第4章 光电探测 C1 2013.10.18

它们的主要区别是，金属的热敏电阻，电阻温度系数多 为正的，绝对值比半导体的小，它的电阻与温度的关系 基本上是线性的，耐高温能力较强，所以多用于温度的模 拟测量。而半导体的热敏电阻，电阻温度系数多为负的， 绝对值比金属的大十多倍，它的电阻与温度的关系是非线 性的，耐高温能力较差，所以多用于辐射探测，如防盗报 警、防火系统、热辐射体搜索和跟踪等。
价带
相反，吸收光以后，使晶格振动加剧，妨碍了自由 电子做定向运动。因此，当光作用于金属材料使其 温度升高的同时，其电阻还略有增加。即金属材料 有正温度系数，而半导体材料有负温度持性。

电阻温度系数 (αT )

指在任意温度下温度变化1℃(K)时的负载电阻变化 率， 热敏电阻随温度的变化取决于电阻温度系数。
pn结光伏探测器工作原理
光伏效应：指光照使不均匀半导体或半导体与金属 组合的不同部位之间产生电位差的现象。也称光生 伏特效应。
光伏探测器是利用半导体PN结光伏特效应而制成 的探测器，简称PV(Photo voltaic)探测器。PN结光 伏探测器的典型结构及作用原理如下图所示。
光伏效应
光伏现象是半导体材料的 “结”效应。 p-n结的结 区有一个从n侧指向p侧的 内建电场，热平衡下，多 数载流子的扩散作用与少 数载流子由于内电场的漂 移作用相 抵消 ，没有净电 流通过p-n结。 用电压表量不出p-n结两端 有电压．称为零偏状态。
原理
由于不同的金属材料所具有的自 由电子密度不同，当两种不同的 金属导体接触时，在接触面上就 会发生电子扩散。电子的扩散速 率与两导体的电子密度有关并和 x t 接触区的温度成正比。 设导体A和B的自由电子密 度为NA和NB，且有NA＞NB， 电子扩散的结果使导体A失去电 Text 子而带正电，导体B则因获得电 子而带负电，在接触面形成电场。 Text 这个电场阻碍了电子继续扩散， 达到动态平衡时，在接触区形成 Text 一个稳定的电位差，即接触电势。
N
h
表示电子 表示空穴
P
EG
N
I
RL
测量硅光电池的主要功能是光电探测，即在不加偏置（？）的 情况下将光信号转换成电信号，此时对它的要求是线性范围宽、 灵敏度高、光谱响应合适、稳定性高、寿命长等。它常被应用 在光度、色度、光学精密计量和测试设备中。
N
XN
XP
P
A 硅光电池光探测原理
自 偏 工 作 状 态
1 dRB T RB dT

温度变化较小时：
RB T RB T
热敏电阻（测辐射热计）
热敏电阻是由电阻温度系数大的材料制成的电 阻元件，它是依据吸收光辐射后升温引起的电阻变 化测量光辐射，也称它为测辐射热计。
热敏电阻的种类

热敏电阻有金属的和半导体的两种。
制作热敏电阻灵敏面的材料，金属的多为金、镍、铋等薄 膜；半导体的多为金属氧化物，例如氧化锰、氧化镍、氧 化钴等。
4.1 光伏探测器的原理和特性
1. 光照下的PN结电流方程及伏安特性
电流方程 伏安特性
I I 0 e eU / kT 1 I p


1. 光照下的PN结电流方程及伏安特性
伏安特性 第一象限：普通二极管 光电探测器 这个区域没有意义！！
1. 光照下的PN结电流方程及伏安特性
伏安特性
反的光生电场，其方向由P区指向N区。此电场使势垒降低， 其减小量即光生电势差，P端正，N端负。
2013-10-26
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这时用电压表就能测量出p区正, n区负的 开路电压un，称为光生伏特效应。如 果用一个理想电流表接通p-n结，则有 电流i0通过．称为短路电流。
综上所述， 光照零偏p-n结产生 开路电压的效应，称为 光伏效应。 这也是光电池的工作 原理。
光电池的光谱响应曲线
硅光电池——太阳电池
光电池也称光伏电池，实质上就是大面积的PN结， 工作在光伏模式。 由于光电池常常用于把太阳光能直接变成电能，因 此又称为太阳电池。 光电池的种类很多，如有晒光电池，氧化亚铜光电 池，锗光电池，砷化镓光电池，硅光电池等等。目 前，应用最广的是硅光电池。硅光电池的价格便宜， 光电转换效率高，光谱响应宽(很适合近红外探测)， 寿命长，稳定性。

