浅谈光电池与光电阻传感器

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1、浅谈光电池与光电阻传感器光电池一、光电池及其种类光电池是光电类传感器的一种，是一种特殊的半导体二极管，能在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号。光电池是利用半导体光伏效应制成的光电转换器件，它既可以作为电源，又可作为光电检测器件。作为电源使用的光电池也叫太阳能电池，能够把地球从太阳辐射中吸收的大量光能转化换成电能。太阳能电池不需要燃料，没有运动部件，也不排放气体，具有重量轻，工作性能稳定，光电装换效率高，使用寿命长，不产生污染等优点，作为一种新型能源在航天技术、气象观测、国防科技、气象观测、工农业生产以及人们的日

2、常生活中越来越得到越来越广泛的应用。作为光电检测器件使用的光电池具有反应速度快，工作时不需要外加偏压等特点，用于近红外探测器、光电耦合器、光电开关等。光电池的种类很多，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。其中碲化镉光电池很适合制作薄膜光电池，其理论转换效率达30％，是非常理想的光伏材料。砷化镓光电池大多采用液相外延法或MOCVD技术制备，期产品具有产品耐高温和辐射，但生产成本高，产量受限，目前主要作空间电源用。磷化铟光电池的抗辐射性能特别好多

3、用于空间方面。但其中最常用的还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，而且性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，传递效率高，能耐高温辐射等，因而最受重视。二、光电池的工作原理硅光电池的基本结构如图1所示，它的基片用低阻n型硅单晶制成，再用扩散硼（或磷）的方法在基片上形成p型膜，构成pn结。电子的热运动是无规则的，因此当无光照射时有一部分电子可从n区扩散到p区，同样有一部分空穴可

4、从p区扩散到n区。在扩散前p区和n区都是中性的。随着电子和空穴的扩散，n区靠近界面处将带正电荷，而p区靠近界面处将带负电荷，如图2中所示。这两个带电区就称为p-n结。在结中有一方向如图2所示的内建电场，这个内建电场对空穴和电子的继续扩散有阻碍作用，因而扩散率逐渐减少，最后达到动态平衡。在平衡状态时，n区电位比p区电位高一定数值，这个电位差称为势垒高度，势垒高度取决于p区和n区中的杂质浓度，而且势垒高度一般小于与禁带宽度相应的电位差。当有光照时，若光子能量hr大于半导体材料的禁带宽度，则p区和n区的原子，由于“吸收

5、”了光能而被激发，这时就会产生新的光生电子-空穴对。在p区，激发出的光生空穴比原有的空穴数少得多，可以略去不计，因而可以认为光照只增加了光生电子。这些电子在p-n结电场作用下，很快被拉到n区，同样，在n区激发的光生电子比原来的电子数少很多，也可略去不计，可认为光照只增加了光生空穴。这些空穴在p-n结电场作用下，随即被拉到p区。当光生空穴和电子被分别拉到p区和n区之后，原来pn失去的空穴和电子就可得以补偿。于是p-n结的电场势垒就被降低。这时，原来建立的动态平衡就被破坏，因而扩散运动又得以重新进行。这样就产生了光生

6、电动势。如接上外电路如图3所示，就有电流流过。图3下面列出部分国产硅光电池的主要技术参数：三、光电池的特性--其中以硅光电池为例①光电池与负载的关系硅光电池的输出电流及电压都与负载电阻有关。②电性能与光强度的关系当硅光电池外电路断开时，测得的端电压为开路电压，开路电压与光强度的对数成正比。当硅光电池外接电路短路时，测得的电流与光强度成正比。③硅光电池的暗特性曲线硅光电池不受光照时，起一个二极管的作用。硅光电池不受光照时，起一个二极管的作用。外加电压与电流间的关系曲线称为光电池的暗特性曲线。其一般形状如图4所示，图

7、4具体形状决定于p-n结特性曲线的硬度。光电池的正向电阻与反向电阻相差很大，前者一般不到1欧姆，后者可到几千欧姆。④硅电池的光谱响应对硅材料来说，能产生光生伏特效应的光波波长为0.4微米到1.1微米。光电池对不同波长的光，在相同照度下，单位面积上所产生的光电流不同，也即光电池对各种不同波长的光，其灵敏度是不同的。图5是以相对灵敏度（以峰值灵敏度为100%）表示的光谱特性曲线。从图中可见硅光电池光灵敏度峰值在0.8~0.95微米之间。图5⑤硅光电池的温度效应硅光电池的性能与使用温度有关，随着温度的升高，光谱响应曲线

8、向长波方向移动。但短路电流随温度的变化很微弱。⑥硅光电池的响应时间它表征光电池对于光强度突变的响应速度。响应时间决定于光电池的结电容C和负载电阻R的乘积R·C。⑦硅光电池的抗辐射本领光电池在宇宙空间中使用时，不可避免地要受到电子流、质子流、高能电磁波等辐射的轰击，使硅中载流子的扩散长度减少，因而光电池的性能也有退化。⑧硅光电池的寿命硅光电池的主要点电性能可在数年甚至十多年