光电导效应光生伏特效应
光电式传感器原理与应用
光电式传感器原理与应用光电效应与光电器件一、光电效应光电效应可以分为以下三种类型：(1)外光电效应(2)光电导效应(3)光生伏特效应.(1)外光电效应在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象叫外光电效应。
只有当光子能量大于逸出功时，即时，才有电子发射出来，即有光电效应，当光子的能量等于逸出功时，即时，逸出的电子初速度为0，此时光子的频率为该物质产生外光电效应的最低频率，称为红限频率。
利用外光电效应制成的光电器件有真空光电管、充气光电管和光电倍增管。
(2)光电导效应.在光的作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，引起物体电阻率的变化，这种现象称为光电导效应。
.由于这里没有电子自物体向外发射，仅改变物体内部的电阻或电导，有时也称为内光电效应。
与外光电效应一样，要产生光电导效应，也要受到红限频率限制。
利用光电导效应可制成半导体光敏电阻。
(3)光生伏特效应.在光的作用下，能够使物体内部产生一定方向的电动势的现象叫光生伏特效应。
.利用光生伏特效应制成的光电器件有光敏二极管、光敏三极管和光电池等。
二、光电器件的特性(1)光电流光敏元件的两端加一定偏置电压后，在某种光源的特定照度下产生或增加的电流称为光电流。
(2)暗电流光敏元件在无光照时，两端加电压后产生的电流称为暗电流。
(3)光照特性当光敏元件加一定电压时，光电流I与光敏元件上光照度E之间的关系，称为光照特性。
一般可表示为。
(4)光谱特性.当光敏元件加一定电压时，如果照射在光敏元件上的是一单色光，当入射光功率不变时，光电流随入射光波长变化而变化的关系，称为光谱特性。
.光谱特性对选择光电器件和光源有重要意义，当光电器件的光谱特性与光源的光谱分布协调一致时，光电传感器的性能较好，效率也高。
在检测中，应选择最大灵敏度在需要测量的光谱范围内的光敏元件，才有可能获得最高灵敏度。
(5)伏安特性在一定照度下，光电流I与光敏元件两端的电压U的关系称为伏安特性。
光电效应与光伏电池
❖ 内光电效应：光照射到半导体材料上激发出电子-空穴对而 使半导体产了产生的电效应。内光电效应可分为光电导效 应、光生伏特效应。
§光电导效应是指光照射下半导体材料的电子吸收光子能量从键合状态
过渡到自由状态，从而引起材料电阻率的变化。其应用为光敏电阻。
§光生伏特效应是指光照射下物体内产生一定方向的电动势的现象。其
光伏效应的基本原理
❖ 本征半导体：没有杂质和缺陷的半导体。其原子的排列处于非常整
齐的状态，在一定条件下少数电子可能挣脱束缚而形成电子载流子n0， 同时留下带正电的空位(空穴hole)p0，且浓度n0=p0。在本征半导体中载 流子的总数仍然不能满足导电性的需要，所以本征半导体实际用处不大。 常见的本征半导体有硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等。
光伏效应的基本光伏原效理应photovoltaic
当光照射p-n结上时，如果入射电子的能量大于半导体 材料的禁带宽度(Eg)，就会在半导体内产生大量的自由载流 子-空穴和电子。它们在p-n结内建电场的作用下，空穴往 p-区移动，使p-区获得附加正电荷；而电子往n-型区移动， n-区获得负电荷，产生一个光生电动势，这就是光伏效应 (光生伏打效应)。当用导线连接p-型区和n-型区时，就会 形成电流.
