光電傳感技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展論文

1、目 錄1緒 論22光電傳感器的基本知識32.1光電效應(yīng)32.2光電傳感器的構(gòu)成32.3光電傳感器的工作原理43光電管53.1 真空光電管53.2 充氣光電管64 光電倍增管65 光敏電阻75.1 概 述75.2 主要參數(shù)與特性85.3 應(yīng)用106 光敏二極管和光敏晶體管116.1 光敏二極管116.2 光敏三極管137 光電池147.1 光電池的定義147.2 光伏發(fā)電的原理158光電傳感器的應(yīng)用178.1應(yīng)用概述178.2應(yīng)用舉例189光電傳感技術(shù)的發(fā)展199.1傳感器的發(fā)展動向19致 謝21參考文獻221緒 論 光電傳感器最根本的原理是光電效應(yīng),光電效應(yīng)又分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)外光電效

2、應(yīng):在光線作用下,物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。在光線作用下,物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩類:(1)光電導(dǎo)效應(yīng)。在光線作用下,對于半導(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,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)。光敏電阻就是基于這種效應(yīng)的光電器件。(2)光生伏特效應(yīng)。在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池。 常用的光電傳感器有光敏電阻、光電池、光敏二極管、光敏三極管等。利用這

3、些傳感器各自的特點加上巧妙的設(shè)計,光電傳感器幾乎被應(yīng)用于生活的各個方面。光電傳感器特點有:(1)檢測距離長。如果在對射型中保留10m以上的檢測距離等,便能實現(xiàn)其他檢測手段(磁性、超聲波等)無法離檢測。(2)對檢測物體的限制很少 。由于以檢測物體引起的遮光和反射為檢測原理,所以不象接近傳感器等將檢測物體限定在金屬,它可對玻璃.塑料.木材.液體等幾乎所有物體進行檢測。(3)響應(yīng)時間短。光本身為高速,并且傳感器的電路都由電子零件構(gòu)成,所以不包含機械性工作時間,響應(yīng)時間非常短。 (4)分辨率高。能通過高級設(shè)計技術(shù)使投光光束集中在小光點,或通過構(gòu)成特殊的受光光學(xué)系統(tǒng),來實現(xiàn)高分辨率。也可進行微小物體的檢

4、測和高精度的位置檢測。(5)可實現(xiàn)非接觸的檢測?？梢詿o須機械性地接觸檢測物體實現(xiàn)檢測,因此不會對檢測物體和傳感器造成損傷。因此,傳感器能長期使用。(6)可實現(xiàn)顏色判別。通過檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據(jù)被投光的光線波長和檢測物體的顏色組合而有所差異。利用這種性質(zhì),可對檢測物體的顏色進行檢測。(7)便于調(diào)整。在投射可視光的類型中,投光光束是眼睛可見的,便于對檢測物體的位置進行調(diào)整。2光電傳感器的基本知識2.1光電效應(yīng) 光照射到某些物質(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。這類光致電變的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應(yīng)。金屬表面在光輻照作用下發(fā)射電子的效應(yīng)，發(fā)射出來的電子叫做光電子。光波長小于某一臨界值時方

5、能發(fā)射電子，即極限波長，對應(yīng)的光的頻率叫做極限頻率。臨界值取決于金屬材料，而發(fā)射電子的能量取決于光的波長而與光強度無關(guān)，這一點無法用光的波動性解釋。還有一點與光的波動性相矛盾，即光電效應(yīng)的瞬時性，按波動性理論，如果入射光較弱，照射的時間要長一些，金屬中的電子才能積累住足夠的能量，飛出金屬表面?？墒聦嵤牵灰獾念l率高于金屬的極限頻率，光的亮度無論強弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時的，不超過十的負(fù)九次方秒。正確的解釋是光必定是由與波長有關(guān)的嚴(yán)格規(guī)定的能量單位(即光子或光量子)所組成。這種解釋為愛因斯坦所提出。光電效應(yīng)由德國物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，對發(fā)展量子理論起了根本性作用，在光的照射下，使物體

6、中的電子脫出的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)(Photoelectric effect)。 光電效應(yīng)分為光電子發(fā)射、光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏打效應(yīng)。前一種現(xiàn)象發(fā)生在物體表面，又稱外光電效應(yīng)。后兩種現(xiàn)象發(fā)生在物體內(nèi)部，稱為內(nèi)光電效應(yīng)。 光電效應(yīng)里，電子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金屬表面射出，與光照方向無關(guān) ，光是電磁波，但是光是高頻震蕩的正交電磁場，振幅很小，不會對電子射出方向產(chǎn)生影響.2.2光電傳感器的構(gòu)成 光電開關(guān)是通過把光強度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的。光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器，接收器和檢測電路。發(fā)送器對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導(dǎo)體光源，

