1、工作總結實驗報告 / / 光電池/光敏電阻/光電二極管特性參數的測量 指 導 人：朱小姐 實驗類型：工作檢驗及年終總結 實驗地點：搏盛科技光電子半導體實驗室 實驗目的：銷售技能的考察，產品及相關知識的了解情況，年終總結 實驗日期：2011 年 12 月 26 日 姓 名：陳帥 職位：銷售工程師 手機號：159* Email: chenshuaisz1688 概述 光電效應是指入射光子與探測器材料中的束縛電子發生相互作用， 使束縛電子變成為自由 電子的效應。光電效應分為內光電效應與外光電效應兩類。入射光子引起探測器材料表面發射 電子的效應稱為外光電效應。入射光子激發的載流子（電子或空穴）仍保留在

2、材料內部的效應 稱為內光電效應。 內光電效應器件有光電導探測器（例如光敏電阻） 、光生伏特器件（光電池、光電二極管、 光電三極管） 。 實驗內容 測量三種內光電效應器件（光敏電阻、光電池、光電二極管）的特性參數。 注意事項 a 做實驗請關燈，以達到良好的測量效果。 b 拆卸數據線時不要用力硬拽，拆不下來請轉個角度拆。 c 請在自己的實驗桌上做實驗，不要到別的實驗桌旁干擾同事做實驗，更不要動他人的 儀器。 d 請勿觸摸光學鏡片的表面。 e 測量時不要碰導線，否則數據不穩定。更不能用力拉扯導線，導致接頭脫落。 f 實驗完畢關閉所有電源開關。 實驗報告 報告開頭請填入姓名、職位、手機號、實驗日期。

3、實驗完成后，請將報告打印出來，在有實驗數據、圖表的頁腳簽名，然后交到朱 小姐辦公 桌上。 Word 文件請以“實驗報告+姓名”命名，發到朱小姐郵箱。 請在元旦節前完成。 簽名: 第 1頁 光敏電阻的特性曲線測量 一. 目的要求 測量 CdS（硫化鎘）光敏電阻的伏安特性和光照特性。實驗要求達到： 1、使用 Excel 或繪圖軟件 Origin 繪制出伏安特性特性曲線 2、繪制出光照特性曲線 3、理解光敏電阻的光電特性 二. 實驗原理 某些物質吸收了光子的能量產生本征吸收或雜質吸收， 從而改變了物質電導率的現象稱為 物質的光電導效應。光電導效應只發生在某些半導體材料中，金屬沒有光電導效應。光敏電阻

4、 是基于光電導效應工作的元件。光敏電阻具有體積小，堅固耐用，價格低廉，光譜響應范圍寬 等優點。 廣泛應用于微弱輻射信號的探測領域。 由于光敏電阻沒有極性， 純粹是一個電阻器件， 只要把它當作電阻值隨光照度而變化的可變電阻器對待即可，使用時既可加直流電壓，也可以 加交流電壓。因此光敏電阻在電子電路、儀器儀表、光電控制、計量分析以及光電制導、激光 外差探測等領域中獲得了十分廣泛的應用。 如圖，光功率為 P 的光照射到光敏電，則光敏層單位時間所吸收： 阻上， 假設光全部 被吸收 的光量子數密度 N 應為 N = P hbdl （1） 光敏層每秒產生的電子數密度 Ge 為： G e = N （2） 為

5、有效量子效率，表示入射光子轉換為光電子的效率。它定義為： = 單位時間內光電轉換產生的有效電子空穴對數 單位時間內入射光量子數 （3） 理想情況下，入射一個光量子產生一對電子空穴，=1。實際上， 時，載流子濃度 n 達到穩態值n0，即達到動態平衡狀態： n 0 = N （11） （12） 光激發載流子引起半導體電導率的變化為： = n0q = qN 式中，為電子遷移率n 與空穴遷移率p 之和。 光敏電阻受光照后阻值會變小也可以這么定性理解：當內光電效應發生時，固體材料吸收 的能量使部分價帶電子遷移到導帶，同時在價帶中留下空穴。這樣材料中的載流子數目增加， 材料的電導率也就增加。 當光敏電阻兩端

