光敏功能材料与传感器课件.ppt

1、光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 光敏材料能够将非电量的光信号转换成可检测的电光敏材料能够将非电量的光信号转换成可检测的电量，利用具有这种特性的材料制成的传感器。量，利用具有这种特性的材料制成的传感器。由光引起的电效应由光引起的电效应内光电效应内光电效应外光电效应外光电效应光生伏特效应光生伏特效应光照作用下使电子逸出物体表面的现象光照作用下使电子逸出物体表面的现象如：光电管、光电倍增器等如：光电管、光电倍增器等光的作用仅使物体的光的作用仅使物体的电阻率改变电阻率改变的现象的现象如：光敏电阻如：光敏电阻光照作用下使物体产生一定的电势光照作用下使物体产生一定的电势如：光敏二极管、光敏三极管

2、、光电池、如：光敏二极管、光敏三极管、光电池、光敏晶体管等光敏晶体管等光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 利用物质在光的照射下电导性能改变或产生利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的原理制成的光电器件称内光电效应器件，电动势的原理制成的光电器件称内光电效应器件，常见的有常见的有光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。一一 、内光电效应器件、内光电效应器件（一）光敏电阻（一）光敏电阻( (光导管光导管) )纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。随光照增强而减小。优点：

3、灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。不足：不足：需要外部电源，有电流时会发热。需要外部电源，有电流时会发热。 光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 1 1、光敏电阻的结构、光敏电阻的结构 A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬底引线电极引线光电导体 为了获得高的灵敏度，为了获得高的灵敏度，光敏电阻的光敏电阻的电极一般采用梳电极一般采用梳状图案状图案，结构见下图。，结构见下图。 光敏电阻的结构如图

4、所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上光敏电阻的结构如图所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有带有两个欧姆接触电极两个欧姆接触电极的光电导体。的光电导体。 光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。限，因此光电导体一般都做成薄层。光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器1-光导层光导层; 2-玻璃窗口玻璃窗口; 3-金属外壳金属外壳; 4-电极电极;5-陶瓷基座陶瓷基座; 6-黑色绝缘玻璃黑色绝缘玻璃;7-

5、电阻引线。电阻引线。 (b)电极RG (c)符号u 光敏电阻的制作方式光敏电阻的制作方式CdS光敏电阻的结构和符号（硫化镉）光敏电阻的结构和符号（硫化镉）1234567(a)结构 是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金（是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金（Au）或铟）或铟（In）等金属形成的。这种梳状电极，由于在间距很近的）等金属形成的。这种梳状电极，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。图（灵敏度。图（c）是光敏电阻的代表符号。）是光敏电阻的代表符号。光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 光敏电阻的

6、灵敏度易受湿度的影响，因此要将光光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将光电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。RGRLEI光敏电阻具有光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。，

7、因此应用比较广泛。 u 光敏电阻的制作方式光敏电阻的制作方式光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器2 2、光敏电阻的主要参数和基本特性、光敏电阻的主要参数和基本特性（1 1）暗电流、亮电流、光电流）暗电流、亮电流、光电流暗电流暗电流(Id)：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻暗电阻。此。此时在给定电压下流过的电流称为时在给定电压下流过的电流称为暗电流暗电流。亮电流：亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的的亮电阻亮电阻。此时在给定电

8、压下流过的电流称为。此时在给定电压下流过的电流称为亮电流亮电流。光电流光电流(IL) ：亮电流与暗电流之差。亮电流与暗电流之差。 光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小, ,则性能越好。也就则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。高。 实用的光敏电阻的暗电阻往往超过实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1M,1M,甚至高达甚至高达100M100M，而亮电阻则在几而亮电阻则在几k k以下，暗电阻与亮电阻之比在以下，暗电阻与亮电阻之比在10102 210106 6之间，之间，可见光敏电阻的

9、灵敏度很高。可见光敏电阻的灵敏度很高。 光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器（2 2）光照特性）光照特性 下图表示下图表示CdSCdS光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下，光光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光照度之间的关系。不同类型光敏电阻光照敏电阻的光电流和光照度之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同特性不同. .1000012345I/mA E/lx2000但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开