7、發(fā)光二極管（LED）和激光二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管或光電三極管組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應(yīng)用該信號。此外，光電傳感器的結(jié)構(gòu)元件中還有發(fā)射板和光導(dǎo)纖維。三角反射板是結(jié)構(gòu)牢固的反射裝置。它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準(zhǔn)確地從反射板中返回，具有實用意義。它可以在與光軸0到25的范圍改變發(fā)射角，使光束幾乎是從一根發(fā)射線，經(jīng)過反射后，還是從這根反射線返回。光纖（又稱光導(dǎo)纖維LWL），它擴大了光電傳感器的使用范圍，形成了特殊的嵌裝式收發(fā)裝置。它可以在特殊的環(huán)境中使用，檢測微小的物體。它在非常高的

8、外界溫度中，在結(jié)構(gòu)受限制的環(huán)境里，都可以獲得滿意的答案。2.3光電傳感器的工作原理 光敏二極管是最常見的光傳感器。光電傳感器光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，PN結(jié)的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負(fù)載電阻相串聯(lián)，當(dāng)無光照時，它與普通二極管一樣，反向電流很小（µA），稱為光敏二極管的暗電流；當(dāng)有光照時，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴，稱為光電載流子。在外電場的作用下，光電載流子參于導(dǎo)電，形成比暗電流大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流。光電流的大小與光照強度成正比，于是在負(fù)載電阻上

9、就能得到隨光照強度變化而變化的電信號。光電傳感器光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的功能外，還有對電信號放大的功能。光敏三級管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個極發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。為增大光照，基區(qū)面積做得很大，發(fā)射區(qū)較小，入射光主要被基區(qū)吸收。工作時集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。在無光照時管子流過的電流為暗電流Iceo=（1+）Icbo（很小），比一般三極管的穿透電流還小；當(dāng)有光照時，激發(fā)大量的電子-空穴對，使得基極產(chǎn)生的電流Ib增大，此刻流過管子的電流稱為光電流，集電極電流Ic=（1+）Ib，可見光電傳感器光電三極管要比光電

10、二極管具有更高的靈敏度。3光電管3.1 真空光電管 光電管（phototube）基于外光電效應(yīng)的基本光電轉(zhuǎn)換器件。光電管可使光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電管分為真空光電管和充氣光電管兩種。光電管的典型結(jié)構(gòu)是將球形玻璃殼抽成真空，在內(nèi)半球面上涂一層光電材料作為陰極，球心放置小球形或小環(huán)形金屬作為陽極。若球內(nèi)充低壓惰性氣體就成為充氣光電管。光電子在飛向陽極的過程中與氣體分子碰撞而使氣體電離，可增加光電管的靈敏度。用作光電陰極的金屬有堿金屬、汞、金、銀等，可適合不同波段的需要。光電管靈敏度低、體積大、易破損，已被固體光電器件所代替。 真空光電管（又稱電子光電管）由封裝于真空管內(nèi)的光電陰極和陽極構(gòu)成。當(dāng)入射

11、光線穿過光窗照到光陰極上時，由于外光電效應(yīng)（見光電式傳感器），光電子就從極層內(nèi)發(fā)射至真空。在電場的作用下，光電子在極間作加速運動，最后被高電位的陽極接收，在陽極電路內(nèi)就可測出光電流，其大小取決于光照強度和光陰極的靈敏度等因素。按照光陰極和陽極的形狀和設(shè)置的不同，光電管一般可分為5種類型。中心陰極型：這種類型由于陰極面積很小，受照光通量不大，僅適用于低照度探測和光子初速度分布的測量。中心陽極型：這種類型由于陰極面積大，對入射聚焦光斑的大小限制不大；又由于光電子從光陰極飛向陽極的路程相同，電子渡越時間的一致性好;其缺點是光電子接收特性差，需要較高的陽極電壓。半圓柱面陰極型：這種結(jié)構(gòu)有利于增加極間絕

