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半導體光伏型探測器件(PV器件)也稱為結型器件,它是少數(shù)載流子導電的光生伏特效應器件,如光電池、光電二極管(或光敏二極管)與光電三極管(或光敏三極管)等。顯然,它們與多數(shù)載流子導電的光電導型器件(PC器件)有很大差別,如響應速度快、線性好、暗電流小、噪聲低、受溫度影響小等是光電導型器件無法比擬的。兩者的具體區(qū)別主要體現(xiàn)在如下6個方面。
(1)產(chǎn)生光電變換的部位不同。光敏電阻不管哪一部分受光,其受光部分的電導率就增大,是一種多數(shù)載流子的光電導效應;而結型器件,只有照射到PN結區(qū)或結區(qū)附近的光才能產(chǎn)生非平衡載流子,是一種少數(shù)載流子的光生伏特效應。光在其他部位產(chǎn)生的非平衡載流子,大部分在擴散中被復合掉,只有少部分通過結區(qū),但又被結電場所分離,因此對光電流基本上沒有貢獻。
(2)器件連接不同。光敏電阻沒有極性,因而使用方便,可任意外加電壓;而結型光電器件則有確定的正負極性,不能接錯,但光電池可在沒有外加電壓下也可把光信號轉換成電信號。
(3)響應時間與頻率特性不同。光敏電阻的光電導效應主要依賴于載流子的產(chǎn)生與復合運動,時間常數(shù)較大,頻率響應較差;而結型器件的電場主要加在結區(qū),其光電效應主要依賴于結區(qū)的非平衡載流子的運動,弛豫過程的時間常數(shù)相應較小,因此響應速度較快。
(4)工作電流與靈敏度不同。光敏電阻有靈敏度高、工作電流大(達數(shù)mA)的特點;而結型器件一般較小,但光電三極管、雪崩光電二極管等有較大的內(nèi)增益作用,因此靈敏度也較高,也可以通過較大的電流。
(5)光譜響應與光電線性不同。光敏電阻有對微弱輻射的探測能力與光譜響應寬的特點。因為光敏電阻的光電特性不像光伏器件線性好而為非線性,但在很低照度下呈線性,且靈敏度高,因而有對微弱輻射的探測能力;并且光敏電阻的光譜響應比光伏器件寬,尤其在紅外波段,如PbS光敏電阻的光譜響應范圍為400-2800nm,因而常用于火點探測與火災預/報警系統(tǒng)。
(6)應用場合不同。CdS光敏電阻的感光特性與人眼最接近,適于作照相機曝光表與空氣煙塵檢測器等可見光裝置;光敏二極與三極管的最佳響應特性在近紅外區(qū),適于紅外遙控、紅外光束阻斷報警器等裝置。
光電池 1.光電池的結構原理與類型光電池是一種最簡單的光伏型器件,目前應用較多的有硒光電池、硅光電池、薄膜光電池、紫光電池和異質(zhì)結光電池。硒光電池因光譜特性與人眼視覺很相近,頻譜較寬,故多用于曝光表及照度計;硅光電池與其他半導體光電池相比,是目前轉換效率最高的(已過17%);薄膜光電池是把硫化鎘等材料制成薄膜結構,以減輕質(zhì)量、簡化陣列結構,提高抗輻射能力和降低成本;紫光電池是把硅光電池的PN結減薄至結深為0.2?0.3μm,光譜響應峰值移到600nm左右,來提高短波響應,以適應外層空間使用:異質(zhì)結光電池入射光幾乎全透過寬帶材料一側,而在結區(qū)窄禁帶材料中被吸收產(chǎn)生電子-空穴對,以提高入射光的收集效率,獲得高于同質(zhì)結硅光電池的轉換效率,理論上最大可達30%。
圖3-17 硅光電池結構示意圖
光電池的原理是基于一個PN結的光生伏特效應,一般做成面積較大的薄片狀,來接收更多的入射光。圖3-17是硅光電池結構示意圖,它是用單晶硅組成的。國產(chǎn)同質(zhì)結硅光電池因襯底材料導電類型不同而分成2CR型與2DR型兩類。2CR型硅光電池,是在一塊以N型硅作襯底的硅片上,擴散P型雜質(zhì)(如硼),形成一個擴散P*N結,P型雜質(zhì)為受光面;2DR型硅光電池,是在一塊以P型硅作襯底的硅片上,擴散N型雜質(zhì)(如磷),形成一個擴散N+P結。一般,用做光電探測器的多為P+N型,即2CR型。N+P型硅光電池具有較強的抗輻射能力,適合空間應用,作為航天的太陽能電池,即2DR型。
2.光電池的特性參數(shù)
(1)輸出特性。PN結光電池伏安特性曲線在無光照時與普通半導體二極管相同,有光照時沿電流軸方向平移。平移幅度與光照度成正比,如圖3-18所示。曲線與電壓軸的交點稱為開路電壓U°c,與電流軸的交點稱為短路電流圖3-19是光電池的等效電路。
圖3-18 光電池伏安特性曲線 圖3-19 光電池等效電路
其伏安特性曲線方程為