6、加上電壓 U 后，光電流為： I ph = A 為與電流垂直的截面積，d 為電極間的距離。 A U d （13） 由式（12）與式（13）可知：在一定照度下，光敏電阻兩端所加電壓與光電流為線性關系， 伏安特性曲線符合歐姆定律。光敏電阻具有與普通電阻相似的伏安特性，但它的電阻值是隨入 射光照度變化的?？梢詼y出在不同光照下加在光敏電阻兩端的電壓與流過它的電流的關系曲 簽名: 第 3頁 線，即光敏電阻的伏安特性曲線，伏安特性曲線過零點，其斜率為某光照度下的電阻值。 圖 1 不同光照下光敏電阻的伏安特性曲線 弱光照射下半導體材料的光電導 g 為： g = bd qbd q = N = P l l hl

7、 2 （14） 可以看出， 弱光照下的半導體材料的電導與光功率 P 成線性關系。 光照度越大， 電導越大， 電阻的阻值越小。 將式（14）兩邊微分得： dg = q dP hl 2 （15） 由此可得半導體材料在弱光照射下的光電導靈敏度： S g = d g q = dP hcl 2 （16） 可見，在弱光照射下的半導體材料的光電導靈敏度與光電導材料兩電極間的長度 l 的平方 成反比，為與材料性質有關的常數。電導隨光照量變化越大的光敏電阻就越靈敏。 在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流與光通量之間的關系稱為光照特性。光敏電阻阻值 隨光照的增加而減小。當照度很低時，光敏電阻的光照特性近似為線性關系

8、，斜率大致相同。 隨光照度的增高，光照特性從線性漸變到非線性。當照度變得很高時，曲線近似為拋物線性。 圖 2 光敏電阻的光照特性曲線 簽名: 第 4頁 在強光照射下 nni，ppi，式（8）可以簡化為： dn = N e, K f n 2 dt 2 t tanh 1 （17） N 利用初始條件 t = 0 時，n = 0，解微分方程得： n = e, K f 白色 LED 光源 準直透鏡 起偏器P1 （18） 式中 = 1 起偏器P2 聚焦透鏡 光敏元件轉盤 K f N e, 為強光照作用下載流子的平均壽命。 在強光照情況下，半導體材料的光電導與光功率為拋物線關系： bd g = q hK l

9、 3 P f 兩邊微分得： dg = 1 2 1 2 數字檢流計 （19） 1 bd P dP q 2 hK f l 3 1 2 LM07電器箱 1 2 （20） 1 2 半導體材料在強光照射下的光電導靈敏： S g 1 dg 1 bd 2 P = = q dP 2 hK f l 3 （21） 在強光照射下半導體材料的光電導靈敏度不僅與材料的性質有關而且與光照度有關， 是非 線性的。從圖 2 可以看出，光照度越高，光電導靈敏度越低。 三. 實驗裝置 儀器設備主要有：導軌、光具座、LED 光源、CdS 光敏電阻、電源箱、數字檢流計、硬紙 片。 光源為發光二極管，它具有效率高、體積小、耗電少、壽命

10、長等優點，且改變電源電壓可 以改變 LED 燈亮度。為了充分利用光源，在光源后放置了透鏡 L1，這樣點光源經透鏡 L1 為出 射平行光，再經棱鏡 L2 聚焦到光敏電阻上。為了減少環境光的影響，將光敏電阻置于遮光筒 內，遮光筒開有一小孔，供發光二極管的光照入。 光照度的變化通過轉動偏振片 P1 和 P2 的夾角達到減光效果，由馬呂斯定律： I = I 0 cos 2 （22） I0 為當兩偏振片平行時的出射光強。當兩偏振片之間有夾角時，光強就按式（22）減小， 也就是起到減光效果。I 為通過偏振片后的光強。 簽名: 第 5頁 實驗所用光敏電阻為最常見的CdS(硫化鎘光敏電阻。它的光譜響應特性最接