12、緣性能和減少漏電流。平行平板極型：這種類型的特點是光電子從陰極飛向陽極基本上保持平行直線的軌跡，電極對于光線入射的一致性好。帶圓筒平板陰極型：它的特點是結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、工作穩(wěn)定。3.2 充氣光電管充氣光電管（又稱離子光電管）由封裝于充氣管內(nèi)的光陰極和陽極構(gòu)成。它不同于真空光電管的是，光電子在電場作用下向陽極運動時與管中氣體原子碰撞而發(fā)生電離現(xiàn)象。由電離產(chǎn)生的電子和光電子一起都被陽極接收，正離子卻反向運動被陰極接收。因此在陽極電路內(nèi)形成數(shù)倍于真空光電管的光電流。充氣光電管的電極結(jié)構(gòu)也不同于真空光電管。 常用的電極結(jié)構(gòu)有中心陰極型、半圓柱陰極型和平板陰極型。充氣光電管最大缺點是在工作過程中靈敏度

13、衰退很快，其原因是正離子轟擊陰極而使發(fā)射層的結(jié)構(gòu)破壞。充氣光電管按管內(nèi)充氣不同可分為單純氣體型和混合氣體型。單純氣體型：這種類型的光電管多數(shù)充氬氣，優(yōu)點是氬原子量小，電離電位低，管子的工作電壓不高。有些管內(nèi)充純氦或純氖，使工作電壓提高?；旌蠚怏w型：這種類型的管子常選氬氖混合氣體，其中氬占10左右。由于氬原子的存在使處于亞穩(wěn)態(tài)的氖原子碰撞后即能恢復(fù)常態(tài)，因此減少惰性。 4 光電倍增管 將微弱光信號轉(zhuǎn)換成電信號的真空電子器件。光電倍增管用在光學(xué)測量儀器和光譜分析儀器中。它能在低能級光度學(xué)和光譜學(xué)方面測量波長2001200納米的極微弱輻射功率。閃爍計數(shù)器的出現(xiàn)，擴大了光電倍增管的應(yīng)用范圍。激光檢測儀

14、器的發(fā)展與采用光電倍增管作為有效接收器密切有關(guān)。電視電影的發(fā)射和圖象傳送也離不開光電倍增管。光電倍增管廣泛地應(yīng)用在冶金、電子、機械、化工、地質(zhì)、醫(yī)療、核工業(yè)、天文和宇宙空間研究等領(lǐng)域。 光電倍增建立在外光電效應(yīng)、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)理論基礎(chǔ)上，結(jié)合 了高增益、低噪聲、高頻率響應(yīng)和大信號接收區(qū)等特征，是一種具有極高靈敏度和超快時間響應(yīng)的光敏電真空器件，可以工作在紫外、可見和近紅外區(qū)的光譜區(qū)。日盲紫外光電倍增管對日盲紫外區(qū)以外的可見光、近紫外等光譜輻射不靈敏，具有噪聲低（暗電流小于1nA）、響應(yīng)快、接收面積大等特點。 由于光電倍增管增益高和響應(yīng)時間短，又由于它的輸出電流和入射光子數(shù)成正比，所以它

15、被廣泛使用在天體光度測量和天體分光光度測量中。其優(yōu)點是：測量精度高，可以測量比較暗弱的天體，還可以測量天體光度的快速變化。天文測光中，應(yīng)用較多的是銻銫光陰極的倍增管,如RCA1P21。這種光電倍增管的極大量子效率在4200埃附近，為20%左右。還有一種雙鹼光陰極的光電倍增管,如GDB-53。它的信噪比的數(shù)值較RCA1P21大一個數(shù)量級，暗流很低。為了觀測近紅外區(qū)，常用多鹼光陰極和砷化鎵陰極的光電倍增管，后者量子效率最大可達50%。 普通光電倍增管一次只能測量一個信息，即通道數(shù)為1。近來研制成多陽極光電倍增管,它相當(dāng)于許多很細(xì)的倍增管組成的矩陣。由于通道數(shù)受陽極末端細(xì)金屬絲的限制，目前只做到上百

