光生伏特效应及器件
光生伏特效应及器件教学文稿
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 光电导效应及器件 (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。
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②光敏电阻演示
当光敏 电阻受到光 照时，光生 电子—空穴 对增加，阻 值减小，电 流增大。
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暗电流（越小越好）
5
2 光生伏特效应及器件
⑴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。
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e
c
PNP
b
e NPN c b
E RL
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⑷光敏三极管
e
c
PNP
b
e
c
NPN
b
集电结一边做得很大，以扩大光的照射面
积，且基极一般不接引线。
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普通三极管
IC c
N RC
b IB Rb
P
EC
N
EB
e IE
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IC c
N RC
b
P
EC
N
光敏三极管
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⑷光敏三极管
光敏三极管有PNP型和NPN型两种，如图。其结构与一般 三极管很相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的 很大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。当集电极 加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。当光 线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对,在内电场的 作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与发 射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极,形成 输出电流,且集电极电流为光电流的β倍。
光电检测技术复习三(光生伏特器件)
问题四 半导体光电器件的特性参数与选择 1 半导体光电器件的特性参数 半导体光电器件主要包括光电导器件与光生伏特器件等两大类， 要根据具体情况选择不 同特性参数的器件。 光谱响应（nm） 光电器件 短 波 长 400 300 750 400 峰值 640 长 波 长 900 122 0 灵敏 度 (A/W ) 1A/l m 0.30.6 0.30.8 0.30.6 输出电 流(mA) 光电 响应 特性 非线 性 动态特性 频率 响应 (MHz) 0.001 上升时 间 (μ s) 200-10 00 ≤0.1 ≤100 ≤ 0.002 ≤0.1 电源 及偏 置 交、 直流 三种 偏置 暗电 流与 噪声
我的老师说过：光电技术人员应具备不怕黑、不怕冷、不怕密闭的专业素质.
第三章 光生伏特器件 问题一 硅光生伏特器件 硅光生伏特器件具有制造工艺简单、 成本低等特点使它成为目前应用最广泛的光生伏特 器件。 问题二 硅光电二极管 硅光电二极管是最简单、最具有代表性的光生伏特器件，其中，PN 结硅光电二极管为 最基本的光生伏特器件。 1 工作原理—基于 PN 结的光伏特效应 2 基本结构 1) 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。 如图 3-1（a）所示的为 2DU 型光电二极管的 原理结构图。 2) 图 3-1（c）所示为光电二极管的电路符号，其 中的小箭头表示正向电流的方向（普通整流二 极管中规定的正方向） ，光电流的方向与之相 反。图中的前极为光照面，后极为背光面。 3 电流方程—普通二极管的电流方程 qU （反向偏置时） 且 |U|>> kT/q 时(室温下 kT/q≈0.26mV， ID 为 U 为负值 I ID e kT 1 很容易满足这个条件)的电流，称为反向电流或暗电流。
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、光电导效应、光生伏特效应的内容与关系
光电效应、光电导效应、光生伏特效应的内容与关系下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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光生伏特效应
光生伏特效应光生伏特效应英文名称：Photovoltaic effect。
光生伏特效应是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。