10、关光电开关。Lx:照度的国际单照度的国际单位（位（SI），又称），又称米烛光。米烛光。1流明的流明的光通量均匀分布光通量均匀分布在在1平方米面积上平方米面积上的照度，就是一的照度，就是一勒克斯。可以标勒克斯。可以标作勒克斯，作勒克斯，简称勒。英为简称勒。英为lux，简作简作lx 。 2 2、光敏电阻的主要参数和基本特性、光敏电阻的主要参数和基本特性光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化

11、镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。合起来考虑，才能获得满意的效果。204060801000.40.81.21.622.4/m312相对灵敏度1硫化镉硫化镉2硒化镉硒化镉3硫化铅硫化铅（3 3）光谱特性）光谱特性2 2、光敏电阻的主要参数和基本特性、光敏电阻的主要参数和基本特性光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间

12、的关系称为伏安特性。图中曲线系称为伏安特性。图中曲线1、2分别表示照度为分别表示照度为零零及照度为及照度为某某值值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能电压和最大额定电

13、流，可能导致光敏电阻永久性损坏。导致光敏电阻永久性损坏。5010015020012U/V02040I/ A（4 4） 伏安特性伏安特性2 2、光敏电阻的主要参数和基本特性、光敏电阻的主要参数和基本特性光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 当光敏电阻受到当光敏电阻受到脉冲光脉冲光照射时，光电流要经过一段时间照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同。特性不同，所以它们

14、的频率特性也不同。如图。硫化铅的使用频率比硫如图。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻化镉高得多，但多数光敏电阻的时延的时延（时间常数）（时间常数）都比较大，都比较大，所以，它不能用在要求快速响所以，它不能用在要求快速响应的场合。应的场合。20406080100I / %f / Hz010102103104硫化铅硫化镉（5 5）频率特性）频率特性2 2、光敏电阻的主要参数和基本特性、光敏电阻的主要参数和基本特性光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 光电二极管光电二极管基本结构是一个基本结构是一个PN结。结。它的结面积它的结面积小，因此它的频率特性特别好。小，因此它的频率特性特别好

15、。输出电流小，一般输出电流小，一般为几为几A到几十到几十A。按材料分，光电二极管有硅、砷按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。化镓、锑化铟光电二极管等许多种。 国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为，分为2CU和和2DU两种系列。两种系列。2CU系列以系列以N-Si为衬底为衬底，2DU系列以系列以P-Si为衬底。为衬底。2CU系列的光电二极管只系列的光电二极管只有两条引线，而有两条引线，而2DU系列光电二极管有三条引线。系列光电二极管有三条引线。 (二）光敏二极管和光敏三极管光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器光敏二极管

16、的结构与一般二极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，管相似、它装在透明玻璃外壳中，其其PNPN结装在管顶，可直接受到光照结装在管顶，可直接受到光照射。射。光敏二极管在电路中一般是处光敏二极管在电路中一般是处于于反向工作状态反向工作状态，如图所示。，如图所示。 光敏二极管符号光敏二极管符号PN光RL 光PN光敏二极管接线光敏二极管接线 1、光敏二极管、光敏二极管CL-5M3B 5mm Phototransistor光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器光敏二极管的光电流光敏二极管的光电流 I 与照度之间呈线性关系。光敏二极与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，

17、所以管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的适合检测等方面的应用。应用。光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。光敏二极管处于截止状态，这时只有少数载流子流很小。光敏二极管处于截止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流。在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流。暗电流；暗电流；当光照射时，光敏二极管导通。受光照射时，当光照射时，光敏二极管导通。受光照射时，PN结附结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使空穴对，从而使P区和区和N区的少数载流子浓

18、度大大增加，因此在外加反向偏压区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，和内电场的作用下， P区的少数载流子渡越阻挡层进入区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，区， N区的少数载流子渡越阻挡层进入区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过区，从而使通过PN结的结的反向电流大为增加，形成了光电流。反向电流大为增加，形成了光电流。光电流：光电流：1、光敏二极管、光敏二极管光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器（1 1） PINPIN管结光电二极管管结光电二极管 P-Si N-Si I-SiPIN管结构示意图 PIN PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在管是光电二极

