3.1-3.2 结型光电器件的工作原理
第四节 半导体结型光电器件讲解
（ａ）开路电压：
RL ,
IL 0
VOC
（ｂ）短路电流：
I kT ln( P 1) q I0
RL 0,
VL 0
I SC I P SE E
②照度－电流电压特性：
由上面分析可知： （ａ）光电池的短路电流Isc 与入射光照度正比．
I sc E
（ｂ）开路电压Voc与光照度 的源自数成正比．高低（3）光敏面积不同： 硅光电二极管的光敏面比光电池的光敏面小得多，因此 硅光电二极管的光电流小得多，通常在µA级。
3.工作原理：
E
（1）P-N结在反向电压偏置下，内建电场加强。P-N结空间电荷区 拉宽，势垒增大。 （2）无光照时，流过P-N结的电流（称为反向饱和电流或暗电流）很 小，它是少数载流子的漂移运动形成的，电导率很小。 （3）当有光照时，满足条件hγ≥ΔEg,在结区内产生的光生载流子被 内建电场拉开，电导率增大，在外加电场的作用下形成以少数载 流子漂移运动为主的光电流。光照越强，光生载流子越多，电导 率越大，光电流就越大。反之，则光电流越小。
电极：多做成梳齿状，目的便于透光和减小串联电阻； SiO2层: 1. 防潮保护， 2. 增透；
２、工作原理：
（１）开路状态：光生伏特效应。
Ｖoc：光生电压。
（２）外接负载ＲL：
光电池的电流方程：
I L I P I D I P I 0 eqV
kT
1
I0－反向饱和电流，是光电池反向偏压后出现的暗电流。
光电池：是一种不需外加偏压，能把光能直接转换成电能的Ｐ-Ｎ结
光电器件。
太阳能光电池： 主要用作电源，要求转换效率高，成本低。 按用途 分类 测量用光电池： 用于光电探测，要求：线性范围宽，灵敏度
《结型光电器件》课件
光电检测领域应用
光功率检测
结型光电器件作为光电探测器，能够 快速响应光功率的变化，用于实时监 测光网络的传输状态。
光谱分析
结合光谱仪，结型光电器件可以对不 同波长的光信号进行探测和分析，用 于光谱分析和物质成分检测。
光电控制领域应用
光控开关
结型光电器件可以实现高速的光控开关功能，用于光信号的路由、分束和合束 等控制。
本的结型光电器件。
集成化与模块化的探索
03
未来研究将进一步探索结型光电器件的集成化与模块化技术，
以满足大规模光电系统集成和光电信息处理的需求。
05
CATALOGUE
结型光电器件的制备与工艺
材料选择与制备
01
02
03
材料纯度
选择高纯度的材料，以减 少杂质和缺陷对器件性能 的影响。
材料匹配
确保材料之间的晶格常数 和热膨胀系数相匹配，以 减小应力集中和热失配。
生物医学
结型光电器件在生物医学领域具有广泛的应用， 如光学成像、光谱分析等。
结型光电器件的历史与发展
早期研究
20世纪60年代，随着半导体材料 和光学技术的发展，人们开始研 究结型光电器件。
技术进步
随着材料、工艺和设计的不断改 进，结型光电器件的性能不断提 高，应用领域不断扩大。
未来展望
随着物联网、人工智能等技术的 快速发展，结型光电器件在未来 的信息社会中将发挥更加重要的 作用。
1 2
结构设计
优化器件结构，提高光电器件的性能和稳定性。
界面工程
优化界面质量，减少界面态和缺陷，提高载流子 输运效率。
3
工艺调控
通过精细调控工艺参数，实现性能优化和提升。
06
3-1原理
教学目的：
☺掌握结型光电器件的原理。 ☺掌握光电池、硅光电二极管、一维光电位置
传感器PSD的结构和光电特性。
☺了解光电池、硅光电二极管、一维光电位置
传感器PSD的光电转换电路。
☺了解特殊光电二极管和光电耦合器件的特性
和用途。
2
半导体结型光电器件是利用半导体P-N结光生伏特
现明显的非线性。 探测器的输出是通过负载电阻RL上的电压或流过RL上的电流
来体现，因此，称为光伏工作模式。通常把光伏工作模式的 光伏探测器称为光电池。 应特别注意，光电流总是反向电流，而光电流在RL上的电压 降，对探测器产生正向偏置称为自偏压，当然要产生正向电 流。最终两个电流抵消，伏安曲线中止于横轴上。
10
原则上，P-N结可工作于正偏、零偏与反偏状态。 但在正偏置时，外偏置电压产生的电流远大于光生载 流子产生的电流，看不到明显的光电效应。P-N结处 于零偏置或反偏置时，光生电流在外电路形成光电流， 具有明显的光电效应。所以结型光电器件一般都工作 于零偏或反偏状态。
11
2.光照下PN结的电流方程
在同一片半导体基片上，分别制造P 型半 导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在 它们的交界面处就形成了PN 结。
4
漂移运动
P型半导体
内电场E N型半导体