11、近人眼光譜光視效率,峰值響應波長為0.52m,在可見光波段范圍內的靈敏度最高,因此,被廣泛地應用于燈光的自動控制,照相機中電子快門的自動測光等。 三種光敏電阻的光譜響應特性四.實驗步驟、測量內容(1將發光二極管的底座鎖定螺絲順時針擰緊,固定在滑軌上。打開發光二極管的電源盒背面的開關,將電源盒面板上的旋鈕順時針旋到底(即光照度開到最大。將透鏡L1滑動到距離發光二極管9厘米處(L1透鏡的焦距,將底座的鎖定螺絲順時針擰緊在滑軌上。(2光路同軸等高調節:將所有的器件調到同一高度,光束穿過各器件的中心。(3在光敏電阻前立一張硬紙片。一邊滑動透鏡L2,一邊觀察紙上的光斑,使光斑聚成盡可能小的光點。如果聚光

12、效果仍不夠好,可以在滑動透鏡L2的同時,稍微滑動透鏡L1,以達到良好的聚光效果。(4撤掉硬紙片,將光敏電阻的黑色扇形擋板轉開,露出光敏電阻黃色轉盤上的小孔,觀察光是否照進小孔。將導線的一端插入轉盤上“光敏電阻”背面的插口。背面有三個插口,要插入到“光敏電阻”正背后的那個插口。插入即可,不必旋轉。導線另一端連接到“LM07光電池光敏電阻綜合實驗儀”電控箱面板上的“光電阻”接口,將“MT數字檢流計”電控箱背面的導線接到“LM07光電池光敏電阻綜合實驗儀”電控箱面板上的“光電流”接口,將電控箱上面板上的光電阻開關撥到“開”的位置。(5打開“LM07光電池光敏電阻綜合實驗儀”的電源開關。面板右上角的“

13、電壓調節”旋鈕可調節“供給電壓”(對光敏電阻施加的外部電壓。(6將兩只偏振片P1、P2轉盤上的0刻度線與標線對齊。打開“MT數字檢流計”的電源開關。面板上顯示的是光電流數值。如果光電流顯示為1,表示數值溢出了,請將增益旋鈕逆時針旋到最小。將“供給電壓”從10V8V6V4V2V0V依次遞減,把相應的光電流數值填入表1中。(7旋轉兩偏振片中的一只,每次轉15,直到兩偏振片的光軸夾角為90。每次轉角度后,將“供給電壓”從10V8V6V4V2V0V依次遞減,把相應的光電流數值填入表1中。注意:由于經常旋轉偏振器的轉盤,螺絲可能脫扣。即使兩只轉盤上的0刻度線與標線對齊,并不代表真實情況是這樣?？梢赞D動其

14、中一只偏振器的刻度盤,當光電流最大時,視作兩偏振片的光軸夾角為0,然后再依次轉15。五.數據記錄與繪圖表1不同光照下加在光敏電阻兩端的電壓與流過它的電流的關系cos2I(AU=0V U=2V U=4V U=6V U=8V U=10V 900750.07600.25450.5300.75150.9301根據表1中的數據,使用Excel或繪圖軟件Origin繪制出如圖1所示的光敏電阻伏安特性曲線。1A=110-6A對表1中的數據進行線性擬合,電腦算出直線的斜率,將斜率填入表2中。斜率的倒數即光敏電阻在不同光照度下的電阻值,將計算出的電阻值也填入表2中。1K=1103表2光敏電阻阻值與光照度的關系c

15、os2伏安特性曲線的斜率k電阻R=1/k(K900750.07600.25450.5300.75150.901根據表2的數據,使用Excel或繪圖軟件Origin繪制出光敏電阻的光照特性曲線:五.觀察與思考1、隨著溫度的升高,光敏電阻的暗電阻和靈敏度會怎樣?2、光敏電阻效應有什么可能的應用?光電池的特性曲線測量目的要求測量光電池的光照特性和伏安特性。實驗要求達到:1、測量光電池在光照狀態下的短路電流I sc、開路電壓U oc、最大輸出功率P max、填充因子FF2、了解光電池的光伏特性和黑暗狀態下的伏安特性(二極管特性實驗原理1839年,法國科學家貝克雷爾(Becqurel就發現,光照能使半導