16、個通道。運行特性1. 穩(wěn)定性 光電倍增管的穩(wěn)定性是由器件本身特性、工作狀態(tài)和環(huán)境條件等 多種因素決 定的。管子在工作過程中輸出不穩(wěn)定的情況很多，主要有： a.管內(nèi)電極焊接不良、結(jié)構(gòu)松動、陰極彈片接觸不良、極間尖端放電、 跳火等引起的跳躍性不穩(wěn)現(xiàn)象，信號忽大忽小。 b.陽極輸出電流太大產(chǎn)生的連續(xù)性和疲勞性的不穩(wěn)定現(xiàn)象。 c.環(huán)境條件對穩(wěn)定性的影響。環(huán)境溫度升高，管子靈敏度下降。 d.潮濕環(huán)境造成引腳之間漏電，引起暗電流增大和不穩(wěn)。 e.環(huán)境電磁場干擾引起工作不穩(wěn)。 2. 極限工作電壓 極限工作電壓是指管子所允許施加的電壓上限。高于此電壓，管子產(chǎn)生放電甚至擊穿5 光敏電阻5.1 概 述 光敏電阻又

17、稱光導(dǎo)管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器，又稱為光電導(dǎo)探測器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。 光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫

18、化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體 光敏電阻原理圖及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影響其靈敏度。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當(dāng)受到光照時，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價帶中產(chǎn)生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子空穴對了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對將復(fù)合，光敏電阻的阻值也就恢復(fù)原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到波

19、長的光線照射時，電流就會隨光強的而變大，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也加交流電壓。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。5.2 主要參數(shù)與特性根據(jù)光敏電阻的光譜特性，可分為三種光敏電阻器： 紫外光敏電阻器：對紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等，用于探測紫外線。 紅外光敏電阻器：主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛。銻化銦等光敏電阻器，廣泛用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、天文探測、非接觸測量、人體病變探測、紅外光譜，紅外通信等國防、科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。 可見光光敏電阻器：包括硒、硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等。主要用

20、于各種光電控制系統(tǒng)，如光電自動開關(guān)門戶，航標(biāo)燈、路燈和其他照明系統(tǒng)的自動亮滅，自動給水和自動停水裝置，機械上的自動保護裝置和“位置檢測器”，極薄零件的厚度檢測器，照相機自動曝光裝置，光電計數(shù)器，煙霧報警器，光電跟蹤系統(tǒng)等方面。 光敏電阻的主要參數(shù)是： 光敏電阻的實驗圖（1） 光電流、亮電阻。光敏電阻器在一定的外加電壓下，當(dāng)有光照射時，流過的電流稱為光電流，外加電壓與光電流之比稱為亮電阻，常用“100LX”表示。 （2）暗電流、暗電阻。光敏電阻在一定的外加電壓下，當(dāng)沒有光照射的時候，流過的電流稱為暗電流。外加電壓與暗電流之比稱為暗電阻，常用“0LX”表示。 （3）靈敏度。靈敏度是指光敏電阻不受光

21、照射時的電阻值（暗電阻）與受光照射時的電阻值（亮電阻）的相對變化值。 （4） 光譜響應(yīng)。光譜響應(yīng)又稱光譜靈敏度，是指光敏電阻在不同波長的單色光照射下的靈敏度。若將不同波長下的靈敏度畫成曲線，就可以得到光譜響應(yīng)的曲線。 （5） 光照特性。光照特性指光敏電阻輸出的電信號隨光照度而變化的特性。從光敏電阻的光照特性曲線可以看出，隨著的光照強度的增加，光敏電阻的阻值開始迅速下降。若進一步增大光照強度，則電阻值變化減小，然后逐漸趨向平緩。在大多數(shù)情況下，該特性為非線性。 （6） 伏安特性曲線。伏安特性曲線用來描述光敏電阻的外加電壓與光電流的關(guān)系，對于光敏器件來說，其光電流隨外加電壓的增大而增大。 （7）

22、溫度系數(shù)。光敏電阻的光電效應(yīng)受溫度影響較大，部分光敏電阻在低溫下的光電靈敏較高，而在高溫下的靈敏度則較低。 （8）額定功率。額定功率是指光敏電阻用于某種線路中所允許消耗的功率，當(dāng)溫度升高時，其消耗的功率就降低。5.3 應(yīng)用 光敏電阻屬半導(dǎo)體光敏器件，除具靈敏度高，反應(yīng)速度快，光譜特性及r值一致性好等特點外，在高溫，多濕的惡劣環(huán)境下，還能保持高度的穩(wěn)定性和可靠性，可廣泛應(yīng)用于照相機，太陽能庭院燈，草坪燈，驗鈔機，石英鐘，音樂杯，禮品盒，迷你小夜燈，光聲控開關(guān)，路燈自動開關(guān)以及各種光控玩具，光控?zé)麸棧瑹艟叩裙庾詣娱_關(guān)控制領(lǐng)域。下面給出幾個典型應(yīng)用電路。光敏電阻調(diào)光電路圖(1)是一種典型的光控調(diào)光電