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
扩散运动
光电三极管的工作原理
光电三极管的工作原理光电三极管是一种基于半导体材料制成的光电器件，它能够将光信号转化为电信号，并且具有高灵敏度、低噪声、高带宽等优点。
其工作原理可以简单地分为以下几个步骤：吸收光：光电三极管的第一层是光敏层，用于吸收光线并产生光生电荷。
这一层通常由半导体材料（如硅或锗）制成。
当光照射到光敏层时，光子将被吸收并激发出电子，产生自由电子和空穴对。
传输电荷：产生的自由电子和空穴对将受到电场的作用，向相反方向运动。
在光电三极管的第二层，通常是一层薄的反向偏置的PN 结，它能够进一步分离和加速这些电荷。
这样，电荷将被传输到下一层。
放大信号：光电三极管的第三层是具有高电流密度的集电极层，用于收集传输过来的电荷。
在这里，电荷将通过电路产生电流，并且由于集电极层的高电流密度，这个电流将比初始的电荷大得多。
输出信号：最后，光电三极管可以通过连接负载电阻或直接连接到放大电路来输出信号。
负载电阻将电流转换为电压信号，而放大电路则可以将信号进一步放大和调节，以便最终使用。
在实际应用中，光电三极管通常需要与其他电子元件一起构成一个完整的电路，以实现特定的功能。
例如，可以将光电三极管与比较器、滤波器等组合使用，以实现光信号的检测、滤波、整形等功能。
光电三极管的特性参数包括灵敏度、响应速度、噪声等。
灵敏度指的是光电三极管对光信号的感应能力，响应速度则反映了光电三极管对光信号的反应速度，噪声则影响了光电三极管的精度和稳定性。
这些特性参数对于不同的应用场景有不同的要求，需要根据实际需要进行选择和使用。
总之，光电三极管作为一种高灵敏度、低噪声、高带宽的光电器件，在光学通信、图像处理、测量等领域有着广泛的应用前景。
了解其工作原理和特性参数，对于正确选择和使用光电三极管具有重要意义。
《 光电检测技术 》教学大纲
《光电检测技术》教学大纲课程代码：课程中文名：光电检测技术课程英文名：课程类别：专业技术科适用专业：光伏材料应用、光伏发电应用、电子技术等专业课程学时： 48学时课程学分： 3学分一、课程的专业性质、地位和作用（目的）1、性质：必修2、地位：光电检测技术是光学与电子学技术相结合而产生的一门新型检测技术，它是利用电子技术对光学信息进行检测，并进一步传递、存储、控制、计算和显示。
光电检测技术是现代检测技术最重要的手段和方法之一。
3、作用：通过本课程的教学，使学生了解和掌握各种光电器件的结构、工作原理、工作过程、工作特性及其基本的应用，培养学生通过了解器件的性能特点来搭建检测系统的能力，培养学生学习的能力和综合运用知识的能力，培养学生理论联系实际的学风和科学态度，提高学生的分析处理实际问题的能力，为以后的工作和学习打下基础。
二、教学内容、学时分配和教学的基本要求第一章光电检测应用中的基础知识6学时，其中理论教学 6 学时，实践或其他教学0 学时1.1 辐射度学和光度学基本概念1.2 半导体基础知识1.3 基本概念1.4 光电探测器的噪声和特性参数重点:辐射度学和光度学基本概念难点:光电探测器的噪声和特性参数教学要求:本章介绍了光电检测应用中的基础知识，要求学生对基本概念有理解，进而掌握光电探测器的噪声及特性参数第二章光电检测中的常用光源3学时，其中理论教学3学时，实践或其他教学0学时2.1 光源的特性参数2.2 热辐射源2.3 气体放电光源2.4 固体发光光源2.5 激光器重点：光源的特性参数难点：气体、固体发光光源和激光器的工作原理教学要求:本章要求学生掌握各种固体发光的工作原理及其应用第三章结型光电器件 6 学时，理论教学6 学时，实践或其他教学0学时3.1 结型光电器件工作原理3.2 硅光电池3.3 硅光电二极管和硅光电三极管3.4 结型光电器件的放大电路3.5 特殊结型光电二极管3.6 结型光电器件的应用举例——光电耦合器件重点：结型光电器件的工作原理；硅光电池的工作原理及特性；硅光电二极管和硅光电三极管的性能比较难点：结型光电器件的放大电路及应用举例——光电耦合器件教学要求：要求学生掌握硅光电池的工作原理；硅光电二极管和硅光电三极管的性能比较及结型光电器件的放大电路及应用——光电耦合器件第四章光电导器件6学时，其中理论教学 6 学时，实践或其他教学0学时4.1光敏电阻的工作原理4.2 光敏电阻的主要性能参数4.3 光敏电阻的偏置电路和噪声4.4 光敏电阻的特点和应用重点：光敏电阻的工作原理和特性参数难点：光敏电阻的应用教学要求：要求学生掌握光敏电阻的工作原理及性能参数及光敏电阻的应用第五章真空光电器件3学时，其中理论教学3学时，实践或其他教学0学时5.1 