光生伏特效应--(可制作光电池、光敏二极管、光敏三极管和半导体位置敏感器件传感器）；侧向光生伏特效应（殿巴效应）--(可制作半导体位置敏感器件（反转光敏二极管）传感器）；PN结光生伏特效应--(可制作光电池、光敏二极管和光敏三极管传感器）。
光电伏特效应概述1.P-N结太阳能电池发电的原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直接转换为电能。
在晶体中电子的数目总是与核电荷数相一致，所以P型硅和N型硅对外部来说是电中性的。
如将P型硅或N型硅放在阳光下照射，仅是被加热，外部看不出变化。
尽管通过光的能量电子从化学键中被释放，由此产生电子－空穴对，但在很短的时间内（在μS范围内）电子又被捕获，即电子和空穴“复合”。
当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。
这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。
N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。
达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是P－N结。
至今为止，大多数太阳能电池厂家都是通过扩散工艺，在P型硅片上形成N型区，在两个区交界就形成了一个P －N结（即N+／P）。
太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面P－N结。
2.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。
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。
光生伏打效应和光生伏特效应
光生伏打效应和光生伏特效应光生伏打效应和光生伏特效应是现代物理学中的两项基础研究课题，也是许多其他学科领域的研究重点。
本文将着重讨论这两种现象的原理、应用与未来发展。
一、光生伏打效应光生伏打效应，也称为外光电效应或基表面光电效应，是指在光照射下，电子从金属表面逸出的现象。
它是物理学家继电磁感应和静电场效应之后第三个证实光具有电磁波特性的实验，也是光子（光子被视为光量子）概念确定的重大事件之一。
1905年，爱因斯坦以黑体辐射理论为基础，提出了光子假说，认为光以粒子的形式存在。
他进一步认为，金属表面吸收一定能量的光粒子后，可将其转化为能够逸出金属表面的电子，并推导出与实验结果一致的公式：eV=hν-φ，其中，e是电量，V是逸出电子的动能，h是普朗克常数，ν为三分之二级的光频率，φ为金属的逸出功。
该公式被称为“爱因斯坦光电效应方程”，为电量子力学的重要基石之一。
光生伏打效应的原理是基于光电子最基本的性质——光能将电子从原子或分子系统中释放出来。
当光子与金属接触时，由于光的能量足以克服金属电子的束缚力（逸出功），这些电子便从金属表面逸出，以高动能的形式离开金属表面。
当金属表面被光子照射时，它吸收光能，将其转化为电子的动能，从而使得光对电荷的影响明显。
这种现象在光电热转换、太阳电池等领域中有着广泛应用。
二、光生伏特效应光生伏特效应是在半导体器件中产生的另一个重要现象。
它是指在半导体器件中，当受到光照射时，电场将电子从其价带透射到导带的现象。
与光生伏打效应不同，光生伏特效应需要光子的能量大于半导体带隙，才可将电子和空穴助成载流子，并且在半导体中，该现象具有迅猛性、高效性和高精度性等特点。
半导体器件是现代电子元器件的基础之一，它已经广泛应用于各个领域，如物联网、光电通讯、集成电路等。
但半导体材料的研究和制备也存在很多困难。
为了充分发挥半导体材料的电学性能，科学家们研究出了多种制备方法和工艺流程，包括薄膜制备、前驱体制备、微纳加工等。
光生伏特现象
光生伏特现象英文名称：photovoltaic effect。
光生伏打效应是指半导体由于吸收光子而产生电动势的现象，是当半导体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。
严格来讲，包括两种类型：一类是发生在均匀半导体材料内部；一类是发生在半导体的界面。
虽然它们之间有一定相似的地方，但产生这两个效应的具体机制是不相同的。
通常称前一类为丹倍效应[1]，而把光生伏打效应的涵义只局限于后一类情形。
当两种不同材料所形成的结受到光辐照时，结上产生电动势。
它的过程先是材料吸收光子的能量，产生数量相等的正﹑负电荷，随后这些电荷分别迁移到结的两侧，形成偶电层。
光生伏打效应虽然不是瞬时产生的，但其响应时间是相当短的。
1839年，法国物理学家A. E. 贝克勒尔意外地发现，用两片金属浸入溶液构成的伏打电池，受到阳光照射时会产生额外的伏打电势，他把这种现象称为光生伏打效应。
1883年，有人在半导体硒和金属接触处发现了固体光伏效应。
后来就把能够产生光生伏打效应的器件称为光伏器件。
当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会产生光生伏打效应。
光生伏打效应使得PN结两边出现电压，叫做光生电压。
使PN结短路，就会产生电流。
编辑本段原理半导体界面包括有:由于掺杂质不同而形成的P型区和N型区的界面,即PN结；金属和半导体接触的界面；不同半导体材料制成的异质结界面以及由金属－绝缘体－半导体组成的MIS系统的界面。