原理
在两种金属A和B组成的 回路中，如果使两个接触 点的温度不同，则在回路 中将出现电流，称为热电 流。 塞贝克效应的实质在 由于两种金属接触时本身会产生接 于两种金属接触时会产生 触电势差，若T1比T2温度高，由于 接触电势差，该电势差取 温度越高金属电子的能量越高，逸 决于金属的电子逸出功和 出的越多，所以T1处有电子像T2方 有效电子密度这两个基本 向逸出形成如图所示的电流。 T2端 因素。 不断放热，T1端不断吸热，使电子 半导体的温差电动势 不断逸出，和前面接触电势差一样 较大，可用作温差发电器。 产生一个温差电动势，进而在金属 （见右图） 中产生如图所示的电流，即热电流。
产品
应用
温控器
水温感应塞
还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等
汽车发动机传感器
温差电效应
当把A、B两种不同的金属或半导体联结成一个闭合回 路时，如果两个接头处的温度T1和T2不同，那么，这 两个接头之间就会产生电动势（称为温差电动势）， 在回路中就会产生电流（称为 温差电流 ），这个回路称为 热电偶 或温差电池。这个效 应称为温差电效应。是德国物 理学家塞贝克（T.J.Seebeck， 1770—1831）于1821年发现的, 因此又称为塞贝克效应。
第三象限：光电导模式 光电二极管 这个区域重要意义！！
反向偏压可以减小 载流子的渡越时间 和二极管的极间电 容，有利于提高器 件的响应灵敏度和 响应频率。
1. 光照下的PN结电流方程及伏安特性
伏安特性 第四象限：光伏模式 光电池 工作区域
1. 光照下的PN结电流方程及伏安特性
伏安特性
普通二极管
光电二极管
外电路的电流I：
I I 0(e
eu / kT
1) I p
光照下PN结的电流方程
与热平衡状态相对比，有光照时PN结内将产生一个附
加电流，称为光电流（由N区流向P区），其方向与
PN结的结电流（即多子的扩散电流，由P区流向N区）相反。 或者说与PN结反向饱和电流相同。此时PN结的电流方 程为：
2、光伏探测器工作模式
光伏探测器工作模式：光伏模式和光导模式。在零偏 压时称为光伏工作模式，在反偏电压时称为光导模式。
光导模式
光伏模式
在反向偏置状态，PN结势垒区加宽，有利于光生载 流子的漂移运动，使光生伏特器件的线性范围和响应 频率提高。
Ubb
N
P IL RL
u RL 反向偏置电路
原理示意图
思考题：PN结加正向偏压，如何影响光伏效应？ 正向偏压：
光电子技术研究所
因P区产生的光生空穴，N 区产生的光生电子属多子， 都被势垒阻挡而不能过结。 只有P区的光生电子和N区 的光生空穴和结区的电子 空穴对（少子）扩散到结 电场附近时能在内建电场 作用下漂移过结。光生电 子被拉向N区，光生空穴 被拉向P区，即电子空穴 对被内建电场分离。
在零偏条件下，如用光照射p区、 n区或PN结，只要照射光的波长满足λλc，都会激 发出光生电子---空穴对。 光照p区，由于p区的多数载流子是空穴，光照前热平衡 空穴浓度本来就比较大，因此光生空穴对p区空穴浓度影响很小。
光电池
1. 光照下的PN结电流方程及伏安特性
等效电路 （意义：分析与计算）
I I 0 e eU / kT 1 I p
普通二极管 电流源


1. 光电池
零偏压pn结光伏探测器——光伏工作模式 ——光电池（一般以可见光作光源）
- + P - + N - +
• 光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加 偏压就能将光能转化成电能的光电器件。简单 的说，其本质就是一个PN结。
在短路状态下 V 0
,
I I 0 exp eV / kT 1 I P
V
I SC I P
eP IP h
短路电流
P 2P 3P 4P 5P
I
1、工作原理
当光入射到探测器时，如果光子能量足够大，在结区、 P区和N区均能激发出电子—空穴对。这些光生载流子 靠扩散进入结区，并在结区内建电场的作用下，电子 向n区、空穴向p区漂移运动，在外回路中形成光电流。 光电流在负载电阻RL 上产生与入射光通量相关的信号 输出。
P
hv
N
E
结论：PN结加正向偏压，不利于结区光生电子、
空穴对的分离，光电效应不明显。
与光敏电阻的比较
• 1、光电转换部位不同
• 2、光敏电阻需外加电压，没有极性，无正向、 反向偏置之分；而结型器件因p-n结的存在， 有正向偏置、反向偏置之分，且无外加电压， 也可工作，也能实现光电转换。
• 3、光敏电阻的光电流依赖于光生载流子的产 生—复合运动，弛豫时间常数大，频率响应差。 结型器件的光电流依赖于结区部分光生载流子 的漂移运动，弛豫过程时间常数小，响应速度 快。
能提供较大电流的大面积 光电池外形
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
光电池在动力方面的应用
太阳能赛车 太阳能 硅光电池板
太阳能电动机模型
光电池在动力方面的应用（续）
太阳能发电
光电池在动力方面的应用（续）
光电池在人造卫星上的应用
其他光生电动势元件
♣ 光磁电效应：均匀半导体放置与受足够大能量的光照
光电子技术研究所
PN结中有三种电流：扩散电流I1、漂移电流
I0、光生电流Ip
+ 光生电势 P N
-
光生电流 漂移电流 扩散电流
RL
外电路电流