光敏材料-(1)

光敏感材料信息技术作为支撑现代文明的三大技术之一，在现代文明中扮演着极其重要的角色，由此衍生出的各种产品在我们的日常生活中已经逐渐的不可或缺。信息技术的基础是传感器技术、通讯技术和计算机技术，分别起着感知、传递和控制的作用。其中，传感器技术包括敏感器件材料、传感器及其附属电路、计算机接口电路。数据传输系统传入传入输出输出分类敏感器件材料按照其功能可以分为热敏、压敏、湿敏、气敏、电敏、光敏、力敏、磁敏、声敏、离子敏、生物敏等类型。也可以按照材料的结构类型来划分，分为金属敏感材料、半导体敏感材料、陶瓷敏感材料、有机高分子敏感材料、光纤敏感材料、磁性敏感材料等。1.光敏器件材料2.压敏器件材料3.离子敏器件元件分类敏感元件要求：灵敏度、稳定性和可靠性高，互换性和生产重复性好，在某些情况下还要求有高的响应速率。在工业发展的要求之下，敏感材料不仅必须具有高灵敏度和快速响应的基本特性之外，还要求元件对于测量状态不产生影响，所以要求敏感元件向小型化发展。只有这样才能测量空间的微小部分，实现内部空间的真实还原。另一方面，不断发展的微电子机械系统和微机械加工技术要求敏感元件向微小型化、固态化、多功能集成化、图形技术化、智能化和光学化等方面发展，促使敏感材料也相应的向微型化、薄膜化、单晶化、复合化以及功能利用化等方面发展。评价体系以及未来发展方向光敏器件材料光敏材料是指特征参数随外界光辐射的变化而明显改变的敏感材料。可以分为光敏半导体和光敏高分子两种。光敏高分子材料也称为光功能高分子材料，是指在光的参与作用下能够表现出某些特殊物理或化学性能的高分子材料。这些变化可以分为化学变化和物理变化：化学变化：光聚合、光交联、光降解物理变化：互变异构（颜色改变）、激发（导电等性能改变）、发光、外观尺寸的变化等。在实际中的应用为：光敏涂料、光成像材料和高分子光稳定剂评价体系以及未来发展方向评价体系以及未来发展方向半导体光敏器件材料光敏半导体材料是将光能转换为电信号的半导体材料。半导体与光之间的相互作用比导体和绝缘体要强，这是半导体可以作为光敏元器件材料的基础。半导体与光的相互作用可以分为两种，光伏效应和光电导效应。半导体光敏材料光电导效应又称为光电效应、光敏效应，是光照变化引起半导体材料电导变化的现象。即光电导效应是光照射到某些物体上后，引起其电性能变化的一类光致电改变现象的总称。当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。典型的光电导器件是光敏电阻。光电导器件光敏电阻的基本原理光敏电阻分类：本征型半导体光敏电阻掺杂型半导体光敏电阻电子能量导带价带禁带EvEgEc电子能量导带价带施主能级EvEdEdEc光敏电阻的光电特性光敏电阻在黑暗的室温条件下，由于热激发产生的载流子使它具有的电导，称为暗电导。暗电导值很小。当有光照射在光敏电阻上时，它的电导将变大，这时的电导称为光电导。电导随光照量变化越大的光敏电阻，其灵敏度越高，这个特性称为光敏电阻的光电特性。光敏电阻的光电特性光敏元件的基本结构图中比较常见的光电导材料有CdS、ZnS、CdSe、PbS、InSb、GeZn、GeCu、GeAg最为常见的是CdS当入射光照在光电导材料上时，光电导材料会吸收一部分光能，如果光的频率满足一定的范围，就可以克服能带之间的间隙，产生光生载流子，相应的光电导材料的电导性能就会相应的发生改变。在外加电场的作用下，回路中的电流Ip就会相应的改变，根据电流的变化就可以得到关于光强方面的内容。光敏电阻的应用举例一、照明灯的光电控制电路光敏电阻的应用举例二、火焰探测报警器光敏电阻的应用举例三、照相机电子快门光敏电阻研究方向关于光敏电阻的基础研究目前不多见，目前的研究重点是对光敏电阻的各种应用，例如下面的指示太阳位置的传感器和灯光调节系统[]胡义兵，陈昊；新型路灯节能系统设计，大学物理实验，2012（4）：29-31.[]徐凤霞，田群宏；太阳方向跟踪器；齐齐哈尔大学学报，2012（6）：5-8光伏效应光伏效应产生作用离不开元件的P-N结结构。P-N结采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。光伏效应器件PN结的形成：两种运动：扩散（浓度差）漂移（电场力）两种载流子的两种运动动态平衡时形成PN结当扩散和飘移速度达到平衡的时候，就会形成耗尽层，在耗尽层内部就会形成所谓的内建电场在入射光的照射下，会引起半导体载流子的变化，多子浓度变化不大，少子浓度会发生极大变化。在内建电场作用下，于是在P区产生的电子会向N区方向移动，N区产生的空穴会向P区移动，于是在P区聚集了空穴，N区聚集了电子，形成电动势由上面分析可以看出，为使半导体光电器件能产生光生电动势（或光生积累电荷），它们应该满足以下两个条件：1、半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数，即要求入射光子的能量h大于或等于半导体材料的带隙Eg，使该入射光子能被半导体吸收而激发出光生非平衡的电子空穴对。2、具有光伏结构，即有一个内建电场所对应的势垒区。势垒区的重要作用是分离了两种不同电荷的光生非平衡载流子，在p区内积累了非平衡空穴，而在n区内积累起非平衡电子。产生了一个与平衡pn结内建电场相反的光生电场，于是在p区和n区间建立了光生电动势（或称光生电压）。光生伏特效应典型的应用是光电池。光电池又叫太阳能电池，是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。太阳能电池的结构单晶硅太阳能电池的典型结构如图所示。单晶硅太阳能电池通常是以p型Si为衬底，扩散n型杂质，形成如图(a)所示结构。为取出电流，p型衬底的整个下表面涂银并烧结，以形成银电极，接通两电极即能得到电流。玻璃衬底非晶硅太阳能电池是先在玻璃衬底上淀积透明导电薄膜，然后依次用等离子体反应沉积p型、I型和n型三层a-Si，接着再蒸涂金属电极铝，电池电流从透明导电薄膜和电极铝引出。玻璃衬底非晶硅太阳能电池的典型结构如图所示。多晶硅的价格是冶炼级硅的60倍，而单晶硅的价格是冶炼级硅的2000倍。若能以冶炼级硅来制备太阳能电池，就能大大降低成本。可是，冶炼级硅的杂质含量太高，影响制成的太阳能电池的转换效率。若能设法将冶炼级硅用简单的化学或物理方法提纯，并能满足太阳能电池的要求，这种硅就叫太阳能电池级硅，又叫SOG-Si，太阳能电池级硅材料如果硅材料中的金属杂质在禁带中引入允许能级，起复合中心作用，就会减低太阳能电池的转换效率。经过研究，人们发现，金属钽、钼、铌、钛、钒等即使在硅中含量极微，也会对电池的效率产生影响。但其它一些金属，即使含量超过10-15cm-3，也不会对电池的转换效率产生明显影响，这就比对半导体级硅的要求放宽了100倍，因而人们可以试用成本较低的方法来制造太阳能电池级硅材料。研究方向