Nj常各C结为b具是硅几有由光一个空电定间P二的f电，电荷极在量区管负。引的当载起管外的电加芯。阻反空内R向间阻L低电电R压荷于i约变区5大为0内0时有2Ω5，不时0空能Ω，间移，时电动P荷间的N区正结常 数 变宽也，在存n储s的数电量荷级量。增但加；是当，外当加负反载向电电压阻变R小L很时，大空时间，电时荷区间变常
•与光电池相比：
共同点：均为一个PN结，利用光生伏特效应， SiO2保护膜
不同点： （1）结面积比光电池的小，频率特性好
（2）常在反偏压下工作 （3）衬底材料的掺杂浓度不同，光电池高
•国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为 2CU和2DU两种系列。
光电二极管可分为以P型硅为衬底的2DU型与以N型 硅为衬底的2CU型两种结构形式。 图3-1（a）所示的为2DU型光电二极管的原理结构图。 图3-1（b）为光电二极管的工作原理图 图3-1（c）所示为光电二极管的电路符号
PIN型光电二极管
为了提高PN结硅光电二极管的时间响应，消除在PN 结外光生载流子的扩散运动时间，常采用在P区与N区之 间生成I型层，构成如图3-6（a）所示的PIN结构光电二 极管，PIN结构的光电二极管与PN结型的光电二极管在外 形上没有什么区别，都如图3-6（b）所示。
光电效应1
光电式传感器
在PN结交界面出N型一侧，剩下一层失掉电子 的带正电的施主原子，P型一侧剩下一层失去空穴的 受主原子，并在二者之间形成内电场，方向由N指向 P。当电场达到一定大小时，电子和空穴不再运动， 稳定下来。
PN结产生光生伏特的原因，就是因为光照在 PN结上时，如果光子能量大于半导体的禁带宽度， 则载流子吸收光子能量穿过禁带，形成自由电子和 自由空穴。这些自由电子——空穴对在PN结内部电 场作用下向外运动，于是在PN结两侧产生光生电动 势。由于光生电子、空穴在扩散中会复合，因此， 只有PN结的厚度小于扩散长度，才会有电动势产生。 可以利用这一点调节器件的特性。
为响应。反应用电压或电流表示。对可见光常用
的有流明灵敏度和勒克斯灵敏度。流明灵敏度
S1m
光电流（A） 光通量（lm）
光电式传感器
勒克斯灵敏度
S1 x
光电流（A） 受光面照度（lx）
投射到传感器的光通量即使相同,如果光谱能量 分布不同时 ,灵敏度也不同。因此 ,在测定灵敏度时
吸收系数、发射电子的深度、表面的亲和力等因素有 关;e为电子电荷量。
光电式传感器
(3)光电子逸出物体表面具有初始动能。因此
光电管即使未加阳极电压，也会有光电流产生。
为使光电流为零，必须加负的截止电压，而截止
电压与入射光的频率成正比。
光电式传感器
1.2内光电效应
内光电效应分为两类：光电导效应和光生伏特效应。 1. 光电导效应 入射光强改变物质导电率的物理现象,叫光电导 效应。这种效应几乎所有高电阻率半导体都有。这是由 于在入射光作用下，电子吸收光子能量，从价带激发到 导带，过渡到自由状态,同时价带也因此形成自由空穴， 致使导带的电子和价带的空穴浓度增大，引起材料电阻 率减小。为使电子从价带激发到导带,入射光子的能量 E0应大于禁带宽度Eg即光的波长应小于某一临界波长λ0。
光电效应
光电发射器件具有许多不同于内光电器件的特点：
1. 电发射器件中的导电电子可以在真空中运动，因此，可以通
过电场加速电子运动的动能，或通过电子的内倍增系统提高光电探
测灵敏度，使它能高速度地探测极其微弱的光信号，成为像增强器
与变相器技术的基本元件。 2. 很容易制造出均匀的大面积光电发射器件，这在光电成像器 件方面非常有利。一般真空光电成像器件的空间分辨率要高于半导 体光电图像传感器。
生电流的现象。
p Bh+
n As+
(a)ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
e–
M etallurgical Junction
耗尽区
M E (x)
M
Neutral p-region
Eo
Neutral n-region
朩p
0
Wn
x
(e)
内建电场
M log(n), log(p) p po Wp Wn
(b)
Eo V(x)
Space charge region
下，将产生高密度的电子与空穴载流子，而遮蔽区的载
流子浓度很低，形成浓度差。 这种由于载流子迁移率
的差别产生受照面与遮
光面之间的伏特现象称 为丹培效应。
丹培效应产生的光生电压可由下式计算
KT n p n p n0 ln1 UD n p q n p 0 n 0 p
3. 光电发射器件需要高稳定的高压直流电源设备，使得整个探