19、管中的一种。它的结构特点是，在P P型型半导体和半导体和N N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，体。这样，PNPN结的内电场就基本上全集中于结的内电场就基本上全集中于 I I 层中，从而层中，从而使使PNPN结双电层的间距加宽，结电容变小结双电层的间距加宽，结电容变小, ,频带将变宽。频带将变宽。1、光敏二极管、光敏二极管光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器最大特点：频带宽，可达最大特点：频带宽，可达10GHz10GHz。特点：特点：另一个特点是，因为另一个特点是，因为I I层很厚，在反偏压下运用层很厚，在反偏压下运用, ,可承受

20、较可承受较高的反向电压高的反向电压，线性输出范围宽。由耗尽层宽度与外加电压，线性输出范围宽。由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。容要进一步减小，使频带宽度变宽。 I I层电阻很大，管子的层电阻很大，管子的输出电流小输出电流小，一般多为零点几微安，一般多为零点几微安至数微安。目前有将至数微安。目前有将PINPIN管与前置运算放大器集成在同一硅片管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。上并封装于一个管壳内的商品出售。 不足：不足：1、光敏二极管、光敏二极

21、管光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 雪崩光电二极管是利用雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。一种二极管。 这种管子这种管子工作电压很高工作电压很高，约，约100200V，接近于反向击穿电压。结区内，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞，同时与晶格碰撞而产生而产生电离雪崩反应电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，当电压等于反向击

22、穿电压时，电流增益可达电流增益可达106，即产生所谓的雪崩。这种，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，管子响应速度特别快，带宽可达带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电，是目前响应速度最快的一种光电二极管。二极管。 噪声大噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。但由于到放大器的噪声水平，以至无法使用。但由于APD的响应时间极短，灵敏的响应时

23、间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。度很高，它在光通信中应用前景广阔。 （2 2） 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)(APD)光敏二极管的种类和用途见表光敏二极管的种类和用途见表10-21、光敏二极管、光敏二极管光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器（1 1）光敏三极管有）光敏三极管有PNPPNP型和型和NPNNPN型两种，如图。型两种，如图。2、光敏三极管、光敏三极管 其结构与一般三极管很相似，具有电流增益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只是它的发射极一边做的很大很大,以扩大光的照射面积以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。当且其基极不接引线。

24、当集电极加上正电压集电极加上正电压, 基极开路时基极开路时,集电极处于集电极处于反向偏置状态反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时。当光线照射在集电结的基区时,会产生电子会产生电子-空穴对空穴对,在内电场的作用下在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极光生电子被拉到集电极,基区留下空基区留下空穴穴,使基极与发射极间的电压升高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这样便有大量的电子流向集电极,形成输形成输出电流出电流,且集电极电流为光电流的且集电极电流为光电流的倍。倍。 RL ECEPPNNNPe b bcec（1）（2）光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器)(1(CBOp

25、CIII IC:集电极电流；集电极电流；IP：基极与集电极：基极与集电极p-n结的光生电流；结的光生电流；ICBO：无光照时：无光照时p-n结反向饱和电流；结反向饱和电流； ：共发射极直流放大系数。：共发射极直流放大系数。pCII)1( 一般反向饱和电流一般反向饱和电流ICBO很小，所以有：很小，所以有：2、光敏三极管、光敏三极管光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器（2）光敏三极管的主要特性：）光敏三极管的主要特性： 光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子

26、空穴对。当入射相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PNPN结，因而使相对灵敏度结，因而使相对灵敏度下降。下降。 光谱特性光谱特性相对灵敏度/%硅锗入射光/40008000120001600010080604020 0硅的峰值波长为硅的峰值波长为9000，锗的峰值波长为锗的峰值波长为15000。由于锗管的暗电流比硅管由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差

27、。大，因此锗管的性能较差。故在故在可见光或探测赤热状可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管态物体时，一般选用硅管；但对但对红外线进行探测时红外线进行探测时,则采用锗管较合适。则采用锗管较合适。2、光敏三极管、光敏三极管光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器伏安特性伏安特性 光敏三极管的伏安特性曲线如图所示。光敏三极管在不光敏三极管的伏安特性曲线如图所示。光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极e与基极与基极b之间的之间的P

28、N结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。电信号，而且输出的电信号较大。0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080光敏晶体管的伏安特性U/V2、光敏三极管、光敏三极管光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器光敏晶体管的光照特性I / AL/lx200400600800100001.02.03.0 光敏三极管的光照特性如图所示。它给出了光敏三光敏三极管的光照特性如图所示。它