16、體材料的不同部位之間產生電位差。這種現象后來被稱為“光生伏打效應”,簡稱“光伏效應”。具有光生伏特效應的半導體材料有很多,例如硅(Si、鍺(Ge、硒(Se、砷化鎵(GaAs等半導體材料。利用這些材料能夠制造出具有各種特點的光生伏特器件,其中硅光生伏特器件具有制造工藝簡單、成本低等特點使它成為目前應用最廣泛的光生伏特器件。常見的光生伏特器件有光電池、光電二極管、光電三極管、CCD等。光生伏特器件工作基于PN結的光伏效應。PN結的基本特征是它的電學不對稱性。在結區有一個從N側指向P側的內建電場存在。 熱平衡下,多數載流子(N側的電子和P側的空穴的擴散作用與少數載流子(N側的空穴和P側的電子由于內電

17、場的漂移作用相抵消,沒有凈電流通過PN結。此時,用電壓表量不出PN結兩端有電壓,稱為零偏狀態。當照射光激發出電子一空穴對時,電勢壘的內建電場將把電子一空穴對分開,從而在勢壘兩側形成電荷堆積,形成光生伏特效應。如果說光導現象是半導體材料的體效應,那么光伏現象則是半導體材料的“結”效應。也就是說,實現光伏效應需要有內部電勢壘,當照射光激發出電子一空穴對時,電勢壘的內建電場將把電子一空穴對分開,從而在勢壘兩側形成電荷堆積,形成光生伏特效應。這個內部電勢壘可以是PN結、PIN結、肖特基勢壘結以及異質結等。這里我們主要討論PN結的光伏效應,它不僅最簡單,而且是基礎。如果PN結正向電壓偏置(P區接正,N區

18、接負,則有較大正向電流流過PN結。如果把PN結反向電壓偏置(P區接負,N區接正,則有一很小的反向電流通過PN結,這個電流在反向擊穿前幾乎不變,稱為反向飽和電流。 PN 結的伏安特性為:(10=T k eu s d B e I I 式中I d 是暗(指無光照電流,I so 是反向飽和電流,U 是偏置電壓(正向偏置為正,反向偏置為負,e 是電子電荷量,k B 是波爾茲曼常數,T 是絕對溫度。PN 結光伏探測器的典型結構及作用原理如圖所示: (a光伏探測器的典型結構(b工作原理假定光生電子一空穴對在PN 結的結區,即耗盡區內產生。由一內電場的作用,電子向N 區、空穴向P 區漂移運動,被內電場分離的電

19、子和空穴就在外回路中形成電流。為了說明光功率轉換成光電流的關系,我們設想光伏探測器兩端被短路,并用一理想電流表記錄光照下流過回路的電流,這個電流常常稱為短路光電流。和光電導探測器不同,光伏探測器的工作特性要復雜一些,通常有光電池和光電二極管之分。也就是說,光伏探測器有著不同的工作模式。光電池又叫光伏電池,它可以把外界的光轉為電信號或電能。實際上這種光電池是由大面積的PN 結形成的,即在N 型硅片上擴散硼形成P 型層,并用電極引線把P 型和N 型層引出,形成正負電極。為防止表面反射光,提高轉換效率,通常在器件受光面上進行氧化,形成二氧化硅保護膜。在光照狀態下,一個PN 結光伏探測器可等效為一個理

20、想恒流源(光電流源、理想二極管、并聯電阻R sh 、電阻R S 所組成,那么光電池的工作如圖:IPh 為光電池在光照時該等效電源輸出電流。Id 為光照時，通過光電池內部二極管的電流。 I 為光電池的輸出電流，U 為輸出電壓。 由基爾霍夫定律： IRS + U ( I ph I d I Rsh = 0 可得： I (1 + Rs U = I ph Id Rsh Rsh keuT I SO e B 1 假設 Rsh = 和 Rs = 0 ，可簡化為： I = I ph Id = I ph 短路時： U = 0 ， I ph = I SC 而開路時： I = 0 ， I SC eu k T I SO