测器体积庞大，功率损耗大，不适用于野外操作，造价也昂贵。 4. 光电发射器件的光谱响应范围一般不如半导体光电器件宽。
习题
光伏发电工程技术习题答案
《光伏发电工程技术》教材习题答案习题11.简述太阳能电池的工作原理。
答：光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。
其工作原理如下：当太阳光照射到半导体表面，半导体内部N区和P区中原子的价电子受到太阳光子的冲击，通过光辐射获取到超过禁带宽度E g的能量，脱离共价健的束缚从价带激发到导带，由此在半导体材料内部产生出很多处于非平衡状态的电子—空穴对。
结合图1-7所示，光生电子－空穴对在耗尽区产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推向N区，光生空穴被推向P区：在N区中光生电子－空穴对向P－N结的边界扩散，一旦达到耗尽区的边界，立即受到内电场的作用，空穴推入P 区，而光生电子则被留在N区；P区中的光生电子（少子）则同样的先扩散，后在电场力的作用下被推入N区，光生空穴则留在P区。
因此，在P区有过剩的空穴，在N区有过剩的电子，如此便在P－N结两侧形成了正负电荷的积累，产生与势垒电场方向相反的光生电动势，也就是光生伏特效应。
将半导体做成太阳能电池并外接负载后，光电流从P区经负载流至N区，负载即得到功率输出，太阳能便变成了电能。
2.说明光伏发电系统的组成及各个部分的作用。
答：光伏发电系统通常由太阳能电池组件（太阳能电池板或光伏组件）、蓄电池组、控制器、逆变器等几部分构成。
太阳能电池组件也叫太阳能电池板，是太阳能发电系统中的核心部分，是能量转换的器件，其作用是将光能转换成电能。
蓄电池的作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。
控制器的作用是使太阳能电池和蓄电池高效、安全、可靠的工作，以获得最高效率并延长蓄电池的使用寿命，能自动防止蓄电池过充电和过放电。
逆变器的作用是将直流电转换成交流电的设备。
3.光伏发电系统的一般分类如何？各种类型光伏发电系统的工作原理如何？答：光伏发电系统分为独立系统、并网系统。
独立光伏发电也叫离网光伏发电。
主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器，结合图1-10所示。
光电传感器原理
当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强 成正比。即光强愈大，意味着出的电子数也就越多。
1.2 内光电效应
当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象 叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效 应分为光电导效应和光生伏特效应两类：
光电导效应
在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态， 而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种 效应的光电器件有光敏电阻。
2）主要参数
（1）倍增系数M 倍增系数M 等于n个倍增电极的二次电子发射系数δ的乘积。如果 n个倍增电极的δ都相同，则 ，因此，阳极电流 I 为 n M =δi i —光电阴极的光电流 I =i ⋅δ n 光电倍增管的电流放大倍数β为： = n I i β =δ M与所加电压有关，M在105~108之间，稳 定性为1％左右，加速电压稳定性要在 0.1％以内。如果有波动，倍增系数也要 波动，因此M具有一定的统计涨落。一般 阳极和阴极之间的电压为1000~2500V， 两个相邻的倍增电极的电位差为50~100V。 对所加电压越稳越好，这样可以减小统 计涨落，从而减小测量误差。
1—硒光电池； 2—硅光电池
(3) 频率特性 1—硒光电池； 2—硅光电池
硅 光 电 池 的 光 照 特 性
负载对光电池输出性能的影响
(4) 温度特性
UOC—开路电压； ISC—短路电流
3.光敏二极管
光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。它和 光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特 别好。光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小， 一般为几μA到几十μA。按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、 锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之 分。其中最典型的是同质结硅光敏二极管。