29、给出了光敏三极管的输出电流极管的输出电流 I I 和照度之间的关系。它们之间呈现和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大了近似线性关系。当光照足够大( (几几klx)klx)时，会出现饱时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。作开关元件。 光照特性光照特性2、光敏三极管、光敏三极管光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器暗电流/mA10 20 30 40 50 60 70T /C25 050光电流/mA100 02003004001020 30 4050 60 70 80T/C光敏晶体管的温度特性

30、 光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则大所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。将会导致输出误差。温度特性温度特性2、光敏三极管、光敏三极管光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 光敏三极管的频率特性曲线如图所示。光敏三极管的频率光敏三极管的频率特性曲线如图所示。光敏三极管的频率特性受负载

31、电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在入射光的调制频率要求在5 5k kHzHz以下。硅管的频率响应要比锗管以下。硅管的频率响应要比锗管好。好。0100100050050001000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k入射光调制频率 / HZ相对灵敏度/%光敏晶体管的频率特性光敏晶体管的频率特性频率特性频率特性2、光敏三极管、光敏三极管光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 光传感

32、器的应用光传感器的应用鼠标中的红外接收管就是光传感器。鼠标移动时，滚球带动鼠标中的红外接收管就是光传感器。鼠标移动时，滚球带动 x、y 方向两个码盘转动，红外管接收到一个个红外线脉冲。计方向两个码盘转动，红外管接收到一个个红外线脉冲。计算机分别统计算机分别统计 x、y 两个方向上的脉冲信号，就能确定鼠标的位两个方向上的脉冲信号，就能确定鼠标的位置。置。1.鼠标器鼠标器光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 光传感器的应用光传感器的应用(光敏三极管的应用光敏三极管的应用)2. 火灾报警器火灾报警器光电三极管是烟雾火警报警器中的光传感器。平时，发光电三极管是烟雾火警报警器中的光传感器。平时，发光

33、二极管发出的光被不透明挡板挡住。当有烟雾时，烟雾对光二极管发出的光被不透明挡板挡住。当有烟雾时，烟雾对光有散射作用，光电三极管接收到散射光，电阻变小，使报光有散射作用，光电三极管接收到散射光，电阻变小，使报警电路工作。警电路工作。光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 光传感器的应用光传感器的应用3.3.光电池光电池 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。由由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池。它是基于光生伏于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。它有较大面积的特效

34、应制成的，是发电式有源元件。它有较大面积的PN结，当光照射结，当光照射在在PN结上时，在结的两端出现电动势。结上时，在结的两端出现电动势。光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 光传感器的应用光传感器的应用u命名方式：命名方式：把光电池的半导体材料的名称冠于光电池把光电池的半导体材料的名称冠于光电池(或太或太阳能电池阳能电池)之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前等。目前,应用最广、最有发展前途的是硅光电池。应用最广、最有发展前途的是硅光电池。u砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应

35、特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。面的应用是有发展前途的。u硅光电池硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。光。u硒光电池光电转换效率低硒光电池光电转换效率低(0.02)、寿命短，适于接收可、寿命短，适于接收可见光见光(响应峰值波长响应峰值波长0.56m)，最适宜制造照度计。，最适宜制造照度计。光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 光传感器的

36、应用光传感器的应用 硅光电池的结构如图所示。它是在一块硅光电池的结构如图所示。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺型硅片上用扩散的办法掺入一些入一些P型杂质型杂质(如硼如硼)形成形成PN结。结。（1 1）光电池的结构和工作原理）光电池的结构和工作原理+光PNSiO2RL(a) 光电池的结构图光电池的结构图当光照到当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子电子-空穴对，空穴对，只要只要入射光子能量比半导体禁带宽度大入射光子能量比半导体禁带宽度大，在结区、，在结区、P区和区和N区都会引起本征激发而区都会引起本征激发而产生电子空穴对产生