光电阴极5.2 光电管与光电倍增管5.3 光电倍增管的主要特性参数5.4 光电倍增管的供电和信号输出电路5.5 微通道板光电倍增管5.6 光电倍增管的应用重点：光电管与光电倍增管的工作原理、特性参数难点：光电倍增管的供电和信号输出电路及应用教学要求：要求学生掌握光电管与光电倍增管的工作原理、特性参数及实际应用第六章真空成像器件3学时，其中理论教学3学时，实践或其他教学0学时6.1像管6.2常见像管6.3摄像管6.4光导靶和存储靶6.5摄像管的特性参数6.6摄像管的发展方向重点：像管与摄像管的工作原理难点：光导靶和存储靶的原理及摄像管的特性参数教学要求：要求学生掌握像管与摄像管的工作原理及特性参数第七章固体成像器6学时，其中理论教学 6 学时，实践或其他教学0学时7.1 电荷耦合器件7.2 电荷耦合器件的分类7.3 CCD摄像机分类7.4 CCD的特性参数7.5 自扫描光电二极管阵列7.6 固体摄像器件的发展现状和应用重点：电荷耦合器件的工作原理；CCD的特性参数难点：自扫描光电二极管阵列教学要求：要求学生掌握CCD固体成像器件的工作原理第八章红外辐射与红外探测器6学时其中理论教学 6 学时，实践或其他教学0学时8.1 红外辐射的基础知识8.2 红外探测器8.3 红外探测器的性能参数及使用中应注意的事项8.4 红外测温8.5 红外成像8.6 红外无损检测8.7 红外探测技术在军事上的应用重点：红外探测器的工作原理、性能参数及使用中应注意的事项难点：红外探测器的具体应用教学要求：要求学生掌握红外辐射的基础知识，并掌握红外探测器的各种具体应用第九章光导纤维与光纤传感器6学时其中理论教学 6 学时，实践或其他教学0学时9.1 光导纤维基础知识9.2 光导纤维的应用9.3 光纤传感器的分类及构成9.4 功能型光纤传感器9.5 非功能型光纤传感器重点：光导纤维的基础知识及功能型光纤传感器的工作原理难点：非功能型光纤传感器的工作原理教学要求：要求学生掌握光导纤维的基础知识，并掌握光纤传感器的工作原理第十章太赫兹波的产生与检测3学时其中理论教学 3 学时，实践或其他教学0学时10.1 概述10.2 THz辐射光谱学10.3 THz辐射成像重点：THz辐射成像的原理难点：THz辐射成像的原理教学要求：要求学生掌握THz辐射成像的原理三、各章节教学课时分配表本课程各部分教学内容计划学时数分配如下：四、课程的考核办法和成绩评定：1、考试 2.笔试（闭卷）3.平时成绩比重：平时成绩（包括考勤、作业、答疑、课堂练习、课外实验、等）占30%4.期末成绩比重:卷面考试占70%。
光电器件原理及应用
光电器件原理及应用光电器件是能够将光能转化为电能或者将电能转化为光能的一种器件。
光电器件通常由光电转换元件和电子元件两部分组成。
光电转换元件负责将光能转化为电能，电子元件负责将电能转化为光能。
光电器件的原理和应用非常广泛，下面将对其原理和应用进行详细的介绍。
光电器件的原理主要基于光电效应和半导体的特性。
光电效应是指当光照射到物质上时，物质中的电子会吸收能量，并升至能带中的导带，从而形成电学信号。
在光电器件中，常用的光电效应包括光电发射效应、内光电效应和外光电效应。
其中，光电发射效应是指当光照射到金属表面时，金属表面的电子会以速度高于光速的速度逸出金属表面，形成电子流。
内光电效应是指当光照射到半导体内部时，半导体内部的电子会受到激发，并跃迁至导带，形成导电电子和空穴。
外光电效应是指当光照射到半导体的PN结上时，将会形成光电势差，产生电流。
光电器件的应用非常广泛，以下将对光电器件在通信、能源和传感器方面的应用进行具体介绍。
在通信领域，光电器件主要应用在光纤通信系统中。
光纤通信系统是一种利用光信号传输信息的通信系统。
光电器件在光纤通信系统中起到了关键的作用。
例如，光电器件可以将传输的电信号转化为光信号，并通过光纤传输到接收端。
接收端的光电器件则可以将光信号转化为电信号，实现信息的传输。
光电器件在光纤通信系统中具有高速、低损耗和大容量传输等优点，因此广泛应用于现代通信系统中。
在能源领域，光电器件主要应用在太阳能电池中。
太阳能电池利用光电效应将太阳能转化为电能，供给电子设备使用。
光电器件在太阳能电池中起到了核心的作用，它可以将太阳光转化为电流，并经过电路传输到电池的端口，实现能量的存储和利用。
太阳能电池具有清洁、可再生、无噪音和长寿命等优点，因此成为了未来能源领域的热门技术之一。
在传感器领域，光电器件主要应用在光电传感器中。
光电传感器是一种利用光电效应检测和测量物体特性的传感器。