在这些界面处都存在有一个空间电荷区,其中有很强的电场,称为自建电场。
光照产生的电子－空穴对，在自建电场作用下的运动，就是形成光生伏打效应的原因。
下面以PN结为例进一步具体说明。
在PN结交界面处N区一侧带正电荷，P区一侧带负电荷，空间电荷区中自建电场的方向自N区指向P区。
由于光照可以在空间电荷区内部产生电子－空穴对，它们分别被自建电场扫向N区和P区,就如同有一个电子由P区穿过空间电荷区到达N区,形成光致电流。
半导体光生伏特效应原理
半导体光生伏特效应原理半导体光生伏特效应的原理可以通过光生载流子的产生和漂移来解释。
当光照射到半导体材料表面时，光子能量被传递给材料中的原子、分子或离子，导致电子从价带跃迁到导带形成载流子对。
光照下产生的电子称为光生电子，同时也有正空穴和光子活化材料内其他载流子。
产生的光生载流子会被电场或外加电压作用下，发生漂移并集聚在材料的相应区域，形成电势差。
当这种电势差达到一定程度时，就会出现光电流。
光电流的强度与光照强度成正比，并且与光子能量有关。
半导体光生伏特效应的关键是光生载流子的产生和漂移。
光生载流子的产生是通过光激发半导体材料内的电子跃迁实现的。
在纳米级量子点半导体材料中，由于量子尺寸效应和禁带边缘变化，光子能量比较低时也能够产生光生载流子。
光生载流子的漂移主要是受电势差和外加电压的影响。
电场作用下，载流子沿着电场方向漂移，并在电势差较大的地方累积。
外加电压也可以提供附加的驱动力，加速光生载流子的漂移。
半导体光生伏特效应在光电二极管中得到了广泛应用。
光电二极管是一种能够将光能转换为电能的器件，其基本结构由大面积P型和N型半导体组成。
当光照射到P型半导体区域时，光生载流子在电场和电势差的驱动下，被引导至N型半导体区域，产生电势差。
这个电势差可以通过外部电路测量，从而得到光照的信息。
除了光电二极管，半导体光生伏特效应还可以应用于太阳能电池、光敏电阻、光电导体和光伏电池等器件中。
这些器件都是利用半导体材料的光生伏特效应，将光能转化为电能或光电信号。
总结起来，半导体光生伏特效应是一种将光能转换为电能的现象，主要通过光激发半导体材料产生光生载流子，然后利用电场和电势差使载流子漂移，最终产生电势差和光电流。
这个效应在光电转换器件中发挥着重要作用，为光电子技术的发展提供了基础。
pn结光生伏特效应
pn结光生伏特效应PN结光生伏特效应光电效应是指当光照射到某些物质表面时，会产生电子的现象。
而PN结光生伏特效应是一种特殊的光电效应，它发生在PN结中。
PN结是由N型半导体和P型半导体连接而成的器件，其中N型半导体中的自由电子与P型半导体中的空穴发生复合，形成空间电荷区，也就是PN结。
PN结光生伏特效应的发生是由于光子的能量足够大，能够激发PN 结中的电子从价带跃迁到导带。
当光子的能量大于或等于PN结中的带隙能量时，电子将被激发到导带中，产生自由电子和空穴。
这些自由电子和空穴在PN结中会受到电场的作用分离，形成电流。
PN结光生伏特效应的具体过程如下：当入射光照射到PN结表面时，光子的能量会被传递给PN结中的电子。
如果光子的能量大于PN 结中的带隙能量，电子将被激发到导带中，并且形成自由电子和空穴。
由于PN结中存在电场，自由电子和空穴将被分离，并且在PN 结中产生电流。
这个电流称为光生电流，也就是PN结光生伏特效应。
PN结光生伏特效应的应用非常广泛。
一方面，它被应用于光电二极管中。
光电二极管是一种能够将光能转化为电能的器件，利用PN结光生伏特效应，当光照射到光电二极管表面时，会产生电流。
因此，光电二极管广泛应用于光通信、光电传感器等领域。
另一方面，PN结光生伏特效应还被应用于太阳能电池中。
太阳能电池是一种能够将太阳光转化为电能的器件，利用PN结光生伏特效应，当太阳光照射到太阳能电池表面时，会产生电流。
这种电流可以用来驱动电子器件或充电电池。
因此，太阳能电池成为了可再生能源中的重要组成部分。
除了在光电二极管和太阳能电池中的应用，PN结光生伏特效应还有其他一些应用。
例如，在光敏电阻中，光照射到光敏电阻表面时，PN结光生伏特效应会产生电流，从而改变电阻值。
这被应用于光控开关、光敏传感器等设备中。
PN结光生伏特效应是一种在PN结中发生的光电效应，当光照射到PN结表面时，光子的能量能够激发电子，形成自由电子和空穴，并产生光生电流。
光生伏特效应的原理与应用
光生伏特效应的原理与应用1. 简介光生伏特效应是指光照射在半导体表面时，由于光的能量激励了半导体中的电子，使其从价带跃迁到导带，从而产生电流的现象。
该效应具有很高的照度响应、长寿命、低噪声等特点，被广泛应用于光电器件、太阳能电池等领域。
2. 原理•光照射：当光线照射到半导体表面时，光子的能量激发了半导体中的电子。
这些光子可以激发价带中的电子，使其跃迁到导带中。
•电子跃迁：当电子从价带跃迁到导带时，产生了电子-空穴对。
电子位于导带，具有负电荷；空穴位于价带，具有正电荷。
•电流产生：由于导带中的电子具有负电荷，它们可以在电场的作用下向电极移动。
当外电路连接到半导体上时，电子会从半导体中流出，形成电流。
3. 应用3.1 光电器件光生伏特效应在光电器件中得到广泛应用，如光电二极管、光电晶体管等。
•光电二极管：光电二极管是一种将光能转换为电能的器件。
它利用光生伏特效应，在半导体中产生电流。
光电二极管广泛应用于光通信、激光测距等领域。
•光电晶体管：光电晶体管是一种具有放大功能的器件。
它利用光生伏特效应，在半导体中产生的电流被放大，从而实现信号放大的功能。