阳电池的发展历程(类型)
单晶硅太阳电池 块状多晶硅太阳电池
第一代太阳电池Silicon based
多晶硅薄膜太阳电池
非晶硅薄膜太阳电池
第二代太阳电池thin films
薄膜多元化合物太阳电池
有机化合物太阳电池 无机/有机杂化太阳电池
染料敏化太阳电池 叠层太阳电池
量子点太阳电池 热载流子太阳电池
多能带太阳电池 热光伏太阳电池
光电技术基础 第三章 光电效应
hc 1.24 = ( µm) Eg Eg
2、杂质半导体的光电导效应 杂质半导体的
N型光电导体，主要是光子激发施主能级中的电子 型光电导体， 跃迁到导带中去，电子为主要载流子。 跃迁到导带中去，电子为主要载流子。 型光电导体， P型光电导体，主要是光子激发价带中的电子跃迁 到受主能级，与受主能级中的空穴复合， 到受主能级，与受主能级中的空穴复合，而在价带 中留有空穴，作为主要载流子参加导电。 中留有空穴，作为主要载流子参加导电。 只要光子能量满足 hν ≥ Ei 就能激发出光生载流 子。 式中： 称为电离能。 型光电导体， 式中 ： Ei 称为电离能 。 对 N 型光电导体 ， 其值为导 带能级E 与施主能级E 能量差； 型光电导体， 带能级Ec与施主能级ED的能量差；对P型光电导体， 其值为受主能级E 与价带能级E 的能量差 其值为受主能级EA与价带能级Ev的能量差。 相应的杂质光电导体的长波限为 相应的杂质光电导体的长波限为 λ0 = hc = 1.24 ( µm)
0
y
⊙
⊙ Ｈ
x
外光电效应
光电子发射
1、光电发射原理
具有能量hν的光子 被物质（ 具有能量hν的光子，被物质（金属或半导 的光子， 吸收后激发出自由电子， 体）吸收后激发出自由电子，当自由电子 的能量足以克服物质表面势垒并逸出物质 的表面时，就会产生光电子发射， 的表面时，就会产生光电子发射，逸出电 子在外电场作用下形成光电子流。 子在外电场作用下形成光电子流。这就是 物质的光电发射现象。 物质的光电发射现象。光电发射现象又叫 做外光电效应。 做外光电效应。 可以发射电子的物质称为光电发射体 光电发射体。 可以发射电子的物质称为光电发射体。
内光电效应
内光电效应是指受光照而激发的电子在物 质内部参与导电， 质内部参与导电，电子并不逸出光敏物质 表面。这种效应多发生于半导体内。 表面。这种效应多发生于半导体内。内光 电效应又可分为光电导效应、 电效应又可分为光电导效应、光生伏特效 丹倍效应和光磁电效应等。 应、丹倍效应和光磁电效应等。
光电效应、光电导效应、光生伏特效应的内容与关系
光电效应、光电导效应、光生伏特效应的内容与关系下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
文档下载后可定制修改，请根据实际需要进行调整和使用，谢谢!本店铺为大家提供各种类型的实用资料，如教育随笔、日记赏析、句子摘抄、古诗大全、经典美文、话题作文、工作总结、词语解析、文案摘录、其他资料等等，想了解不同资料格式和写法，敬请关注!Download tips: This document is carefully compiled by this editor. I hope that after you download it, it can help you solve practical problems. The document can be customized and modified after downloading, please adjust and use it according to actual needs, thank you! In addition, this shop provides you with various types of practical materials, such as educational essays, diary appreciation, sentence excerpts, ancient poems, classic articles, topic composition, work summary, word parsing, copy excerpts, other materials and so on, want to know different data formats and writing methods, please pay attention!光电效应、光电导效应、光生伏特效应的内容与关系引言光电效应、光电导效应和光生伏特效应是光电物理学中的重要现象，它们在光电器件和光电子学领域发挥着至关重要的作用。
半导体的光电效应