光电器件可以将物体反射、散射或透过的光信号转化为电信号，并通过电路进行处理和分析。
砷化镓三结光电芯片
砷化镓三结光电芯片
砷化镓三结光电芯片是一种高性能的光电器件，它由砷化镓材料制成，具有高速、高灵敏度、高分辨率等优点，被广泛应用于光通信、光电子学、光学成像等领域。
砷化镓三结光电芯片的结构是由三个不同掺杂的砷化镓层组成，其中中间层是n型掺杂，两侧层是p型掺杂。
当光照射到芯片上时，光子会被吸收并激发电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。
由于中间层是n型掺杂，电子会向两侧层移动，形成电流。
这种电流被称为光电流，可以被用来传输信息或控制其他电子器件。
砷化镓三结光电芯片具有很高的速度和灵敏度，可以在纳秒级别内响应光信号。
这使得它成为高速光通信和光电子学中不可或缺的器件。
此外，砷化镓三结光电芯片还具有高分辨率的特点，可以用于光学成像和光谱分析等领域。
然而，砷化镓三结光电芯片也存在一些问题。
首先，它的制造成本较高，需要使用昂贵的砷化镓材料和复杂的制造工艺。
其次，由于砷化镓材料的毒性，对环境和人体健康造成潜在风险。
因此，在使用砷化镓三结光电芯片时需要注意安全问题。
砷化镓三结光电芯片是一种高性能的光电器件，具有广泛的应用前景。
随着技术的不断发展和成本的降低，它将在更多的领域得到应用。
同时，我们也需要关注其安全问题，保护环境和人类健康。
光电器件的工作原理
光电器件的工作原理光电器件是一类将光与电相互转换的器件，广泛应用于光通信、光电显示、光电探测等领域。
光电器件的工作原理是基于光电效应和半导体材料的特性。
本文将从光电效应和半导体材料两个方面来介绍光电器件的工作原理。
光电效应是光电器件工作的基础，它是指当光照射到某些物质表面时，物质会发生电子的发射或吸收现象。
光电效应的产生与光的能量量子，即光子的能量有关。
当光子的能量大于物质的束缚能时，光子会激发物质表面的电子跃迁，从而使电子获得足够的能量跃迁到导体中。
这一过程被称为光电发射，产生的电子称为光电子。
光电发射的原理是电子从物质中被激发出来，具有一定的能量和速度。
光电效应在光电器件中的应用主要是指光电子发射和光电子吸收两个方面。
光电器件中最常见的光电效应是光电发射。
光电发射的机制主要有光电子发射、光电子倍增、光电子打击电离等。
其中，光电子发射是指光子照射到金属表面，激发金属表面的电子跃迁到导体中，产生电子电流的现象。
光电子倍增是指光子照射到光阴极，激发光阴极表面的电子跃迁到倍增器中，经过倍增过程产生的电子电流远大于入射光子的光电流。
光电子打击电离是指光子照射到气体中，激发气体分子或原子中的电子跃迁到导体中，产生电子电流的现象。
光电器件中的光电吸收是指光子照射到半导体材料中，激发半导体中的电子跃迁到导体中，产生电子电流的现象。
半导体材料具有能带结构，包括导带和价带。
导带中的电子具有较高的能量，而价带中的电子具有较低的能量。
当光子的能量大于半导体能带间隙时，光子会激发半导体中的电子跃迁到导带中，形成自由电子和空穴。
自由电子和空穴在半导体中运动，形成电流。
这种光电吸收效应是光电器件中常见的光电转换机制。
半导体材料在光电器件中起着关键的作用。
半导体材料具有特殊的电子结构，能够实现光电子的发射和吸收。
常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等。
这些材料具有不同的能带结构和光电特性，适用于不同类型的光电器件。
例如，硅材料具有较宽的能带间隙，适用于制作光电探测器和太阳能电池等器件。
结型场效应管的工作原理
结型场效应管的工作原理
结型场效应管是一种可以控制电子流的电子器件，它是由一个材料构成的，具有独特的电学特性。
它的基本结构由三个主要部件组成，包括源极、漏极和栅极。
它们之间形成一个封闭的闭合环路，由于此环路可以控制电子流，因此结型场效应管也被称为控制管。
当一个电压施加于结型场效应管的栅极时，它会产生一个叫做栅极电流的电流，这个电流会产生一个磁场，这个磁场的强度取决于施加的电压的大小。
栅极电流通过漏极时，它会在漏极附近产生一个反向的磁场，这个磁场的强度也取决于施加的电压的大小。
当这两个磁场的强度与施加的电压的大小相等时，就会形成一个稳定的环境，这就是结型场效应管的工作原理。
这种稳定的环境可以控制电子流，从而控制电路中其他器件的工作。
结型场效应管可以应用于各种电路中，比如放大电路、滤波电路、可调网络电路等，它们都可以使用结型场效应管来控制电子流。
在电路中，只要调节电压的大小，就可以控制电子流的大小，从而控制电路中各个器件的工作。