21、 e B 1 = 0 （1） 可以得到： U OC = 1 I In( SC + 1 I SO 式 （1） 即為在 Rsh = 和 Rs = 0 的情況下， 光電池的開路電壓 UOC 和短路電流 ISC 的關系式。 其中 UOC 為開路電壓，ISC 為短路電流。短路電流和開路電壓是光電池的兩個非常重要的工作 狀態，它們分別對應于 RL = 0 和 RL = 的情況。 當光電池外接負載電阻 R L 時，負載所獲得的功率為：PL=IL2RL 負載電阻 RL 所獲得的功率 PL 與負載電阻的阻值有關。讓我們來看以下三種情況： （1） 當 RL=0（電路為短路）時，U=0，輸出功率 PL=0； （2）

22、 當RL0 時，輸出功率 PL0。 （3） 當 RL=（電路為開路）時，IL=0，輸出功率 PL=0； 顯然，存在著最佳匹配負載電阻 RL=Ropt。在最佳負載電阻情況下，負載可以獲得最大的 輸出功率 Pmax。Ropt 取決于光電池的內阻。 簽名: 第 11頁 由于 UOC 和 ISC 均隨光照度的增強而增大，所不同的是 UOC 與光照度的對數成正比，ISC 與光 照度成正比(在弱光下，所以 Ropt 亦隨光照度變化而變化。UOC、ISC 和 Ropt 都是光電池的重要參 白色 LED光源 數。填充因子 FF 是表征光電池性能優劣的指標，可用下式表示： 光敏元件轉盤 準直透鏡 起偏器P1 起

23、偏器P2 聚焦透鏡 FF = Pmax U OC I SC 電 壓 調 節 電 阻 調 節 填充因子一般在 0.50.8 之間 數字檢流計 實驗裝置 明 光 電 池 開 開 光 開 儀器設備主要有：導軌、光具座、LED 光源、光電池、電源箱、數字檢流計、硬紙片。 電 關 關 LM07電器箱 關 阻 光電流 南京浪博科教儀器研究所 光電池接口 ：光電池黑暗狀態下的電壓 數字檢流計接口 光電阻接口 ：光電池光照狀態下的電壓 光源為發光二極管，它具有效率高、體積小、耗電少、壽命長等優點，且改變電源電壓可 以改變 LED 燈亮度。為了充分利用光源，在光源后放置了透鏡 L1，這樣點光源經透鏡 L1 為出

24、 射平行光，再經棱鏡 L2 聚焦到光敏電阻上。為了減少環境光的影響，將光敏電阻置于遮光筒 內，遮光筒開有一小孔，供發光二極管的光照入。 實驗步驟： （1）將發光二極管的底座鎖定螺絲順時針擰緊，固定在滑軌上。打開發光二極管的電源盒背 面的開關，將電源盒面板上的旋鈕順時針旋到底（即光照度開到最大） 。將透鏡 L1 滑動到距離 發光二極管 9 厘米處（L1 透鏡的焦距） ，將底座的鎖定螺絲順時針擰緊在滑軌上。 （2）光路同軸等高調節：將所有的器件調到同一高度，光束穿過各器件的中心。 （3）在光電池前立一張硬紙片。一邊滑動透鏡 L2，一邊觀察紙上的光斑，使光斑聚成盡可能 小的光點。如果聚光效果仍不夠好

25、，可以在滑動透鏡 L2 的同時，稍微滑動透鏡 L1，以達到良 好的聚光效果。 （4）撤掉硬紙片，將光電池的黑色扇形擋板轉開，露出光電池的小孔，觀察光是否照進小孔。 簽名: 第 12頁 將導線的一端插入轉盤背面的插口。 背面有三個插口， 要插入到 “光電池” 正背后的那個插口。 插入即可，不必旋轉。導線另一端連接到“LM07 光電池光敏電阻綜合實驗儀”電控箱面板上 的“光電池”接口。 （5）將“LM07 光電池光敏電阻綜合實驗儀”面板右上角的“電壓調節”旋鈕逆時針旋到最 小。在做光電池光照特性實驗時，不要調節“供給電壓”的旋鈕，否則穩壓電源將給光電池供 電，而不是光電池本身放電。 （6）打開“L

