41光电效应和光电器件.ppt
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1、根据光的波粒二象性,可以认为光是一种以光速运动的粒子流,称为光子。每个光子具有的能量为,光照射某一物体,可以看作是一连串能量为E的光子轰击在这个物体上,此时光子能量就传递给电子,并且一个光子的全部能量一次性地被一个电子吸收,电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化,从而使受光照射的物体产生相应的电效应,称这种物理效应为光电效应。根据光电效应的不同机理,光电效应可分为三类:外光电效应、内光电效应和阻挡层光电效应。,光电效应,在光线的作用下,物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。一个电子只能接受一个光子的能量,所以要使一个电子从物体表面逸出,必须使光子能
2、量大于该物体的表面逸出功,超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物,从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等,h普朗克常数,6.62610-34Js;光的频率(s-1) m电子质量;v0电子逸出速度。,外光电效应,光电子能否产生,取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功,即每一个物体都有一个对应的光频阈值,称为红限频率或波长限。,当入射光的频谱成分不变时,产生的光电流与光强成正比。即光强愈大,意味着入射光子数目越多,逸出的电子数也就越多。,光电子逸出物体表面具有初始动
3、能mv02 /2 ,因此外光电效应器件(如光电管)即使没有加阳极电压,也会有光电子产生。为了使光电流为零,必须加负的截止电压,而且截止电压与入射光的频率成正比。,外光电效应,当光照射在物体上,使物体的电阻率发生变化的现象叫做内光电效应,它多发生于半导体内。基于内光电效应的光电器件有光敏电阻。,内光电效应,光半导体电子吸收能量( )跃迁 电子-空穴对电导率增大,当光照射到半导体材料上时,价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击,并使其由价带越过禁带跃入导带,如图,使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加,从而使电导率变大。,势垒效应(结光电效应):在光线作用下能够使物体产生一定方向的电
4、动势的现象叫做光生伏特效应。 基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。,阻挡层光电效应,光PN结电子N, 空穴P电动势,光线照射PN结时,设光子能量大于禁带宽度Eg,使价带中的电子跃迁到导带,而产生电子空穴对,在阻挡层内电场的作用下,被光激发的电子移向N区外侧,被光激发的空穴移向P区外侧,从而使P区带正电,N区带负电,形成光电动势。,1.光电管,光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。两者结构相似,由一个阴极和一个阳极构成,并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上,其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形,置于玻璃管的中央。,在入射光极为微
5、弱时,光电倍增管能产生的光电流就很大 光电倍增管:放大光电流 组成:光电阴极+若干倍增极+阳极,光电倍增管,光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响, 因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。,光敏电阻(光导管),原理:电阻器件,加直流偏压,无极性 无光照-电子-空穴对很少-电阻大(暗电阻) 有光照-电子-空穴对增多-导电性增强(亮电阻),特点: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、重量轻、性能稳定、价格便宜,因此应用比较广泛。,结构: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,但扩散深度有限,因此光电导体一般都做
6、成薄层。为了获得高的灵敏度,光敏电阻的电极一般采用硫状图案,光敏电阻,光敏电阻的主要参数和基本特性 (1)暗电阻、亮电阻、光电流 暗电阻: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,称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流。 亮电阻:光敏电阻在某一光照下的阻值,称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流。 光电流: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高。 实用光敏电阻的暗电阻往往超过1M,甚至高达100M,而亮电阻则在几k以下,暗电阻与亮电阻之比在102106之间,可见光敏电阻的灵敏度很高。
7、,光敏二极管、三极管,光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态,光敏二极管的光电流 I 与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的,所以适合检测等方面的应用。,(1) PIN管结光电二极管 PIN管是光电二极管中的一种。在P型半导体和N型半导体之间夹着一层(相对)很厚的本征半导体。这样,PN结的内电场就基本上全集中于 I 层中,从而使PN结双电层的间距加宽,结电容变小。由式 = CjRL与 f =/2知,Cj小,则小,频带将变宽。,PIN管结构示意图,特点:频带宽,可达10GHz。在反偏压下运用可承受较高的反向电压,线性输出范围宽。 不足:I层电阻很大,输出电流小,一般多为零点几微安至
8、数微安。目前有将PIN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。,(2) 雪崩光电二极管(APD) 管子工作电压很高,约100200V,接近于反向击穿电压。结区内电场极强,光生电子在这种强电场中可得到极大的加速,同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此,这种管子有很高的内增益,可达到几百。响应速度特别快,带宽可达100GHz,是目前响应速度最快的一种光电二极管。 噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。但由于APD的响应时间极短,灵敏度很高,它在光通信中应用前景广阔。,光敏晶体管,光敏三极管有PNP型和NPN型两种。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
9、很大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。当光线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对,在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,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,形成输出电流,且集电极电流为光电流的倍。,光电池可把太阳能直接变电能,因此又称为太阳能电池。基于光生伏特效应制成,是发电式有源元件。它有较大面积的PN结,当光照射在PN结上时,在结的两端出现电动势。目前,应用最广、最有发展前途的是硅光电池。 1.硅光电池价格便宜,转换效率高,寿命长,适于接受红外光。 2.硒光电池光电转换效率低(0.02)、寿命短,适于接收可见光(响应峰值波长0.56m),最适
10、宜制造照度计,常用于分析仪器、测量仪表。 3.砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高,光谱响应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。,光电池,光电池,(a) 光电池的结构图,(b) 光电池的工作原理示意图,在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质(如硼)形成PN结。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电子-空穴对,在N区聚积负电荷,P区聚积正电荷,这样N区和P区之间出现电位差。若将PN结两端用导线连起来,电路中有电流流过,电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开,就可测出光
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