太阳能电池及特性
光生电流密度Jph理论极限值/mAcm-2
90
80
70
黑体辐射
60 AM0
50
40
AM1.5
30
20
10 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
禁带宽度Eg/eV
§4.1 PN结的光生伏特效应
§4.1.2 光电压
光照射在p-n结的太阳能电池时，由于光生伏特效应，在 p-n结两端形成与内建电场相反的电动势，即光生电压。
光子的数量的比例。
W
QE 0 GR(x)CP(x)dx
量子效率与波长相对应，即与光子能量相对应。 如果某个特定波长的所有光子都被吸收，并且其所产生的
少数载流子都能被收集，则这个特定波长的所有光子的量 子效率都是相同的。 而能量低于禁带宽度的光子的量子效率为零。
§4.1.1 光生电流
通常，波长小于350nm的光子的量子效率不予测量，因为 在1.5大气质量光谱中，这些短波的光所包含能量很小。
§4.2.1 理想太阳能电池的伏安特性
短路电流Isc ： 将太阳电池短路，V=0，则ID=0，所得电流为短路电流ISC
I SC I ph
短路电流Isc是太阳能电池能输出的最大电流 开路电压Voc ： 太阳能电池开路，输出电流I=0，即Iph=ID：
特性。 在耗散区的所有光生载流子的收集概率都是相同的，因为
在这个区域的电子空穴对会被电场迅速地分开。 在远离电场的区域，其收集概率将下降。 当载流子在与电场的距离大于扩散长度的区域产生时，那
么它的收集概率是相当低的。
§4.1.1 光生电流
收集概率： 当载流子在与内建电场外的区域产生时，非平衡少数载流 子边扩散边复合，它扩散到内建电场边界的概率，既是收集 概率。在N区产生的空穴的收集概率如式
光电效应(精)
指在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象。光 敏电阻即属此类光电器件。
3 、光生伏特效应（阻挡层光电效应，光生伏打效应）
利用光势垒效应，即在光的照射下，物体内部产生一定方 向的电动势的现象，又将之称为阻挡层光电效应。 光电池、光敏二极管、光敏三极管等属于这类光电器件。 由于光电器件响应快、结构简单，而且有较高的可靠 性等优点，在自动测试及控制中得到极为广泛的应用。
光电效应
光电效应即是由于物体吸收了能量为E的光后产生 的电效应。从传感器的角度看光电效应可分为三大类型：
外光电效应 内光电效应 光生伏特效应（阻挡层光电效应）
1、外光电效应
指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。光 电管及光电倍增管均属这一类光电器件。它们的光电发射 极，即光阴极就是用具有这种特性（即外光电效应）的 材料制造的。
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应用物理系
第二章 光电检测技术基础
教学内容： 2.1 光的基本性质 2.2 辐射与光度学量
2.3 半导体基础知识
2.4 光电效应
思
考
1、在远离家时如何防盗并报警？
2、在太空中靠什么拍摄出清晰图片？ 3、在大型石化工厂中如何发现险情并及时处理？
§2.4 光电效应
光电检测器件：对各种光辐射进行接收和探测的器件
一、光子效应和光热效应
光子效应(photonic effect )
指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光 电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电 子状态的改变。光子能量的大小直接影响内部电子状态的改 变。 利用光子效应进行探测的器件称为光子探测器
特点
•对光波频率表现出选择性 •光子探测器响应速度一般比较快
U
无光照时，给样品施加 电压U，通过的电流为暗电流 ： SU I d Gd U d L
§2.4 光电效应
光
本征半导体样品 S
L A
(2)有光照时，样品吸收光子 能量产生光生载流子，材料处于 亮态，具有亮电导
亮电导 Gl l S L
对应的电流为亮电流
U
SU I l Gl U l L
§2.4 光电效应
二、光子效应类型
• 外光电效应：物质受到光照后向外发射电子的 现象，其多发生于金属&金属氧化物
光电发射效应、光电倍增效应
• 内光电效应：物质受到光照后所产生的光电子 只在物质内部运动而不会逸出物质外部的现象， 其多发生于半导体内。