光电晶体管常用于光学放大器、高速光通信等领域。
3.2 太阳能电池光生伏特效应是太阳能电池的基本原理之一。
太阳能电池利用光生伏特效应将太阳光能转化为电能。
•光电导带：太阳能电池中的光电导带是由材料特殊处理得到的。
当光线照射在导带中时，光子的能量激发了导带中的电子，使其跃迁到导带中，产生电流。
•外电路：太阳能电池将产生的电流通过外电路导出，可以用来给电子设备供电。
•应用领域：太阳能电池广泛应用于家庭光伏发电系统、太阳能电动车等领域。
3.3 环境监测光生伏特效应可以被应用于环境监测领域，例如光生伏特效应传感器可以用于测量光照强度、温度等环境参数。
•光照强度测量：光生伏特效应传感器可以通过测量产生的电流来确定光照强度的大小。
•温度测量：光生伏特效应传感器的电流与温度呈反相关关系，通过测量产生的电流可以间接测量环境的温度。
光生伏特效应
铁电光伏效应的机制
（1）体光伏效应 （2）畴壁理论
光伏效应
ห้องสมุดไป่ตู้
P－N结的形成
光电效应
P－N结的形成
同质结可用一块半导体经掺杂形成P区和N区。由于杂质的激活能量很小，在室温下杂质差不多都电离成受主 离子NA－和施主离子ND+。在PN区交界面处因存在载流子的浓度差，故彼此要向对方扩散。设想在结形成的一瞬 间，在N区的电子为多子，在P区的电子为少子，使电子由N区流入P区，电子与空穴相遇又要发生复合，这样在原 来是N区的结面附近电子变得很少，剩下未经中和的离子ND+形成正的空间电荷。同样，空穴由P区扩散到N区后， 由不能运动的受主离子NA－形成负的空间电荷。在P区与N区界面两侧产生不能移动的离子区（也称耗尽区、空间 电荷区、阻挡层），于是出现空间电偶层，形成内电场（称内建电场）此电场对两区多子的扩散有抵制作用，而 对少子的漂移有帮助作用，直到扩散流等于漂移流时达到平衡，在界面两侧建立起稳定的内建电场。
而 Alexe等人认为，在 BFO中电畴内部载流子的复合并没有预想的快。作者用光电 -原子力显微镜和压电 力原子显微镜研究了 BFO单晶中的光伏效应，发现在畴壁内部和外部都能观察到比较大的光生电流，表明在电畴 内部载流子的复合是比较弱的。进一步研究发现，在 BFO内光生载流子的寿命达 ～ 75μs，与在畴壁处所得到 的结果相当。虽然用畴壁理论可以很好地说明反常光伏效应，即光生电压可以远大于禁带宽度，然而，有一些实 验现象仅仅用磁畴壁理论是根本无法解释的，必须考虑到体光伏效应理论。
光电池
光电池简介一、光生伏特效应当用适当波长的光照射非均匀半导体（PN结等）时，由于内建场的作用（不加外电场），半导体内部结区两侧产生电动势（光生电压），如将PN结外部短路，则会出现电流（光生电流）。
这种由于光照引起的物质内部的电场的变化也称光电效应，为了与引起光电子发射的光电效应有所区别，也叫内光电效应。
在技术领域通常把上述现象称为光生伏特效应。
1．PN结的光生伏特效应设入射光垂直PN结面。
如结较浅，光子将进入PN结区，甚至更深入到半导体内部。
能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收在结的两边产生电子—空穴对。
在光激发下多数载流子浓度一般改变很小，而少数载流子浓度却变化很大，因此应主要研究光生少数载流子的运动。
由于PN结势垒区内存在较强的内建场（自N区指向P区），结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相反方向运动：P区的电子穿过PN结进入N区；N区的空穴进入P区，使P端电势升高，N端电势降低，于是在PN结两端形成了光生电动势，这就是PN 结的光生伏特效应。
由于光照产生的载流子各自向相反方向运动，从而在PN结内部形成自N区向P区的光生电流I L见下图（b）。
（a）无光照（b）光照激发图1 PN结能带图由于光照在PN结两端产生光生电动势，相当于在PN结两端加正向电压V，使势垒降低为qV D－qV，产生正向电流I F。
在PN结开路情况下，光生电流和正向电流相等时，PN 结两端建立起稳定的电势差V0。
（P区相对于N区是正的），这就是光电池的开路电压。
如将PN结与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，PN结起了电源的作用。
这就是光电池（也称光电二极管）的基本原理。
金属－半导休形成的肖持基势垒层也能产生光生伏特效应（肖特基光电二极管），其电子过程和PN 结相类似，不再赘述。
2．光电池的电流电压特性光电池工作时共有三股电流：光生电流I L ，在光生电压V 作用下的PN 结正向电流I F ，流经外电路的电流I 。
光生伏特效应
光生伏特效应英文名称：Photovoltaic effect。
光生伏特效应是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。
光生伏特效应--(可制作光电池、光敏二极管、光敏三极管和半导体位置敏感器件传感器）；侧向光生伏特效应（殿巴效应）--(可制作半导体位置敏感器件（反转光敏二极管）传感器）；PN结光生伏特效应--(可制作光电池、光敏二极管和光敏三极管传感器）。
光电伏特效应概述1.P-N结太阳能电池发电的原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直接转换为电能。
在晶体中电子的数目总是与核电荷数相一致，所以P型硅和N型硅对外部来说是电中性的。