结型场效应管具有良好的稳定性，它能够更好地控制电子流，使得电路更加安全可靠。
结型场效应管可以用在各种电子电路中，具有广泛的应用前景。
结型光电探测器
艺提升等方面的研究进展。
未来研究方向展望
第一季度
第二季度
第三季度
第四季度
新材料探索
随着材料科学的不断发 展，探索具有优异光电 性能的新型材料，如二 维材料、拓扑材料等， 将为结型光电探测器的 性能提升提供新的可能 。
器件集成与微型化
研究结型光电探测器的 集成技术和微型化工艺 ，实现高性能、小型化 的光电探测系统，以满 足日益增长的便携式和
背景光噪声
由于环境背景光干扰产生的噪声。可通过采用滤 光片、降低环境光强等方式抑制背景光噪声。
04 应用领域与案例分析
红外成像技术应用
01
02
03
红外夜视仪
结型光电探测器可将红外 辐射转换为可见光图像， 用于夜间或低光环境下的 目标识别和跟踪。
红外热像仪
通过捕捉物体发出的红外 辐射，结型光电探测器可 生成热图像，用于工业检 测、医疗诊断等领域。
和高频应用。
制备工艺流程简介
外延生长
通过化学气相沉积（CVD）、 分子束外延（MBE）等方法在 衬底上生长所需材料。
电极制备
在器件表面制备金属电极，形 成欧姆接触。
材料准备
选择适当的衬底材料，如硅、 玻璃等，并进行清洗和烘干。
器件加工
利用光刻、刻蚀等技术将外延 片加工成具有特定结构的器件 。
封装测试
红外光谱仪
结型光电探测器可用于红 外光谱分析，识别物质成 分和结构。
可见光通信领域应用
可见光通信（VLC）
01
结型光电探测器可将可见光信号转换为电信号，实现高速、低
成本的无线通信。
室内定位
02
利用结型光电探测器接收室内光源信号，实现室内定位和导航
三极管的工作原理
三极管的工作原理标题：三极管的工作原理引言概述：三极管是一种重要的半导体器件，广泛应用于电子电路中。
它具有放大、开关和稳压等功能，是现代电子技术中不可或缺的元件之一。
本文将详细介绍三极管的工作原理。
一、三极管的结构1.1 发射极：三极管的发射极是控制电流流动的地方，它通常是N型材料。
1.2 基极：基极是控制三极管导通的关键，它通常是P型材料。
1.3 集电极：三极管的集电极是输出端，用于接受电流，通常是N型材料。
二、三极管的工作原理2.1 放大作用：当在基极加上一个微小的电流时，会引起发射极和集电极之间的电流增加，从而实现信号的放大。
2.2 开关作用：通过控制基极电流的大小，可以控制三极管的导通和截止，实现开关功能。
2.3 稳压作用：在一定的工作区域内，三极管的输出电流与输入电流之间的关系是近似线性的，可以实现稳压功能。
三、三极管的工作状态3.1 截止状态：当基极电流为零时，三极管处于截止状态，无法导通电流。
3.2 饱和状态：当基极电流足够大时，三极管会进入饱和状态，此时发射极和集电极之间的电流达到最大值。
3.3 放大状态：在基极电流较小的情况下，三极管可以实现信号的放大。
四、三极管的工作原理与晶体管的区别4.1 结构不同：三极管有三个电极，而晶体管只有两个。
4.2 工作原理不同：三极管是通过控制基极电流来控制输出电流的，而晶体管是通过控制栅极电压来控制输出电流的。
4.3 应用领域不同：三极管主要用于功率放大和开关控制，而晶体管更多地用于集成电路和高频电路中。
五、三极管的应用5.1 放大器：三极管可以作为放大器来放大信号。
5.2 开关：三极管可以作为开关来控制电路的通断。
5.3 稳压器：三极管可以作为稳压器来维持电路的稳定输出。
结论：通过本文的介绍，我们了解了三极管的结构、工作原理、工作状态、与晶体管的区别以及应用领域。
三极管作为一种重要的半导体器件，在电子技术中有着广泛的应用，对于理解和应用电子电路具有重要意义。
第三章 结型光电器件
取决于发射结电容C、RL和光生载 流子的基区渡越时间 时间常数长达5~10μs
3.4 结型光电器件的放大电路
3.4.1 结型光电器件与放大三极管的连接
硅管
锗管
硅管
3.4.2 光电器件与集成运算放大器的连接
B A B A 电压 C 跟随 器
3.5 特殊结型光电二极管
3.5.1 象限探测器
每个区域相当 于一个光电二 极管 它们应有相同 的转换效率 缺点： ①由于表面分割，从而产生死区 ②若光斑落入一个象限，则无法判断输光斑的准确位置 ③受光强变化的影响，分辨率不高
第三章 结型光电器件
结型 光电器件主要包括：
光电池、光电二极管、光电晶体管、PIN管、雪崩光电二极管、 光可控硅、象限式光电器件、位置敏感探测器（PSD）、光电 耦合器件等
可以分为：PN结型、PIN结型、肖特基结型
3.1 结型光电器件工作原理
3.1.1 热平衡下的PN结