26、M07 光電池光敏電阻綜合實驗儀”的電源開關。將電控箱面板上的光電阻開關 撥到“關”的位置。將光電池的明開關撥到“開”位置，暗開關撥到“關”位置，將面板上“電 阻調節”旋鈕逆時針旋到底（阻值最小） 。將 U1/U2 開關撥到“U1” ，此時“電壓測量”顯示的 讀數為 0，表明此時流經光電池的電流為短路電流。如果光電流顯示為 1，表示數值溢出了， 逆時針旋下光電檢流計的鈕旋，但不要旋到底。 （7）順時針旋轉“電阻調節”旋鈕，將電阻由最小逐步調到最大。每調一次電阻值，記錄下 光電流和輸出電壓 U1，把數據填入下表中。如果光電流顯示為 0，請順時針旋光電檢流計的鈕 旋。注意：明狀態時，光電檢流計所測

27、電流為負，這與由檢流計的方向有關，只用記錄絕對值， 不必記錄正負號。由于經常旋轉偏振器的轉盤，螺絲可能脫扣。即使兩只轉盤上的 0刻度線 與標線對齊，并不代表真實情況是這樣。 表1 輸出電壓 U1 (V 不同負載下，光電池的光電流、輸出電壓、輸出功率的變化情況 光電流 I (A 負載電阻=U1/I （K ） 輸出功率 P=U1I （W） 光電池的輸出電壓與光電流的關系 簽名: 第 13頁 光電池的輸出功率和負載電阻的關系 找出上圖中的功率最大值，利用公式 FF = Pmax 計算出光電池的填充因子。式中的短路 I scU oc 電流 Isc 為表 1 中的最大電流，開路電壓 Uoc 為表 1 中

28、的最大電壓。 （8）旋轉兩偏振片中的一只，每次轉 15之后：逆時針旋“電阻調節”的旋鈕到底（電阻接 近零）記下此時的短路光電流 Isc； ， 再順時針旋 “電阻調節” 的旋鈕到底 （電阻達到最大值 33k） ， 記下此時的開路電壓 UOC 表2 開路電壓 UOC、短路光電流 Isc 與光照度的關系 cos2 Isc (A U (V OC 0 15 30 45 60 75 90 線性關系。 1 0.93 0.75 0.5 0.25 0.07 0 理論上，光電流與光照度之間有線性關系： dJ / J = 6.26di / i 請用你的實驗數據作圖看是否為 簽名: 第 14頁 光電池 光照度與短路光

29、電流的關系 UOC 與光照度 J/J0 的關系是近似函數 U OC = ln( 電池的輸出電流與開路電壓都在減小。 J +C J0 可以看出，當光照度減弱時， 光 光照度與開路電壓的關系 （9）關掉 LED 光源。將光電池的明開關撥到“關”位置，將暗開關撥到“開”位置。旋轉黑 色扇形擋板遮住光電池的入射孔，使光電池處于黑暗狀態。黑暗狀態下的光電池工作如圖 2。 黑暗狀態下的光電池等效電路 在黑暗狀態下光電池在電路中就如同二極管。此時加在光電池兩端的正向偏壓 U 與通過 它的電流 I 之間的關系式為： I d = I s 0 eeU / k BT 1 簽名: ( 第 15頁 式中I d 是暗(指

30、無光照電流,I so是反向飽和電流,U是偏置電壓(正向偏置為正,反向偏置為負,e是電子電荷量,k B是波爾茲曼常數,T是絕對溫度。(10把“電阻調節”的旋鈕順時針旋轉到最大(阻值33k。將U1/U2開關撥到“U2”,此時測量負載電阻兩端的電壓U2,電流I=U2/33k。此時光電池如同二極管在工作。順時針旋轉“電壓調節”旋鈕,“供給電壓”將顯示出對光電池施加的正向偏壓U的大小,計算出通過它的電流,填入表中。表3U U2I=U2/33k(A根據數據使用Excel或繪圖軟件Origin繪制出光電池電流與正向偏壓U的曲線。由圖可看出,黑暗狀態下光電池的工作狀態與二極管加正向偏壓下類似。觀察與思考1、光