如将P型硅或N型硅放在阳光下照射，仅是被加热，外部看不出变化。
尽管通过光的能量电子从化学键中被释放，由此产生电子－空穴对，但在很短的时间内（在μS范围内）电子又被捕获，即电子和空穴“复合”。
当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。
这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。
N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。
达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是P－N结。
至今为止，大多数太阳能电池太阳能电池厂家都是通过扩散工艺，在P型硅片上形成N型区，在两个区交界就形成了一个P －N结（即N+／P）。
太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面P－N结。
2.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。
光电传感技术第四章-光生伏特器件
1.硅光敏二极管
1)硅光敏二极管的工作原理-基本结构 光敏二极管（photo diode）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。
在高阻轻掺杂的P型硅片上通过扩散或注入的方式生成很 浅的N型层。在N型层的上面氧化生成极薄的SiO2保护膜，保 护光敏面并增加器件对光的吸收。
雪崩光敏二极管的工作偏压必须适当。过小时，增 益太小；过大时，噪声大，且电压过高可能使管子被击 穿烧毁。由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温 度变化相应调整工作电压。
3. 雪崩光敏二极管
3）噪声
由于雪崩光敏二极管中载流子的碰撞电离是不规则的，碰撞后的运 动方向更是随机的，所以它的噪声比一般光敏二极管要大些。在无倍增 的情况下，其噪声电流主要为散粒噪声。当雪崩倍增M倍后，雪崩光敏二 极管的噪声电流的均方根值可近似由下式计算。
2 q ηλ (Φs + Φb ) 2 4 KT∆f I n2 = ∆f + 2qI d ∆f + hc RL
1.硅光敏二极管
光敏二极管正向电阻约10k Ω左右。在无光照情况下， 反向电阻为∞ ；有光照时，反向电阻随光照强度增加而 减小，阻值可达到几k Ω或1k Ω以下。在光照下，其电压 电流与光照强度成比例，电压可达0.2-0.4V。短路电流可 达数十至数百μA。
2.PIN型光敏二极管
为了提高PN结硅光敏二极管的时间响应，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PIN结构光敏二极管。 PIN光敏二极管在反 向电压作用下，耗尽区 扩展到整个半导体，光 生载流子只产生漂移电 流，因此， 它的时间响 应只取决于τdr 与τRC ，在 10-9s左右。
2）工作原理 在强电场作用下，当通过耗 尽区的每个载流子平均能产生一 对电子—空穴时，就发生雪崩击 穿现象。当M→∞时，PN结上所 加的反向偏压就是雪崩击穿电压 UBR。 从伏-安特性曲线可以看出， 在雪崩击穿点附近电流随偏压变 化的曲线较陡，当反向偏压有较 小变化时，光电流将有较大变化。
光电导效应光生伏特效应PPT课件
在设计光敏电阻时 要充分考虑材料及
结构的要求！
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§2.4 光电效应
b. 强辐射作用下： n>>ni、 p >>pi， n = p
dn dt
N e
Ne
k f (np
k f (n)2
ni p
npi
)
t=0，n=0
n
N
(
e
1
)2
tanh
t
kf
1
k f Ne
光辐射量
光电探测器
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。
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§2.4 光电效应
➢ 光电效应类型：
光电效应
光子效应
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
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光热效应
温差电效益 热释电效应
式中，i为光生载流子所形成的外部光电流 N为光辐射每秒激发的电子空穴对数目
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§2.4 光电效应
由图可知，光照射到半导体上产
生的光电流
i U bd U A
L
L
enn ep p
光
本征半导体样品 L
d b
A
在光辐射下，n=n0+n ， p=p0+p， = 0+
enn ep p
知光致电导率的变化量： en
则光电导为：
Gp
G
S L
bd L
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§2.4 光电效应
a. 弱辐射作用下：
光生伏特效应及典型器件
c
e
N
P
N
c
RL
b
4. 光电池 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用下实