P 内建电场消弱扩 散、增强漂移， 直到两者达到平 衡。 E内
RL
1)
(1)开路时
IL 0
Isc2 E3 Isc1 E4
U oc
kT I p kT S E E 对数 kT I p ln ln 1 ln 关系 q I0 q I q 0 I0
例：设一光电池，在入射辐照度为100W/m2时的开路电压为0.412V，求该 光电池在入射辐射照度变为150W/m2时的开路电压，已知环境温度为 T=300K。(波耳兹曼常数K=1.38×10-23焦/度)。
I（ μ A ） U(V) -0.5 -5.5
E=0 E=100W/m2
RL U b
RL
第6章结型光电器件
2、光电池用作检测元件
利用其光敏面大，频率响应高，光电流与照 度线性变化，适用于开关和线性测量等。
具体工程应用
1.太阳能手电筒
2.用太阳电池的光控安全灯
p+
PN结光伏探测器的作用原理如图所示： 假定光生电子-空穴对在结的结区，即耗尽 区内产生。由于内电场作用，电子从p区向 n区漂移运动，被内电场分离的电子和空穴 就在外回路中形成电流。
p
Ec
EF Ev o
光子
-
n
+
光生空穴
p
+
电离受主
---
电离施主
++ ++
L
x 光生电子
-
n
耗尽层
E i
6.1.1光伏探测器的工作模式
光伏探测器的伏安特性曲线如图所示。 从图可见，第一象限是正偏压状态，id本来就很 大，所以光电流不起重要作用。作为光电探测器， 工作在这一区域没有意义。 第三象限里，是反偏压状态。 i 暗电流随反向偏压的增大 有所增大，最后id=iO 光电流Ip几乎与反向电压 高低无关。 u 这对应于光导工作模式。
i
id
ip
u R
L
RL
V
(a)
(b)
(c)
(d)
我们知道，普通二极管的伏安特性为
id iO (e
eu / k T
1)
因此，光伏探测器的总伏安特性应为id和 i p 之和，考虑到二者的流动方向，我们有：
i id i p iO (e
eu / k T
1) i p
式中i是流过探测器的总电流，e是电子电荷， u是探测器两端电压，K是玻耳兹曼常数，T 是器件的绝对温度。 把上式中i和u为纵横坐标作成曲线，就是光 伏探测器的伏安特性曲线。
第三章结型光电器件
N型半导体
+ + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + +
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡， 扩散运动 相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚 度固定不变。
电位V
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
qU KT
1)
3.2.2 硅光电池的特性参数
• 1、光照特性：
•在一定的照度下，U-I曲 线在横轴的截距，代表该 照度下的开路电压Uoc。 曲线在纵轴的截距，代表 该照度下的短路电流Isc。 硅光电池的Uoc一般为 0.45～0.6V，最大不超过 0.756v，因为它不能大于 PN结热平衡时的接触电 势差。
quD kT
1 ) I S ( e VT 1 )
–1.0 –0.5
uD
1.0
其中： uD ——外加电压 IS ——反向饱和电流 VT =kT/q——温度的电压当量 （其中玻尔兹曼常数k=1.38×10-23J/K，电子 电量q=1.6×10-9C，则VT=T/11600V） 在常温下（T=300K）：
光敏二极管
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。
光电器件的原理
光电器件的原理一、引言光电器件是指利用光电效应将光能转化为电能或将电能转化为光能的器件，广泛应用于通信、医疗、工业等领域。
本文将介绍光电器件的原理。
二、光电效应1.定义光电效应是指当金属或半导体表面受到光照射时，会发生物理现象，即从材料表面发射出带有动能的电子。
2.原理当金属或半导体表面受到一定频率的光照射时，会激发出材料内部的自由电子。
这些自由电子具有一定动能，如果它们在材料表面遇到一个势垒（如金属表面），就可以跃出材料并形成一个外部的电流。
这就是光电效应。
三、常见的光电器件1. 光敏二极管(1)定义：光敏二极管是利用半导体PN结的单向导通性和内部载流子浓度随外界可见光照射强度变化而变化的特性制成的。
(2)原理：当可见光照射到PN结上时，会产生内部载流子，并且PN结的电阻值会发生变化，因此就可以检测到光信号。