本征半导体光电导效应图
讨论光电探测器的一般步骤： 定性分析：工作原理 定量计算：
性能分析：灵敏度，光谱响应特性，线性关系等
光电导效应
当入射光功率为
为常数时：
用来产生光电效应的光功率:
产生非平衡载流子的光子数：
响应时间：
探测器的主要参数
关于响应时间 积分得到： 同样停止光照时： 频率响应：
线性
线性：指探测器的输出光电流或光电压与入射光功 率的 成比例的程度，其与工作状态有关
v
I
光敏二极管伏安特性
R
P
N
在作线性光电池时，R的取值问题
探测器主要参数的测试
光谱响应率函数的测试 标准探测器法：通过比较被测探测器与标准探测器在每一波长上的响应，来确定被测探测器的光谱响应函数
光子噪声： 信号辐射产生的噪声与背景噪声 探测器噪声：热噪声，散粒噪声，产生与复合 噪声， 温度噪声，1/f噪声
噪声的分类：随机的噪声，其功率与频率无关（白噪声） 与频率有关的1/f噪声
1/f噪声
白噪声
f
S(f)
噪声的主导地位： 在低频时， 1/f噪声起主导作用 在中频时，产生复合噪声起主导作用 在高频时，白噪声起主导作用 噪声的克服
考察其瞬态过程：
光电导效应 积分得到： 同样停止光照时： 频率响应：
光电导效应
光谱响应：探测器的输出与输入光波长的关系
注意条件：
理想情况
实际情况
光生伏特效应
光生伏特效应简称为光伏效应，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。
产生机制： 光生载流子的浓度梯度 光电磁效应 势垒效应（PN结）
02
半导体光电导器件是利用半导体材料的光电效应制成的光电探测器件。其最典型的器件是光明电阻。 光明电阻的特点：
光电效应的类型
光电效应的类型
嘿，朋友们！今天咱来聊聊光电效应的那些事儿。
你说光电效应像啥呢？就好比是一场奇妙的“光与电子的舞蹈”。
光啊，就像个调皮的指挥家，用它独特的节奏指挥着电子们跳动起来。
光电效应有外光电效应和内光电效应之分呢。
外光电效应呀，就像是电子们听到了光的召唤，“嗖”地一下就跑出去啦！你看那光电管，就是利用外光电效应来工作的。
想象一下，光一照过来，电子就迫不及待地冲出来，多有意思呀！
内光电效应呢，又分成光电导效应和光生伏特效应。
光电导效应就好像是光给电子们打开了一道神奇的门，让它们能更顺畅地流动起来，从而改变了材料的电导。
这就像是原本堵塞的道路，被光这么一照，一下子就通畅啦！
而光生伏特效应呢，就更神奇啦！就像是光给电子们注入了一股神奇的力量，让它们产生了电压。
太阳能电池不就是利用这个原理嘛！太阳光照过来，电子们就开始努力工作，产生电能，给我们的生活带来便利。
咱再想想，要是没有光电效应，那我们的生活得失去多少乐趣和便利呀！没有光电管，那些精密的测量仪器可怎么办？没有太阳能电池，我们怎么享受清洁的能源呢？
光电效应可不是孤立存在的哦，它和我们的生活息息相关。
就像我们每天都离不开阳光一样，光电效应也在默默地为我们服务着。
所以呀，可别小看了这光电效应。
它就像一个隐藏在科学世界里的小宝藏，等待着我们去发现和利用。
下次当你看到光电管或者太阳能电池的时候，可别忘了想想这背后神奇的光电效应哦！它真的是太奇妙啦，不是吗？光电效应，就是这样一个充满魅力和神奇的存在呀！
原创不易，请尊重原创，谢谢!。
第三章光生伏特器件2-1介绍
其中的小实箭际头上表，示不正是向不电能流加的正方向向电（压普，通只整是流正二极管中规 定的正方接向以）后，就光与电普流通的二方极向管与一之样相，反只。有图单中向的前极为光 照面，后导极电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ性背，光而面表。现不出它的光电效应。
2、光电二极管的电流方程
在无辐射作用的情况下（暗室中），PN结硅光电二 极管的正、反向特性与普通PN结二极管的特性一样，如 图3-2所示。其电流方程为
限制PN结硅光电二极管时间响应的主要因素。
另一个因素是PN结电容Cj和管芯电阻Ri及负载电阻 RL构成的时间常数τRC，τRC为
PN结电容由势垒电R容C Cc b和j(扩Ri散电R 容L)Cd组成。（3-5）
普电势负垒 离容通电子CP容，Nj常各C结为b具是硅几有由光一个空电定间P二的f电，电荷极在量区管负。引的当载起管外的电加芯。阻反空内R向间阻L低电电R压荷于i约变区5大为0内0时有2Ω5，不时0空能Ω，间移，时电动P荷间的N区正结常 数 变宽也，在存n储s的数电量荷级量。增但加；是当，外当加负反载向电电压阻变R小L很时，大空时间，电时荷区间变常
•与光电池相比：
共同点：均为一个PN结，利用光生伏特效应， SiO2保护膜
不同点： （1）结面积比光电池的小，频率特性好
