高效内光电效应光电器件

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。光照停止后，自由电子与空穴复合，导电性能下降，电阻恢复原值。光敏电阻在受到光的照射时，由于内光电效应使其导电性能增强，电阻Rg值下降，所以流过负载电阻R L的电流及其两端的电压也随之变化。图3-56光敏电阻接线电路2.光敏晶体管光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等统称为光敏晶体管，它们的工作原理是基于内光电效应。

前面曾经指出，原子中存在着一个个离散的能级，电子只能存在于这些离散的能级之上。而半导体材料是一种单晶体。在晶体中，大量的原子有秩序、周期性地排列在一起，相邻的原子靠得非常紧密，不同的原子能级互相重叠变成了能带的形式，如图3-53所示。

对于半导体，其内部自由运动的电子（简称自由电子）所填充的能带称为导带。价电子所填充的能带称为价带。导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度，用gE表示，单位为电子伏特（eV），如图3-54所示。

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图3-53　晶体中的能带

在半导体中，导带与价带之间的电子跃迁也分为受激吸收、受激辐射和自发辐射三种。若价带上的电子得到能量就会跃迁到导带，同时在价带上留下一个空穴；反之，导带上的电子也可以自发地或受激跃迁到价带，与价带上的空穴复合。复合时，辐射出一个能量为gE、频率为g/fEh=的光子，如图3-54所示。

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图3-54　半导体的能带结构

1.光敏电阻

如图3-55所示，光敏电阻又称为光导管。光敏电阻几乎都是用半导体材料制成，其结构较简单。在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体物质，半导体的两端装上金属电极，使电极与半导体层可靠地电接触，然后，将它们压入塑料封装体内。为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。

光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。当无光照时，光敏电阻具有很高的阻值。当有一定波长范围的光照射时，光子的能量大于材料的禁带宽度，禁带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，激发出可以导电的电子-空穴对，使电阻降低。光线越强，激发出的电子-空穴对越多，电阻值越低。光照停止后，自由电子与空穴复合，导电性能下降，电阻恢复原值。

光敏电阻接线电路如图3-56所示，如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小。光敏电阻在受到光的照射时，由于内光电效应使其导电性能增强，电阻Rg值下降，所以流过负载电阻R L的电流及其两端的电压也随之变化。

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图3-55　光敏电阻的结构

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图3-56　光敏电阻接线电路

2.光敏晶体管

光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等统称为光敏晶体管，它们的工作原理是基于内光电效应。如图3-57所示，光敏二极管的结构与一般二极管相似，装在透明的玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光的照射。

光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态。如图3-58所示，当没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这个反向电流称为暗电流。当光线照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下做定向移动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。

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图3-57　光敏二极管

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图3-58　光敏二极管的接线图

光敏晶体管（光敏三极管）与一般晶体管相似，具有两个PN结，如图3-59（a）所示，但是其发射极做得很大，用来扩大光照面积。

光敏晶体管的接线如图3-59（b）所示，大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电极就是反向偏压，当光照射在集电结时就会在结附近产生电子-空穴对，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，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，其集电极电流为光电流的β倍，所以光敏晶体管具有放大作用。

光敏晶体管的光电灵敏度虽然比光敏二极管高得多，但在需要高增益或大电流输出的场合，需采用达林顿光敏管。图3-60是达林顿光敏管的等效电路，它是一个光敏晶体管与一个晶体管以共集电极方式连接的集成器件。由于增大了一级电流放大，所以输出电流能力大大增强，甚至不必经过进一步放大，便可直接驱动灵敏继电器。但无光照时的暗电流也会增加，因此适合于开关状态的光电转换。

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图3-59　光敏晶体管结构简图与基本电路

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图3-60　达林顿光敏管的等效电路

高效内光电效应光电器件

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