浅谈光电池与光电阻

浅谈光电池与光电阻

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检测技术报告

时间：2008-12-28 02:04:32 Tag：光敏电阻原理点击：168

光电传感器的应用与新技术

——浅谈光电池与光电阻

当光照射到物体上会使物体发射电子或导电率发生变化或产生光电动势等现象，这种因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应。按照产生这些特性的原因不同，光电效应又分为光导效应，光生伏特效应及光电发射效应。光电检测器件就是利用物质的这些光电效应把光信号转换成电信号的器件。

光电检测器件有很多种类，最常见的是光电池与光电阻传感器。

光电池是光电类传感器的一种，它的主要功能是在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号。光电池的种类繁多，早期出现的有氧化亚铜光电池，因转换效率低已很少应用，此外有硒、硫化铊、硫化镉、锗、硅、砷化镓等制成的光电池。按用途划分光电池可分为太阳能光电池和测量光电池两大类。太阳能光电池主要用作电源，由于它结构简单。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。因而不仅成为航天工业上的重要电源。还被广泛地应用与人们的日常生活中。测量光电池的主要功能是作为光电探测用，对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好、寿命长，它被广泛地应

用在光度、色度、光学精密计量和测试中。

目前应用较多的是硒光电池和硅光电池。硒光电池因光谱特性与人眼视觉很相近，频谱较宽，故多用于日落光表及照度计。硅光电池与其它半导体光电池相比，是目前转换效率最高17%，几乎接近理论极限的一种光电池。此外，还有薄膜光电池、紫光电池、异质结光电池等。薄膜光电池是把硫化偏等材料制成薄膜结构，以减轻重量、简化阵列结构，提高抗辐射能力和降低成本。紫光电池是把硅光电池的PN结减薄至结深为0.2～0.3μm，光谱响应峰值移到600nm左右,来提高短波响应，以适应外层空间使用。与上述同质结光电池不同，异质结光电池利用不同禁带宽度的半导体材料做成异质PN结，入射光几乎全透过宽禁带材料一侧，而在结区窄禁带材料中被吸收，产生电子一空穴对。利用这种“窗口”效应提高人射光的收集效率，以获得高于同质结硅光电池的转换效率，理论上最大可达30%，但目前因工艺尚未成熟，仍低

于硅光电池。

光电池的主要原理是光生伏特效应，当用hν足够大的光照射一均匀半导体的表面时，由于半导体对光的吸收而在半导体的近表面层中产生高浓度的光生非平衡电子空穴对。这样就造成从半导体近表面层至内部的载流子浓度梯度，因而发生两种载流子都向半导体内部的扩散运动。非平衡电子和空穴的扩散运动方向相同，因此它们的扩散电流方向相反。由于迁移率与载流子的有效质量有关，而电子的有效质量比空穴小。所以电子的迁移率和扩散系数比空穴的大，因此电子比空穴扩散得较快并且扩散到较深的半导体内部。在没有其它场的影响时，这种扩散的差异导致电荷的分开积聚，从而使半导体表面带正电而内部带负电，于是建立起光生电场。这种电场又可引起电子和空穴的漂移运动。两种载流子的漂移运动方向相反，所以它们的漂移电流方向相同。在载流子的漂移运动和扩散运动达到动态平衡后，总电流应为零，在受照

表面与暗表面之间产生一定的开路光电压，于是在光生载流子的扩散在光的传播方向产生了电位差，形成

了光电池。

光电阻传感器是另一种光电类传感器，它是将光信号转换为电阻变化的一种传感器。若用这种传感器测量其它非电量时，只要将被测非电量的变化转换为光信号的变化即可。此种测量方法具有结构简单、

非接触、高可靠性、高精度和反应快等优点。

光电阻传感器又分为光敏电阻和光敏晶体管。光敏电阻的基本原理为光电导效应，在本征半导体中，电子未获得其它能量之前处于基态，价带充满着电子，导带没有电子，而因晶体缺陷产生的能级又不能激发自由电子时，则这些材料的电阻是较大的。但是，如果这些材料内的电子受到一种外来能量如光子的激发，且这种激发又能使电子获得足够的能量越过禁带而跃入导带的话，则材料中就会产生大量的电子及空穴(光生载流子)参与导电，因而材料的电阻就相应减少。这是由本征光吸收所引起的光电导效应，又叫内

光电效应。

根据半导体材料的分类，光敏电阻有两种类型。一种是本征型光敏电阻，另一种是掺杂型光敏电阻。掺杂型光敏电阻中N型半导体材料制成的光敏电阻性能稳定，特性较好，故目前大都采用。光敏电阻若按它的光谱特性及最佳工作波长范围可分为三类：一类是对紫外光敏感的光敏电阻，如硫化镉和硒化镉等。另一类是对可见光敏感的光敏电阻，如硫化铊等。还有一类是对红外光敏感的光敏电阻，如硫化铅等。常见的光敏电阻有硫化镉光敏电阻、硫化铅光敏电阻、锑化铟光敏电阻、碲镉汞系列光敏电阻等。

光敏电阻和其它半导体光电器件相比有以下特点:(1)光谱响应范围相当宽。根据光电导材料的不同，光谱响应可从紫外光、可见光、近红外扩展到远红外，尤其对红光和红外辐射有较高的响应度。(2)工作电流大，可达数毫安。(3)所测光强范围宽。既可测强光也可测弱光。(4)灵敏度高。光导电增益大于1。(5)偏置电压低，无极性之分，使用方便。其缺点是在强光照射下光电转换线性较差。光电驰豫过程较长，频

率响应很低。

光敏晶体管又分为光敏二极管和光敏三极管。

半导体光敏二极管与普通二极管一样也有一个PN结，但为了获得尽可能大的光生电流，PN结面积比普通二极管要大得多。无光照时，只有热效应引起的微小暗电流经过PN结。光照时，产生附加的光生载流子，使流过PN结的电流骤增，使二极管处于导通状态。与光电池不同，光敏二极管一般在负偏压情况下使用，事实上，光敏二极管可以按光伏型工作(即无外加偏压)，也可以按光导型(实

际上是光伏、光导结合)工作，而后者是一种较好的工作型。

光敏二极管的种类很多，就材料来分，有锗、硅制作的光敏二极管，也有III-V族化合物及其它化合物制作的二极管。从结特性来分,有PN结、P-i-N结、异质结、肖特基势垒型及点接触型等。从对光的响应来分，有用于紫外、可见及红外等种类。不同种类的光敏二极管，具有不同的电特性和探测性能。例如，锗光敏二极管与硅光敏二极管相比，它在红外光区域有更大的灵敏度。这是由于锗材料的禁带宽度较硅小，它的本征吸收限处于红外，因此，在近红外应用，锗光敏二极管有较大的电流输出，但它比硅光敏二极管有较大的反向暗电流，因此，它的噪声较大。又如，P-i-N型或雪崩型光敏二极管与扩散型PN结光敏二极管相比具有很短的时间响应。常见的光敏二极管有点接触光敏二极管、扩散型P-N结光敏二极管、耗尽层型光敏二极管、扩散型P-i-N硅光敏二极管、硼光敏二极管等。它与光敏电阻相比具有灵敏度高、高频性

能好，可靠性好、体积小、使用方便等优点。

光敏三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光电二极管的普通三极管，为了使其对光有良好的响应，必须有一个感光面，即一个对光敏感PN结。当光照射到PN结附近时，使PN结附近产生光电子-空穴对，它们在PN结处于内电场的作用下，作定向运动，形成光电流，因此PN结的反向电流大大增