（2）常在反偏压下工作 （3）衬底材料的掺杂浓度不同，光电池高
•国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为 2CU和2DU两种系列。
光电二极管可分为以P型硅为衬底的2DU型与以N型 硅为衬底的2CU型两种结构形式。 图3-1（a）所示的为2DU型光电二极管的原理结构图。 图3-1（b）为光电二极管的工作原理图 图3-1（c）所示为光电二极管的电路符号
PIN型光电二极管
为了提高PN结硅光电二极管的时间响应，消除在PN 结外光生载流子的扩散运动时间，常采用在P区与N区之 间生成I型层，构成如图3-6（a）所示的PIN结构光电二 极管，PIN结构的光电二极管与PN结型的光电二极管在外 形上没有什么区别，都如图3-6（b）所示。
光生伏打效应和光生伏特效应
光生伏打效应和光生伏特效应光生伏打效应和光生伏特效应是现代物理学中的两项基础研究课题，也是许多其他学科领域的研究重点。
本文将着重讨论这两种现象的原理、应用与未来发展。
一、光生伏打效应光生伏打效应，也称为外光电效应或基表面光电效应，是指在光照射下，电子从金属表面逸出的现象。
它是物理学家继电磁感应和静电场效应之后第三个证实光具有电磁波特性的实验，也是光子（光子被视为光量子）概念确定的重大事件之一。
1905年，爱因斯坦以黑体辐射理论为基础，提出了光子假说，认为光以粒子的形式存在。
他进一步认为，金属表面吸收一定能量的光粒子后，可将其转化为能够逸出金属表面的电子，并推导出与实验结果一致的公式：eV=hν-φ，其中，e是电量，V是逸出电子的动能，h是普朗克常数，ν为三分之二级的光频率，φ为金属的逸出功。
该公式被称为“爱因斯坦光电效应方程”，为电量子力学的重要基石之一。
光生伏打效应的原理是基于光电子最基本的性质——光能将电子从原子或分子系统中释放出来。
当光子与金属接触时，由于光的能量足以克服金属电子的束缚力（逸出功），这些电子便从金属表面逸出，以高动能的形式离开金属表面。
当金属表面被光子照射时，它吸收光能，将其转化为电子的动能，从而使得光对电荷的影响明显。
这种现象在光电热转换、太阳电池等领域中有着广泛应用。
二、光生伏特效应光生伏特效应是在半导体器件中产生的另一个重要现象。
它是指在半导体器件中，当受到光照射时，电场将电子从其价带透射到导带的现象。
与光生伏打效应不同，光生伏特效应需要光子的能量大于半导体带隙，才可将电子和空穴助成载流子，并且在半导体中，该现象具有迅猛性、高效性和高精度性等特点。
半导体器件是现代电子元器件的基础之一，它已经广泛应用于各个领域，如物联网、光电通讯、集成电路等。
但半导体材料的研究和制备也存在很多困难。
为了充分发挥半导体材料的电学性能，科学家们研究出了多种制备方法和工艺流程，包括薄膜制备、前驱体制备、微纳加工等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
物理基础
电量、 热量等
光电效应
光电效应：光照射到物体表面上使物体的电学特 性发生变化。
§2.4 光ห้องสมุดไป่ตู้效应
光电效应类型：
光电效应
光子效应
光热效应
外光电效应 光电发射效应 光电倍增效应
内光电效应 光电导效应 光伏效应 光电磁效应 丹培效应
温差电效益 热释电效应
§2.4 光电效应
数器、光电控制照明、
自动安全保护等，用于 夜间或淡雾中探测红外 线目标，红外通信、导 弹制导等。
§2.4 光电效应
本征半导体&杂志半导体都能产生光电导效应，当光 子能量大时，易于产生本征光电导；当光子能量小时， 易于发生杂质光电导。
1.24 (m) c Eg (eV )
( 本征)
Eg
(3)光电导：G p Gl Gd SU 光电流：I p I l I d L 其中，为光致电导率的变化量。
光电探测器件
热电探测元件 光子探测元件
外光电效应
内光电效应
非放大型 真空光电管 充气光电管
放大型 光电倍增管 像增强器 摄像管 变像管
光电导探测器
光磁电探测器
光生伏特探测器
本征型
掺杂型
非放大 光电池 光电二极管
放大型 光电三极管 光电场效应管 雪崩型光电二极管
光敏电阻 红外探测器
§2.4 光电效应
三、光电发射效应 • 光电发射效应
1905年德国物理学家爱因斯 坦用光量子学说解释了光电 发射效应，获得1921年诺贝 尔物理学奖。
§2.4 光电效应
三、光电发射效应
在光照下，物体向表面以外的空间 发射电子（即光电子）的现象。
光电发射体
能产生光电发射效应的物体，在光电 管中又称为光电阴极。 爱因斯坦方程 Ek h E
§2.4 光电效应
四、光电导效应
导体材料:电阻率，电导率一般为常数；