2. 光电二极管(1)定义：光电二极管是利用PN结的单向导通性和内部载流子浓度随外界光照射强度变化而变化的特性制成的。
(2)原理：当光照射到PN结上时，会产生内部载流子，并且PN结的电阻值会发生变化，因此就可以检测到光信号。
3. 光电探测器(1)定义：光电探测器是一种能将光信号转换为电信号的器件。
(2)原理：当可见光照射到探测器上时，会产生内部载流子，并且探测器的电阻值会发生变化，因此就可以检测到光信号并将其转换为电信号。
四、应用1. 通讯领域在通讯领域中，光敏二极管和光电探测器被广泛应用于接收和发送端。
例如，在光纤通讯中，通过将信息转换为脉冲光信号进行传输。
2. 医疗领域在医疗领域中，利用激光和其他光源对组织进行切割和治疗。
同时，光电探测器也被用于医学成像，例如X光、MRI等。
3. 工业领域在工业领域中，利用激光器对金属进行切割和焊接。
同时，利用光电器件检测和控制工业生产过程中的各种参数。
五、总结本文介绍了光电效应的原理，并介绍了几种常见的光电器件及其原理和应用。
随着科技的不断发展，相信在未来会有更多更先进的光电器件被应用于各个领域。
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包括
——光电池;
——光电二极管，光电晶体管； ——PIN光电二级管； ——雪崩光电二极管； ——象限式光电器件； ——位置敏感探测器(PSD)； ——光电耦合器件等。
3.1 结型光电器件工作原理
一、热平衡状态下的PN结
在热平衡条件下，PN结中净电流为零。如果有外 加电压时结内平衡被破坏,这时流过PN结的电流 方程为
第3章 结型光电 器件
第3章 结型光电器件
§3.1 结型光电器件的工作原理
§3.2 硅光电池
§3.3 硅光电二极管和硅光电三极管 §3.4 结型光电器件的放大电路 §3.5 特殊结型光电二极管 §3.6 结型光电器件的应用实例——光电耦合器件
半导体结型光电器件利用光生伏特效应工作 。
1) I D
式中，ID为结电流; I0是反向饱和电流,是光电池加
反向偏压后出现的暗电流。
当I L =0,RL=∞(开路)时,光电池的开路电压以UOC
表示,由式(4-4)解得
U OC
当Ip>>I0时
IP kT ln( 1) q I0
U OC
kT IP ln( ) q I0
(3-8)
硅光电池的等效电路见图(b)。迚一步简化,可画成
图(c)所示等效电路。
三、硅光电池的特性参数
1、光照特性 光电池的光照特性主要有 ——伏安特性；
——照度-电流电压特性；
——照度-负载特性。
硅光电池的伏安特性,表示输出电流和电压随负
载电阻变化的曲线。
如图所示为丌同照度时的伏安特性曲线,一般硅
它的光电流随照度变化而变化。这种状态称为光电
导工作模式。
根据以上分析,按式(3-2)可画出PN结光电器件
在丌同照度下的伏安特性曲线,如图所示。
光电池、光电二极管各工作在哪个工作模式？
3.2硅光电池
光电池的主要功能是在丌加偏置电压的情况下能将光信
号转换成电信号。
一、光电池的分类
具体要求而定。
4、温度特性
光电池的温度特性曲线是指光照射光电池时开路电压UOC
不短路电流ISC随温度变化的情况,光电池的温度特性曲线如
图所示。
由图可以看出,开路电UOC具有负温度系数, 其值约为2～ 3mV/℃,短路电流 ISC 具有正温度系数, 约为10-5 ～ 103mA/℃数量级。
四、光电池的应用
流过负载R L的
总电流IL=Ip-ID,因为
ID不施加在PN结的
电压U=IL(RL+Rs)有
关,且 ID=I0(eqU/kT-1), 因此
I L I P I D I P I 0 (e qU / kT 1) (3-2)
式(4-2)以光电流Ip的方向为正向。
由于Ip不光照有关,并随光照的增大而增大,
1、 测量光电池（光电探测器件）
利用光电池做探测器有频率响应高，光电流随光照度线 性变化等特点。它被广泛地应用在光度、色度、光学精密 计量和测试中。如图所示
2、太阳光电池（将太阳能转化为电能） 结构简单、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、能直 接将太阳能转换成电能。 主要用作电源 。实际应用中， 把硅光电池经串联、并联组成电池组。如图所示
光电池工作在第四象限。若硅光电池工作在反偏置
状态,则伏安特性将延伸到第三象限。
硅光电池的电流方程式为：
I L I P I D I P I0 (e
当E=0时(无光照时）,有
qU / kT
1)
S E E I0 (e
qU / kT
1)
I L I 0 (e
qU / kT
内建电场方向相反的光生电动势，这就是光生
伏特效应。
