光敏材料 (1)

1、 光敏感材料 信息技術(shù)作為支撐現(xiàn)代文明的三大技術(shù)之一，在現(xiàn)代文明中扮演著極其重要的角色，由此衍生出的各種產(chǎn)品在我們的日常生活中已經(jīng)逐漸的不可或缺。 信息技術(shù)的基礎(chǔ)是傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，分別起著感知、傳遞和控制的作用。其中，傳感器技術(shù)包括敏感器件材料、傳感器及其附屬電路、計(jì)算機(jī)接口電路。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳入傳入輸出輸出分類(lèi) 敏感器件材料按照其功能可以分為熱敏、壓敏、濕敏、氣敏、電敏、光敏、力敏、磁敏、聲敏、離子敏、生物敏等類(lèi)型。也可以按照材料的結(jié)構(gòu)類(lèi)型來(lái)劃分，分為金屬敏感材料、半導(dǎo)體敏感材料、陶瓷敏感材料、有機(jī)高分子敏感材料、光纖敏感材料、磁性敏感材料等。 1.光敏器件材料2.壓敏器件

2、材料3.離子敏器件元件分類(lèi) 敏感元件要求要求：靈敏度、穩(wěn)定性和可靠性高，互換性和生產(chǎn)重復(fù)性好，在某些情況下還要求有高的響應(yīng)速率。 在工業(yè)發(fā)展的要求之下，敏感材料不僅必須具有高靈敏度和快速響應(yīng)的基本特性之外，還要求元件對(duì)于測(cè)量狀態(tài)不產(chǎn)生影響，所以要求敏感元件向小型化發(fā)展。只有這樣才能測(cè)量空間的微小部分，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部空間的真實(shí)還原。另一方面，不斷發(fā)展的微電子機(jī)械系統(tǒng)和微機(jī)械加工技術(shù)要求敏感元件向微小型化、固態(tài)化、多功能集成化、圖形技術(shù)化、智能化和光學(xué)化等方面發(fā)展，促使敏感材料也相應(yīng)的向微型化、薄膜化、單晶化、復(fù)合化以及功能利用化等方面發(fā)展。評(píng)價(jià)體系以及未來(lái)發(fā)展方向光敏器件材料 光敏材料是指特征參數(shù)隨外

3、界光輻射的變化而明顯改變的敏感材料。可以分為光敏半導(dǎo)體和光敏高分子兩種。 光敏高分子材料也稱為光功能高分子材料，是指在光的參與作用下能夠表現(xiàn)出某些特殊物理或化學(xué)性能的高分子材料。這些變化可以分為化學(xué)變化和物理變化： 化學(xué)變化：光聚合 、光交聯(lián) 、光降解 物理變化：互變異構(gòu)（顏色改變）、激發(fā)（導(dǎo)電等性能改變）、 發(fā)光 、外觀尺寸的變化等。 在實(shí)際中的應(yīng)用為：光敏涂料、光成像材料和高分子光穩(wěn)定劑評(píng)價(jià)體系以及未來(lái)發(fā)展方向評(píng)價(jià)體系以及未來(lái)發(fā)展方向半導(dǎo)體光敏器件材料 光敏半導(dǎo)體材料是將光能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的半導(dǎo)體材料。光敏半導(dǎo)體材料是將光能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的半導(dǎo)體材料。 半導(dǎo)體與光之間的相互作用比導(dǎo)體和絕緣體要

4、強(qiáng)，這是半導(dǎo)體可以作為光敏元器件材料的基礎(chǔ)。半導(dǎo)體與光的相互作用可以分為兩種，光伏效應(yīng)和光電導(dǎo)效應(yīng)。 半導(dǎo)體光敏材料光電導(dǎo)效應(yīng) 又稱為光電效應(yīng)、光敏效應(yīng)，是光照變化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象。即光電導(dǎo)效應(yīng)是光照射到某些物體上后，引起其電性能變化的一類(lèi)光致電改變現(xiàn)象的總稱。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時(shí)，材料吸收光子的能量，使非傳導(dǎo)態(tài)電子變?yōu)閭鲗?dǎo)態(tài)電子，引起載流子濃度增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。在光線作用下，對(duì)于半導(dǎo)體材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度， 就激發(fā)出電子-空穴對(duì)，使載流子濃度增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。 典型的光電導(dǎo)器件是

5、光敏電阻。典型的光電導(dǎo)器件是光敏電阻。光電導(dǎo)器件光敏電阻的基本原理光敏電阻分類(lèi)： 本征型半導(dǎo)體光敏電阻 摻雜型半導(dǎo)體光敏電阻電子能量導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶EvEgEc電子能量導(dǎo)帶價(jià)帶施主能級(jí)EvEdEdEc光敏電阻的光電特性 光敏電阻在黑暗的室溫條件下，由于熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子使它具有的電導(dǎo)，稱為暗電導(dǎo)。暗電導(dǎo)值很小。 當(dāng)有光照射在光敏電阻上時(shí)，它的電導(dǎo)將變大，這時(shí)的電導(dǎo)稱為光電導(dǎo)。 電導(dǎo)隨光照量變化越大的光敏電阻，其靈敏度越高，這個(gè)特性稱為光敏電阻的光電特性。 光敏電阻的光電特性光敏元件的基本結(jié)構(gòu)圖中比較常見(jiàn)的光電導(dǎo)材料有CdS、ZnS、CdSe、PbS、InSb、GeZn、GeCu、GeAg最為常見(jiàn)的