半导体材料：电阻率，电导率一般不再是常数。
1、定义： 半导体受光照射后，其内部产生光生载流子，使半导 体中载流子数显著增加而电阻减小的现象。 光电导现象——半导体材料的“体”效应
§2.4 光电效应
典型的光电导器件：光敏电阻 光电导器件可用于各种 自动控制系统，如光电 自动开关门窗、光电计
§2.4 光电效应
二、光子效应类型
• 外光电效应：物质受到光照后向外发射电子的 现象，其多发生于金属&金属氧化物
光电发射效应、光电倍增效应
• 内光电效应：物质受到光照后所产生的光电子 只在物质内部运动而不会逸出物质外部的现象， 其多发生于半导体内。
光电导效应、光生伏特效应、光电磁等
§2.4 光电效应
§2.4 光电效应
2. 很容易制造出均匀的大面积光电发射器件，这在光电 成像器件方面非常有利。一般真空光电成像器件的空间 分辨率要高于半导体光电图像传感器。 3. 光电发射器件需要高稳定的高压直流电源设备，使得
整个探测器体积庞大，功率损耗大，不适用于野外操作，
造价也昂贵。 4. 光电发射器件的光谱响应范围一般不如半导体光电 器件宽。
1 E k mv 2 0 2
E ：光电发射体的功函数
电子离开发射体表面时的动能
§2.4 光电效应
截止（红限）频率
E h
c
截止（红限）波长
h 6.6 1034 J s 4.131015 eV s c 3 1014 m / s 3 1017 nm / s
一、光子效应和光热效应
光子效应(photonic effect )
指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光 电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电 子状态的改变。光子能量的大小直接影响内部电子状态的改 变。 利用光子效应进行探测的器件称为光子探测器
特点
•对光波频率表现出选择性 •光子探测器响应速度一般比较快
U
无光照时，给样品施加 电压U，通过的电流为暗电流 ： SU I d Gd U d L
§2.4 光电效应
光
本征半导体样品 S
L A
(2)有光照时，样品吸收光子 能量产生光生载流子，材料处于 亮态，具有亮电导
亮电导 Gl l S L
对应的电流为亮电流
U
SU I l Gl U l L
•响应速度一般比较慢。
在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈， 所以广泛用于对红外线辐射的探测。
§2.4 光电效应
光电器件特点：
光子器件 热电器件
响应波长无选择性，对可见 响应波长有选择性，一般有截止波长， 光到远红外的各种波长的辐 超过该波长，器件无响应。 射同样敏感 响应快，吸收辐射产生信号需要的时 间短， 一般为纳秒到几百微秒 响应慢，一般为几毫秒
§2.4 光电效应 光热效应(photothermal effect )
探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状 态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起 探测元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性 质或其他物理性质发生变化。
例如：家庭式热释电红外探测器
特点
•原则上对光波频率没有选择性
hc 1.24 c ( m) E E (eV )
§2.4 光电效应
光电发射器件的特点： 1. 光电发射器件中的导电电子可以在真空中运动，因此，
可以通过电场加速电子运动的动能，或通过电子的内倍增系统
提高光电探测灵敏度，使它能高速度地探测极其微弱的光信号， 成为像增强器与变相器技术的基本元件。
是禁带宽度
是杂质能带宽度
1.24 Ei (eV )
( 杂质)
Ei
§2.4 光电效应
2、光电系统基本模型
(1)无光照时，半导体材料在常温下具有一定的热激 发载流子浓度，材料处于暗态，具有暗电导
本征半导体样品
L
S Gd d L
A
其中，G为样品的电导率，下标 d代 表暗态；为半导体材料的电导率 ； S为样品横截面的面积； L为样品的 长度。电导单位为西门 子s。
第二章 光电检测技术基础
应用物理系
第二章 光电检测技术基础
教学内容： 2.1 光的基本性质 2.2 辐射与光度学量
2.3 半导体基础知识
2.4 光电效应
思
考
1、在远离家时如何防盗并报警？
2、在太空中靠什么拍摄出清晰图片？ 3、在大型石化工厂中如何发现险情并及时处理？
§2.4 光电效应
光电检测器件：对各种光辐射进行接收和探测的器件