光电导效应、光生伏特效应、光电磁等
§2.4 光电效应
光电探测器件
热电探测元件 光子探测元件
外光电效应
内光电效应
非放大型 真空光电管 充气光电管
放大型 光电倍增管 像增强器 摄像管 变像管
光电导探测器
光磁电探测器
光生伏特探测器
本征型
掺杂型
非放大 光电池 光电二极管
放大型 光电三极管 光电场效应管 雪崩型光电二极管
光敏电阻 红外探测器
§2.4 光电效应
1 E k mv 2 0 2
E ：光电发射体的功函数
电子离开发射体表面时的动能
§2.4 光电效应
截止（红限）频率
E h
c
截止（红限）波长
h 6.6 1034 J s 4.131015 eV s c 3 1014 m / s 3 1017 nm / s
§2.4 光电效应
2. 很容易制造出均匀的大面积光电发射器件，这在光电 成像器件方面非常有利。一般真空光电成像器件的空间 分辨率要高于半导体光电图像传感器。 3. 光电发射器件需要高稳定的高压直流电源设备，使得
整个探测器体积庞大，功率损耗大，不适用于野外操作，
造价也昂贵。 4. 光电发射器件的光谱响应范围一般不如半导体光电 器件宽。
(3)光电导：G p Gl Gd SU 光电流：I p I l I d L 其中，为光致电导率的变化量。
hc 1.24 c ( m) E E (eV )
§2.4 光电效应
光电发射器件的特点： 1. 光电发射器件中的导电电子可以在真空中运动，因此，
可以通过电场加速电子运动的动能，或通过电子的内倍增系统
提高光电探测灵敏度，使它能高速度地探测极其微弱的光信号， 成为像增强器与变相器技术的基本元件。
数器、光电控制照明、
自动安全保护等，用于 夜间或淡雾中探测红外 线目标，红外通信、导 弹制导等。
§2.4 光电效应
本征半导体&杂志半导体都能产生光电导效应，当光 子能量大时，易于产生本征光电导；当光子能量小时， 易于发生杂质光电导。
1.24 (m) c Eg (eV )
( 本征)
Eg
§2.4 光电效应 光热效应(photothermal effect )
探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状 态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起 探测元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性 质或其他物理性质发生变化。
例如：家庭式热释电红外探测器
特点
•原则上对光波频率没有选择性
§2.4 光电效应
四、光电导效应
导体材料:电阻率，电导率一般为常数；
半导体材料：电阻率，电导率一般不再是常数。
1、定义： 半导体受光照射后，其内部产生光生载流子，使半导 体中载流子数显著增加而电阻减小的现象。 光电导现象——半导体材料的“体”效应
§2.4 光电效应
典型的光电导器件：光敏电阻 光电导器件可用于各种 自动控制系统，如光电 自动开关门窗、光电计
三、光电发射效应 • 光电发射效应
1905年德国物理学家爱因斯 坦用光量子学说解释了光电 发射效应，获得1921年诺贝 尔物理学奖。
§2.4 光电效应
三、光电发射效应
在光照下，物体向表面以外的空间 发射电子（即光电子）的现象。
光电发射体
能产生光电发射效 E
光电探测器 光辐射量
物理基础
电量、 热量等
光电效应
光电效应：光照射到物体表面上使物体的电学特 性发生变化。
§2.4 光电效应
光电效应类型：
光电效应
光子效应
光热效应
外光电效应 光电发射效应 光电倍增效应
内光电效应 光电导效应 光伏效应 光电磁效应 丹培效应
温差电效益 热释电效应
§2.4 光电效应
是禁带宽度
是杂质能带宽度
1.24 Ei (eV )
( 杂质)
Ei
§2.4 光电效应
2、光电系统基本模型
(1)无光照时，半导体材料在常温下具有一定的热激 发载流子浓度，材料处于暗态，具有暗电导
本征半导体样品
L
S Gd d L
A
其中，G为样品的电导率，下标 d代 表暗态；为半导体材料的电导率 ； S为样品横截面的面积； L为样品的 长度。电导单位为西门 子s。
•响应速度一般比较慢。
在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈， 所以广泛用于对红外线辐射的探测。
§2.4 光电效应
光电器件特点：
光子器件 热电器件
响应波长无选择性，对可见 响应波长有选择性，一般有截止波长， 光到远红外的各种波长的辐 超过该波长，器件无响应。 射同样敏感 响应快，吸收辐射产生信号需要的时 间短， 一般为纳秒到几百微秒 响应慢，一般为几毫秒