37、电子空穴对，N区的光生空穴和区的光生空穴和P区的光区的光生电子会向结区扩散生电子会向结区扩散，只要在载流子寿命时间内到达结区，只要在载流子寿命时间内到达结区，强大的内建强大的内建电场就会把电场就会把P区的光生电子拉向区的光生电子拉向N区，把区，把N区的光生空穴拉向区的光生空穴拉向P区。区。因而导致在因而导致在N区区边界有边界有光生电子光生电子积累积累，在，在P区区边界有边界有光生空穴光生空穴积累，产积累，产生一个与内建电场相反的光生电场，生一个与内建电场相反的光生电场，使原来的势垒高度降低，相当于在使原来的势垒高度降低，相当于在PN结上加上一个正向电压结上加上一个正向电压V，这就是光，这就是光

38、生电动势。生电动势。光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 光传感器的应用光传感器的应用光电池的示意图光电池的示意图+光PNSiO2RL(a) 光电池的结构图(b) 光电池的工作原理示意图I光 P N若将若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由电流的方向由P区流经外电路至区流经外电路至N区。若将外电路断开，区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。就可测出光生电动势。（1 1）光电池的结构和工作原理）光电池的结构和工作原理光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 光传感器的应用光传感器的应用光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。光

39、电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。IU(b) 光电池符号和基本工作电路光电池符号和基本工作电路IdUIRLI(c)(a)光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 光传感器的应用光传感器的应用204060801000.40.60.81.01.20.2I / %12/m 光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可看出，硒光光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可看出，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在，峰值波长在850

40、nm附近，因此硅光电池附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。可以在很宽的范围内应用。1硒光电池2硅光电池（2 2）基本特性）基本特性光谱特性光谱特性光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 光传感器的应用光传感器的应用 光电池作为光电池作为测量、计数、接收元件测量、计数、接收元件时常用调制光时常用调制光输入。输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系光频率变化的关系。由于光电池。由于光电池PNPN结面积较大，极间结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率响应曲线。电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率响应曲线。由图可知

41、，硅光电池具有较高的频率响应，如曲线由图可知，硅光电池具有较高的频率响应，如曲线2 2，而，而硒光电池则较差，如曲线硒光电池则较差，如曲线1 1。204060801000I / %1234512f / kHz1硒光电池2硅光电池频率特性频率特性光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器 光传感器的应用光传感器的应用 光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。由图可见，开路电压与短路电流均随温度而变化，的关系。由图可见，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量它将关系到应用光电池的仪器设备的

42、温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。2004060904060UOC/ mVT / CISCUOCISC / A600400200UOC开路电压开路电压ISC 短路电流短路电流硅光电池在硅光电池在1000lx照照度下的温度特性曲线度下的温度特性曲线温度特性温度特性光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器二、二、 外光电效应器件外光电效应器件 利用物质在光的照射下发射电子的外光电利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电

43、器件效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。光电器件，如光电管和光电倍增管。光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器三、半导体色敏传感器三、半导体色敏传感器 半导体色敏传感器是半导体光敏感器件中的一半导体色敏传感器是半导体光敏感器件中的一种。种。 它是基于内光电效应将光信号转换为电信号的它是基于内光电效应将光信号转换为电信号的光辐射探测器件。色敏传感器是各种类型测色仪器光辐射探测器件。色敏传感器是各种类型测色仪器的关键元素。的关键元素。 光敏传感器件不管是光电导器件还是光生伏特光敏传感器件不管是光电导器件还是光生伏特效应器件，它们检测的

44、都是在一定波长范围内效应器件，它们检测的都是在一定波长范围内光的光的强度强度, , 或者说光子的数目。或者说光子的数目。 半导体色敏器件则可用来直接测量半导体色敏器件则可用来直接测量从可见光到从可见光到近红外波段内单色辐射的波长。近红外波段内单色辐射的波长。这是近年来出这是近年来出现的一种新型光敏器件。现的一种新型光敏器件。 光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器三、半导体色敏传感器三、半导体色敏传感器其结构原理及等效电其结构原理及等效电路如图路如图3131所示。所示。 为了说明为了说明色敏传感器的工作原理色敏传感器的工作原理, , 有必要了解光电二极管的有必要了解光电二极管的工作机理。工作

45、机理。 图图 31（一）半导体色敏传感器的基本原理（一）半导体色敏传感器的基本原理半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电二极管的半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电二极管的组合组合, 故又称光电双结二极管。故又称光电双结二极管。光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器三、半导体色敏传感器三、半导体色敏传感器 对于用半导体硅制造的光电二极管对于用半导体硅制造的光电二极管, 在受光照射时在受光照射时, 若入若入射光子的能量射光子的能量h 大于硅的禁带宽度大于硅的禁带宽度Eg, 则光子就激发价带中则光子就激发价带中的电子跃迁到导带而产生一对电子的电子跃迁到导带而产生一对电子-空穴。空穴。 1、