质就是电源，电路电池
光电池的结构和工作原理
是一个大面积的PN结，直接将光能转换为电能的光电器件。当光照射到PN结上时， 便在PN结的两端产生电动势(P区为正，N区为负) 。 用导线将PN结两端连接起来，就有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。 若将电路断开，就可以测出光生电动势。
匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。 早在1 839 年，法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发现光照能使半导体材料的不同 部位之间产生电位差。 1 954 年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太 阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。
2. 光敏二极管 • 光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，
可直接受到光照射。
• 光敏二极管分有PN结型、PIN结型、雪崩型等，其中用得最多的是PN结型，价格便宜。
3. 光敏三极管 光敏三极管（Phototransistor）又称光电三极管，它是一种光电转换器件，其基本 原理是光照到P-N结上时，吸收光能并转变为电能。 光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受
1 . 光生伏特效应
光生伏特效应示意图
2. 光敏二极管 • 光敏二极管又称光电二极管，它是一种光电转换器件。其基本原理是利用PN
结的光生伏特效应，即光照到PN结上时，PN结吸收光能，产生电动势的现象。
• 光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态。在不受光照射时，处于截止状 态，受光照射时，处于导通状态。
外光电效应：光电管、光电倍增管。内光电效应：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管。光生伏特效应：光电池
外光电效应：光电管、光电倍增管。
内光电效应：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管。
光生伏特效应：光电池
外光电效应是指光线照射在物体表面或界面上时产生的光电效应。
常见的外光电效应器件包括光电管和光电倍增管。
光电管是一种利用光电效应工作的真空电子器件。
光电管通过光电效应将光能转化为电能，从而产生电流。
光电管主要由一个光敏阴极和一个带正电压的阳极组成。
光电倍增管是一种基于光电效应的放大器件。
光电倍增管利用外光电效应，在光电阴极上的光电发射产生电子，然后通过倍增过程放大电子的数量，最终产生一个非常强的电流输出。
内光电效应是指光线照射在半导体材料内部时产生的光电效应。
常见的内光电效应器件包括光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管。
光敏电阻是一种光敏元件，其电阻值随着光照强度的变化而发生改变。
光敏电阻一般由光敏材料和电极组成，当光照强度变大时，光敏材料吸收光能产生电子，从而提高电阻值。
光敏二极管是一种基于内光电效应的半导体器件。
光敏二极管通过光照产生的电子-空穴对，改变二极管的导电性能，从而
实现对光信号的检测和转换。
光敏三极管是一种结构类似于普通三极管的光敏元件。
光敏三极管通过光照时产生的载流子来改变其电流放大倍数，实现对
光信号的放大。
光生伏特效应是指当光线照射到光电池表面时，在光电池内部产生的光生电势差。
光电池是一种能够将光能直接转化为电能的器件，通过光生伏特效应将光能转化为电压输出。
光电池常用于太阳能电池等领域。
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图所示。
光
光
PN
PN RL
光敏二极管符号
2020/3/9
光敏二极管接线
9
⑶光敏二极管 ①光敏二极管的结构和工作原理
光
光
PN
PN
RL
光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。
光敏二极管的光照特性是线性的，适合检测等
方202面0/3/9的应用。
10
②光敏二极管外形
将光敏二极管的 PN 结设置在透明管 壳顶部的正下方，光 照射到光敏二极管的 PN结时，电子-空穴 对数量增加，光电流 与照度成正比。
光
SiO2
光
P
N
－
+
I PN
RL (a) 光电池的结构图
(b) 光电池的工作原理示意图
2020/3/9
光电池的示意图
7
2020/3/9
8
⑶光敏二极管
①光敏二极管的结构和工作原理
光敏二极管符号如图。
光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透
明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射
。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如
81—2—Si发O2射保结护圈
2020/3/9
19
硅光敏晶体管的光谱特性
电磁波频谱
2020/3/9