6、是CdS 當(dāng)入射光照在光電導(dǎo)材料上時(shí)，光電導(dǎo)材料會(huì)吸收一部分光能，如果光的頻率滿足一定的范圍，就可以克服能帶之間的間隙，產(chǎn)生光生載流子，相應(yīng)的光電導(dǎo)材料的電導(dǎo)性能就會(huì)相應(yīng)的發(fā)生改變。在外加電場(chǎng)的作用下，回路中的電流Ip就會(huì)相應(yīng)的改變，根據(jù)電流的變化就可以得到關(guān)于光強(qiáng)方面的內(nèi)容。光敏電阻的應(yīng)用舉例光敏電阻的應(yīng)用舉例一、照明燈的光電控制電路 光敏電阻的應(yīng)用舉例光敏電阻的應(yīng)用舉例二、火焰探測(cè)報(bào)警器 光敏電阻的應(yīng)用舉例光敏電阻的應(yīng)用舉例三、照相機(jī)電子快門(mén) 光敏電阻研究方向光敏電阻研究方向 關(guān)于光敏電阻的基礎(chǔ)研究目前不多見(jiàn)，目前的研究重點(diǎn)是對(duì)光敏電阻的各種應(yīng)用，例如下面的指示太陽(yáng)位置的傳感器和燈光調(diào)節(jié)系

7、統(tǒng)胡義兵，陳昊；新型路燈節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2012（4）：29-31.徐鳳霞，田群宏；太陽(yáng)方向跟蹤器；齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（6）：5-8 光伏效應(yīng) 光伏效應(yīng)產(chǎn)生作用離不開(kāi)元件的P-N結(jié)結(jié)構(gòu)。 P-N結(jié) 采用不同的摻雜工藝，通過(guò)擴(kuò)散作用，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體（通常是硅或鍺）基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱PN結(jié)。光伏效應(yīng)器件PN結(jié)的形成：結(jié)的形成：兩種運(yùn)動(dòng)：兩種運(yùn)動(dòng)：擴(kuò)散（濃度差）擴(kuò)散（濃度差）漂移（電場(chǎng)力）漂移（電場(chǎng)力）兩種載流子的兩種兩種載流子的兩種運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡時(shí)形時(shí)形成成PN結(jié)結(jié) 當(dāng)擴(kuò)散和飄移速度達(dá)到平衡的時(shí)候，就會(huì)形成耗盡層，在耗

8、盡層內(nèi)部就會(huì)形成所謂的內(nèi)建電場(chǎng) 在入射光的照射下，會(huì)引起半導(dǎo)體載流子的變化，多子濃度變化不大，少子濃度會(huì)發(fā)生極大變化。在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，于是在P區(qū)產(chǎn)生的電子會(huì)向N區(qū)方向移動(dòng)，N區(qū)產(chǎn)生的空穴會(huì)向P區(qū)移動(dòng)，于是在P區(qū)聚集了空穴，N區(qū)聚集了電子，形成電動(dòng)勢(shì)由上面分析可以看出，為使半導(dǎo)體光電器件能產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)（或光生積累電荷），它們應(yīng)該滿足以下兩個(gè)條件：1、半導(dǎo)體材料對(duì)一定波長(zhǎng)的入射光有足夠大的光吸收系數(shù)，即要求入射光子的能量h大于或等于半導(dǎo)體材料的帶隙Eg，使該入射光子能被半導(dǎo)體吸收而激發(fā)出光生非平衡的電子空穴對(duì)。2、具有光伏結(jié)構(gòu)，即有一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的勢(shì)壘區(qū)。勢(shì)壘區(qū)的重要作用是分離了兩種不同電

9、荷的光生非平衡載流子，在p區(qū)內(nèi)積累了非平衡空穴，而在n區(qū)內(nèi)積累起非平衡電子。產(chǎn)生了一個(gè)與平衡pn結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)相反的光生電場(chǎng)，于是在p區(qū)和n區(qū)間建立了光生電動(dòng)勢(shì)（或稱光生電壓）。 光生伏特效應(yīng)典型的應(yīng)用是光電池。光電池又叫太陽(yáng)能電池，是一種對(duì)光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有許多種，如：?jiǎn)尉Ч?，多晶硅，非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)單晶硅太陽(yáng)能電池的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。單 晶 硅 太陽(yáng)能電池通常是以p型Si為襯底，擴(kuò)散n型雜質(zhì)，形成如圖(a)所示結(jié)構(gòu)。為取出電流，p型襯底的整個(gè)下表面涂銀并燒結(jié)，以形成銀電極，接通兩電極即能得到電流。玻璃襯底非晶硅太陽(yáng)能電池是先在玻璃襯底上淀積透明導(dǎo)電薄膜，然后依次用等離子體反應(yīng)沉積p型、I型和n型三層a-Si，接著再蒸涂金屬電極鋁，電池電流從透明導(dǎo)電薄膜和電極鋁引出。玻璃襯底非晶硅太陽(yáng)能電池的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。 多晶硅的價(jià)格是冶煉級(jí)硅的60倍，而單晶硅的價(jià)格是冶煉級(jí)硅的2000倍。若能以冶煉級(jí)硅來(lái)制備太陽(yáng)能電池，就能大大降低成本?？墒牵睙捈?jí)硅的雜質(zhì)含量太高，影響制成的太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。若能設(shè)法將冶煉級(jí)硅用簡(jiǎn)單的化學(xué)或物理方法提純，并能滿足太陽(yáng)能電池的要求，這種硅就叫太陽(yáng)能電池級(jí)硅，又叫SOG-Si，太陽(yáng)能電池級(jí)硅材料如果硅材料中的金屬雜質(zhì)在禁帶中引入允許能級(jí)，起復(fù)合中心作