内光电效应及其应用

利用在光线作用下使材料内部电阻率改变的现象称为内光电效应。基于内光电效应的主要器件包括光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管。

在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态而引起材料电阻率的变化，称为光电导效应。

1.光敏电阻

光敏电阻的作用原理是基于光电导效应，它具有灵敏度高、光谱响应范围宽、体积小、质量轻、机械强度高、耐冲击、抗过载能力强、耗散功率大以及寿命长等特点，其结构如图3-2(a)所示。为避免灵敏度受潮湿的影响，必须将光电半导体严密封装在壳体中。

光电导效应只限于光照表面薄层，因此光电半导体一般都做成薄层。为获得高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案，如图3-2(b)所示。

图3-2 光敏电阻结构、电极图案与表示符号

(a)结构；(b)电极图案；(c)表示符号

为了避免外来干扰，光敏电阻外壳的入射孔用一种能透过所需光谱范围内光线的透明保护窗(如玻璃)，有时用专门的滤光片作保护窗。

光敏电阻工作原理：在无光照时光敏电阻的阻值很高，当受到光线作用时，由于有些光子具有大于材料禁带宽度的能量，则光子的轰击使得价带中的电子吸收光子能量后而跃迁到导带，从而激发出可以导电的电子-空穴对，提高了材料的导电性能。光线越强即参与轰击的光子越多，激发出的电子-空穴对越多，导电性能更加提高，阻值也就降低。光照停止后自由电子和空穴复合，导电性能下降，电阻恢复原值。

1)光敏电阻的光谱特性

光敏电阻对不同波长光线的相对光谱灵敏度不同，各种光敏电阻的光谱响应峰值波长也不相同。选用光敏电阻时，把元件和光源的光谱特性结合起来考虑才能得到较为满意的匹配，图3-3 所示为三种光敏电阻的光谱特性。

图3-3 三种光敏电阻的光谱特性

2)光敏电阻的伏安特性

图3-4 所示为光敏电阻的伏安特性曲线。不同照度条件下伏安特性曲线的斜率不同，表明电阻值随照度而改变。在照度一定时，电压增大时光电流也大，而且没有饱和现象。光敏电阻两端的电压也不能无限制地提高，因光敏电阻都有最大额定功率，超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。

图3-4 光敏电阻的伏安特性曲线

光敏电阻受到脉冲光作用时，光电流不会立刻上升到最大值，上升要经历一段时间。光照停止后，光电流也不立刻下降为零，下降要经历一段时间。响应时间的长短由时间常数τ来描述。

光敏电阻产品一般给出时间常数值。大部分光敏电阻时间常数在10 -2 ～10 -6 s 数量级。图3-5(a)所示为光敏电阻响应时间曲线，响应时间长短与照度有关，照度越大响应时间越短。不同材料光敏电阻具有不同时间常数值，导致不同光敏电阻的频率特性不相同。图3-5(b)所示为不同材料光敏电阻的频率特性，即相对光谱灵敏度与照度变化频率的关系曲线。

图3-5 光敏电阻响应时间和频率特性曲线

(a)响应时间曲线；(b)频率特性曲线
1—硫化铅；2—硫化铊(www.xing528.com)

2.光敏二极管和光敏三极管

1)结构与工作原理

光敏二极管是一种利用PN 结单向导电性的结型光电器件，与一般半导体二极管类似，其PN 结装在管的顶部，以便接受光照，上面有一个透镜制成的窗口以便使光线集中在敏感面上。光敏二极管在电路中通常工作在反向偏压状态，其电路原理如图3-6 所示。在无光照时，处于反偏的光敏二极管工作在截止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流，此电流称为暗电流。

当光敏二极管受到光照时PN 结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P 区和N 区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反偏电压和内电场作用下，P 区的少数载流子渡越阻拦层进入N 区，N 区的少数载流子渡越阻挡层进入P 区，从而使通过PN 结的反向电流大为增加，形成光电流。

图3-6 光敏二极管工作原理和电路

(a)工作原理；(b)电路

光敏三极管与光敏二极管结构相似，不过内部有两个PN 结，与普通三极管不同之处是它的发射极一边尺寸很小，以扩大光照面积。当基极开路时，基极到集电极处于反偏状态。当光照射到集电结附近的基区时，使结附近产生电子-空穴对，它们在内电场作用下做定向运动形成光电流。由于光照射发射结产生的光电流相当于一般三极管基极电流，因此集电极输出的光电流就被放大了(β+1)倍，从而使光敏三极管具有比光敏二极管更高的灵敏度。

光敏三极管由于其暗电流较大，光电流与暗电流之比增大，常在发射极到基极之间接一个电阻(约5 kΩ)，对于硅平面光敏三极管由于其暗电流很小(小于10 -9A)，一般不备有基极外接引线，仅有发射极、集电极两根引线。光敏三极管原理和电路如图3-7 所示。

图3-7 光敏三极管原理和电路

(a)原理；(b)电路

2)光敏管的基本特性

光谱特性：光敏管的光谱特性如图3-8 所示，入射光波长增加时相对灵敏度要下降，因为光子的能量hν 太小，不足以激发出电子-空穴对。入射光波长太短时，光子在半导体表面附近激发的电子-空穴对不能到达PN 结，因此相对光谱灵敏度也下降。不同材料的响应峰值波长也不相同，应根据光谱特性来确定光源和光电器件的最佳匹配。

图3-8 光敏管的光谱特性

伏安特性：光敏管的伏安特性如图3-9 所示，光敏二极管输出电流比同样照度下光敏三极管输出光电流要小，且零偏压时二极管有光电流输出。

图3-9 光敏管的伏安特性

频率特性：光敏管的频率特性如图3-10 所示，光敏管的响应时间常数一般在10 -4 ～10 -5 s，比硅管时间常数小，响应频率高，有些特殊用途的光敏管，比如硅平面PIN 快速光敏二极管其响应频率高达1 GHz，暗电流小到100 pA。

图3-10 光敏管的频率特性