20
2020/3/9
暗电流（越小越好）
6
2 光生伏特效应及器件
⑴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。
⑵光电池 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。
①光电池的结构和工作原理 硅光电池的结构如图所示。
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③光敏二极管的反向偏置接线 （参考上页图）及光电特性演示
在没有光照时，由于二 极管反向偏置，反向电流 （暗电流）很小。
— UO +
光照
光敏二 极管的 反向偏 置接法
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当光照增加 时，光电流IΦ 与光照度成正 比关系。 12
光敏三极管
光敏三极管有两个PN结。与普通 三极管相似，有电流增益，灵敏度比光 敏二极管高。多数光敏三极管的基极没 有引出线，只有正负（c、e）两个引脚， 所以其外型与光敏二极管相似，从外观 上很难区别。
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13
⑷光敏三极管
光敏三极管有PNP型和NPN型两种，如图。其结构与一般 三极管很相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的 很大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。当集电极 加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。当光 线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对,在内电场的 作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与发 射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极,形成 输出电流,且集电极电流为光电流的β倍。
(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。
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<#2 >
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。
基区很薄，基极一般不接引线；
集电极面积较大。
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光敏三极管外形
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光敏三极管内部结构
a) 内部组成 b)管芯结构 c）结构简化图
1—集电极引脚 2—管芯 3—外壳 4—玻璃聚光镜
5—发射极引脚 6—N+ 衬底 7—N型集电区 9—集电结 10—P型基区 11—N型发射区
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4
⑵光敏电阻
①光敏电阻的工作原理和结构
金 属 电极
半导体
I
电源 玻璃底板
RL
E
Ra
检流计
(a)
(b)
(c)
光敏电阻结构 (a) 光敏电阻结构； (b) 光敏电阻电极；
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(c) 光敏电阻接线图
5
②光敏电阻演示
当光敏 电阻受到光 照时，光生 电子—空穴 对增加，阻 值减小，电 流增大。
第二节 光电传感器2
本章学习光电效应、光电 元件的结构、工作原理、特性
以及光电传感器
2020/3/9
徐琳
1
一 内光电效应及器件
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 光电导效应及器件
导带
Eg
禁带
价带
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自由电子所占能带 不存在电子所占能带 价电子所占能带
3
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
h hc 1.24 Eg
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。
e
c
PNP
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b
e NPN c b
E RL
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⑷光敏三极管
ecPNPb Nhomakorabeae
c
NPN
b
集电结一边做得很大，以扩大光的照射面
积，且基极一般不接引线。
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15
普通三极管
IC c
N RC
b IB Rb
P
EC
N
EB
e IE
2020/3/9
16
IC c
N RC
b
P
EC
N
光敏三极管
e IE