46、（复习）光（敏）电二极管的工作原理、（复习）光（敏）电二极管的工作原理 这些由光子激发而产生的电子这些由光子激发而产生的电子空穴统称为空穴统称为光生载流子光生载流子。 光电二极管的基本部分是一个光电二极管的基本部分是一个-结结, 产生的光生载流子只产生的光生载流子只要能扩散到势垒区的边界要能扩散到势垒区的边界, 其中少数载流子（专指其中少数载流子（专指P P区区中的电子和中的电子和N N区的空穴）就受势垒区强电场的吸引区的空穴）就受势垒区强电场的吸引而被拉向对面区域而被拉向对面区域, , 这部分少数载流子对电流作出这部分少数载流子对电流作出贡献。贡献。 多数载流子（多数载流子（P区中的空穴或区

47、中的空穴或N区中的电子）区中的电子）则受则受势垒区电场的排斥而留在势垒区的边缘。势垒区电场的排斥而留在势垒区的边缘。 光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器三、半导体色敏传感器三、半导体色敏传感器 在势垒区内产生的光生电子和光生空穴在势垒区内产生的光生电子和光生空穴, 则分别被电场则分别被电场扫向扫向N区和区和P区区, 它们对电流也有贡献。它们对电流也有贡献。 用能带图来表示上用能带图来表示上述过程如图述过程如图32所示。所示。32Ec表示导带底能量表示导带底能量; Ev表示价带顶能量。表示价带顶能量。“ ”表示带正电荷的空穴表示带正电荷的空穴;“ ”表示电子表示电子IL表示光电流表示光电流

48、光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器三、半导体色敏传感器三、半导体色敏传感器 光电流由势垒区两边能运动到势垒边缘的少数载流子和势垒区中产生光电流由势垒区两边能运动到势垒边缘的少数载流子和势垒区中产生的电子的电子-空穴对构成空穴对构成, 其方向是由其方向是由N区流向区流向P区区, 即与无光照射即与无光照射P-N结的反向饱结的反向饱和电流方向相同。和电流方向相同。 当当P-N结外电路短路时结外电路短路时, 这个光电流将全部流过短接回路这个光电流将全部流过短接回路, 即从即从P P区和势区和势垒区流入垒区流入N N区的光生电子将通过外短接回路全部流到区的光生电子将通过外短接回路全部流到P P区电

49、极处区电极处, , 与与P区流出区流出的光生空穴复合。因此的光生空穴复合。因此, 短接时外回路中的电流是短接时外回路中的电流是L, 方向由方向由P端经外接回端经外接回路流向路流向N端。这时端。这时, P-N结中的载流子浓度保持平衡值结中的载流子浓度保持平衡值, 势垒高度（图势垒高度（图32a中中的的q(UD-U)）亦无变化。）亦无变化。 当当P-N结开路或接有负载时结开路或接有负载时, 势垒区电场收集的光生载流子便要在势垒势垒区电场收集的光生载流子便要在势垒区两边积累区两边积累, 从而使从而使P区电位升高区电位升高, N区电位降低区电位降低, 造成一个光生电动势造成一个光生电动势, 如图如图3

50、2（b）所示。该电动势使原）所示。该电动势使原P-N结的势垒高度下降为结的势垒高度下降为q（U-U）。其中）。其中V即光生电动势即光生电动势,它相当于在它相当于在P-N结上加了正向偏压。只不过这是光照形成的结上加了正向偏压。只不过这是光照形成的, 而不是电源馈送的而不是电源馈送的, 这称为光生电压这称为光生电压, 这种现象就是光生伏特效应。这种现象就是光生伏特效应。 光敏功能材料及传感器光敏功能材料及传感器三、半导体色敏传感器三、半导体色敏传感器 光在半导体中传播时的衰减光在半导体中传播时的衰减是由于价带电子吸收光子而从价是由于价带电子吸收光子而从价带跃迁到导带的结果带跃迁到导带的结果, 这种