31、伏器件與光電導探測器件有何不同?2、最佳匹配負載電阻隨光照度的增大如何變化?光電二極管特性曲線的測量目的要求測量光電二極管在不同光照度下的特性曲線。實驗原理光電二極管又稱光敏二極管。制造一般光電二極管的材料幾乎全部選用硅或鍺的單晶材料。由于硅器件較鍺器件暗電流、溫度系數都小得多,加之制作硅器件采用的平面工藝使其管芯結構很容易精確控制,因此,硅光電二極管得到了廣泛應用。硅光電二極管的封裝有多種形式。常見的是金屬外殼加入射窗口封裝。入射光通過窗口玻璃照射在管芯上。窗口玻璃又有凸透鏡和平面之分。凸透鏡有聚光作用,有利于提高靈敏度。而且由于聚焦位置與入射光方向有關,因此還能減小雜散背景光的干擾。缺點是

32、靈敏度隨方向而變,因此給對準和可靠性帶來問題。采用平面玻璃窗口的硅光電二極管雖然沒有尖銳的對準問題,但易受雜散光干擾的影響。硅光電二極管的外型及靈敏度的方向性如圖所示。 (a硅光電二極管的外形;(b靈敏度隨角度的變化發光二極管管芯是一個具有光敏特性的PN 結,它被封裝在管殼內。發光二極管管芯的光敏面是通過擴散工藝在N 型單晶硅上形成的一層薄膜,稱為p +n 結構。光敏二極管的管芯以及管芯上的PN 結面積做得較大,而管芯上的電極面積做得較小,PN 結的結深比普通半導體二極管做得淺,這些結構上的特點都是為了提高光電轉換的能力。另外,與普通半導體二極管一樣,在硅片上生長了一層SiO 2保護層,它把P

33、N 結的邊緣保護起來,從而提高了管子的穩定性,減少了暗電流。 硅電二極管的典型結構在無輻射(暗室中的情況下,PN 結硅光電二極管的正、反向特性與普通PN 結二極管的特性一樣,其電流方程為:(1exp =kT qU I I dI d 為U 為負值(反向偏置時且|U|kT/q 時(室溫下kT/q 0.26mV ,很容易滿足這個條件的電流,稱為反向電流或暗電流。無光照時,電路中也有很小的反向飽和漏電流,一般為110-8110-9A (稱為暗電流,此時相當于光敏二極管截止。硅光電二極管的伏安特性曲線當光輻射作用到光電二極管上時,光電二極管的全電流方程為:/exp(1(exp(1,e kT qU I d

34、 hcq I d +=式中為光電材料的光電轉換效率,為材料對光的吸收系數。光電二極管為基本的光生伏特器件之一。下圖為光伏探測器在不同偏置電壓下的輸出特性曲線。在第一象限里,是正偏壓狀態,本來暗(指無光照電流i D 就很大,所以光電流不起重要作用。作為光電探測器,工作在這一區域沒有意義。光伏探測器在不同偏置電壓下的輸出特性曲線在第三象限里,光伏探測器是反偏壓狀態。這時,I d =I so (二極管的反向飽和電流,稱為暗電流(對應于光功率P=0,數值很小。此時的光電流是流過探測器的主要電流,對應于光導工作模式。通常把光導工作模式的光伏探測器稱為光電二極管,它的外回路特性與光電導探測器十分相似。在第

35、四象限中,光伏探測器的外偏壓為零。流過探測器的電流仍為反向光電流,隨著光功率的不同,出現明顯的非線性。這時探測器的輸出是通過負載電阻R L 上的電壓或流過R L 上的電流來體現。因此,把這種工作模式稱為光伏工作模式。通常把光伏工作模式的光伏探測器稱為光電池。光敏二極管與普通二極管一樣,它的PN 結具有單向導電性,因此,光敏二極管工作時應加上反向電壓。當有光照射時,PN 結附近受光子的轟擊,半導體內被束縛的價電子吸收光子能量而被擊發產生電子一空穴對。這些載流子的數目,對于多數載流子影響不大,但對P 區和N 區的少數載流子來說,則會使少數載流子的濃度大大提高,在反向電壓(P 區接負,N 區接正作用下,反向飽和漏電流大大增加,形成光電流,該光電流隨入射光照度的變化而相應變化。光電流通過負載R L 時,在電阻兩端將得到隨人射光變化