2、光照下PN结的电流方程
有光照时,如图 (a)所示。若PN结外电路
接上负载电阻RL,此时
在PN结内会出现两种
方向相反的电流。 ——光生电流Ip； ——正向电流ID; ID=I0(eqU/kT-1)
(3-1)
图(b)示出了PN结在光伏工作模式下的等效电路。
且随负载RL的增大线性
范围也越来越小。如图
为硅光电池光照不负载
的特性曲线。
2、光谱特性
硅光电池的光谱响应特性表示在入射光能量
保持一定的条件下，光电池所产生的短路电流不入 射光波长之间的关系，一般用相对响应度表示。
在线性测量中，丌仅要求光电池有高的灵敏
度和稳定性，有时还要求不人眼视见函数有相似的 光谱响应特性。
2DR型（P-Si)和2CR型（N-Si）
硅光电池结构如图(a)所示。为便于透光和减小串联电阻,一 般硅光电池的输出电极多做成如图 (b)的形式。图(c)为光电 池的电路符号。
2、 硅光电池的工作原理如图 (a)所示,由此可
写出硅光电池的电流方程,即
I L I P I D I P I 0 (e qU / kT 1)
如图所示,2CR型硅光电池的光谱曲线,其响应 范围为0.4～1.1μm,峰值波长为0.8
～ 0.9μm。
图中所示的2CR1130-01型和2CR1133型光
电池为适合人眼的光电池。
如图所示为几种常见光电池的相对光谱响应曲线。
3、频率特性
对于结型光电器件,由于载流子在PN结区内
的扩散、漂移,产生不复合都要有一定的时间,所以当
当RL=0时所得的电流称为光电池短路电流,以ISC
表示,即
I SC I P S E E
Байду номын сангаас
(3-9)
式中: SE——光电池的光电灵敏度;
E——入射光照度。
如图所示为光电池的短路
光电流ISC、开路电压UOC 不光照度的关系。
实际使用时都接有负载电阻RL，输出电流IL 非线性地缓慢增加，并
随照度(光通量)的增加而
其他光电池及在照度测量中的应用
柔光罩下面为圆形光电池
太阳能赛车 太阳能 硅光电池板
太阳能电动机模型
太阳能发电
光电池在人造卫星上的应用
I D I 0e
qU / kT
I0
式中,第一项I0eqU/kT代表正向电流，第二项I0代表反向饱和 电流
正向电流与外加电压以有关？
二、光照下的PN结
1、PN结光伏效应
PN结受光照射时，就会在结区产生电子-空穴对。
受内建电场的作用，空穴顺着电场运动，
电子逆电场运动，最后在结区两边产生一个不
(3-5)
一般情况下,IP>>I0,所以
U OC
kT I P kT S E E ln( ) ln( ) q I0 q I0
(3-6)
UOC表示：在一定温度下,开路电压不光电流的对数成 正比。即,不照度或光通量的对数成正比。
(2)当负载电阻短路(即RL=0)时,光生电压
接近于零,流过器件的电流叫短路电流,用ISC 表示。这时短路电流为
因此,可表示为
I P SE E
(3-2)可改写为
(3-3)
式中,SE为光电灵敏度(也称光照灵敏度)。所以,式
I L S E E I 0 (e
qU / kT
1)
(3-4)
(1)当负载电阻RL断开(IL=0)时,P端对N端的电压
称为开路电压,用UOC表示,由式(3-2)得
U OC
kT IP ln(1 ) q I0
光照变化很快时,光电流就滞后于光照变化。
矩形脉冲光照，可用光电流上升时间常数tr 光电池接收正弦型光照时，常用频率特性曲线表
和下降时间常数tf来表征光电流滞后于光照的程度；
示。
如图所示为硅光电池的频率特性曲线。
由图可见，负载电阻大时频率特性变差，减小负载电阻 可减小时间常数τ ，提高频响。 但是负载电阻RL的减小会使输出电压降低,实际使用时视
I SC I P S E E
(3-7)
这表明PN结光电器件的短路光电流ISC不照度或光 通量成正比,从而得到最大线性区。
3、两种工作模式
1）如果工作在零偏置的开路状态,PN结型光电 器件产生光生伏特效应,这种工作原理称光伏工作模 式。
2）如果工作在反偏置状态,无光照时结电阻很大,
电流很小;有光照时,结电阻变小,电流变大,而且流过
按用途 太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低） 测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等） 按材料 硅光电池：光谱响应宽，频率特性好 硒光电池：波谱峰值位于人眼视觉内 薄膜光电池：CdS增强抗辐射能力 紫光电池：PN结0.2~0.3 µm,短波峰值600nm
二、 硅光电池的基本结构和工作原理
1、硅光电池按基底材料不同,分为