23、路，其工作原理是：當(dāng)周圍光線變?nèi)鯐r引起光敏電阻的阻值增加，使加在電容C上的分壓上升，進而使可控硅的導(dǎo)通角增大，達到增大照明燈兩端電壓的目的。反之，若周圍的光線 圖(1)變亮，則RG的阻值下降，導(dǎo)致可控硅的導(dǎo)通角變小，照明燈兩端電壓也同時下降，使燈光變暗，從而實現(xiàn)對燈光照度的控制。 上述電路中整流橋給出的是必須是直流脈動電壓，不能將其用電容濾波變成平滑直流電壓，否則電路將無法正常工作。原因在于直流脈動電壓既能給可控硅提供過零關(guān)斷的基本條件，又可使電容C的充電在每個半周從零開始，準(zhǔn)確完成對可控硅的同步移相觸發(fā)。光敏電阻式光控開關(guān) 圖(2)以光敏電阻為核心元件的帶繼電器控制輸出的光控開關(guān)電路有許多形

24、式，如自鎖亮激發(fā)、暗激發(fā)及精密亮激發(fā)、暗激發(fā)等等，下面給出幾種典型電路。 圖(2)是一種簡單的暗激發(fā)繼電器開關(guān)電路。其工作原理是：當(dāng)照度下降到設(shè)置值時由于光敏電阻阻值上升激發(fā)VT1導(dǎo)通，VT2的激勵電流使繼電器工作，常開觸點閉合，常閉觸點斷開，實現(xiàn)對外電路的控制。 6 光敏二極管和光敏晶體管6.1 光敏二極管 光電二極管（Photo-Diode）和普通二極管一樣，也是由一個PN結(jié)組成的半導(dǎo)體器件，也具有單方向?qū)щ娞匦?。但在電路中它不是作整流元件，而是把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的光電傳感器件。 普通二極管在反向電壓作用時處于截止?fàn)顟B(tài)，只能流過微弱的反向電流，光電二極管在設(shè)計和制作時盡量使PN結(jié)的面積相

25、對較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，成為光電傳感器件。光電二極管是將光信號變成電信號的半導(dǎo)體器件。它的核心部分也是一個PN結(jié)，和普通二極管相比，在結(jié)構(gòu)上不同的是，為了便于接受入射光照，PN結(jié)面積盡量做的大一些，電極面積盡量小些，而且PN結(jié)的結(jié)深很淺，一般小于1微米。 光電二極管是在反向電壓作用之下工作的。沒有光照時，反向電流很?。ㄒ话阈∮?.1微安），稱為暗電流。當(dāng)有光照時，攜帶能量的光子進

26、入PN結(jié)后，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產(chǎn)生電子-空穴對，稱為光生載流子。它們在反向電壓作用下參加漂移運動，使反向電流明顯變大，光的強度越大，反向電流也越大。這種特性稱為“光電導(dǎo)”。光電二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的電流叫光電流。如果在外電路上接上負(fù)載，負(fù)載上就獲得了電信號，而且這個電信號隨著光的變化而相應(yīng)變化。 光電二極管、光電三極管是電子電路中廣泛采用的光敏器件。光電二極管和普通二極管一樣具有一個PN結(jié)，不同之處是在光電二極管的外殼上有一個透明的窗口以接收光線照射，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，在電路圖中文字符號一般為VD。光電三極管除具有光電轉(zhuǎn)換的功能外，還具有放大功

27、能，在電路圖中文字符號一般為VT。光電三極管因輸入信號為光信號，所以通常只有集電極和發(fā)射極兩個引腳線。同光電二極管一樣，光電三極管外殼也有一個透明窗口，以接收光線照射PN結(jié)型光電二極管與其他類型的光探測器一樣，在諸如光敏電阻、感光耦合元件（Charge-coupled Device, CCD）以及光電倍增管等設(shè)備中有著廣泛應(yīng)用。它們能夠根據(jù)所受光的照度來輸出相應(yīng)的模擬電信號（例如測量儀器）或者在數(shù)字電路的不同狀態(tài)間切換（例如控制開關(guān)、數(shù)字信號處理）。 光電二極管在消費電子產(chǎn)品，例如CD播放器、煙霧探測器以及控制電視機、空調(diào)的紅外線遙控設(shè)備中也有應(yīng)用。對于許多應(yīng)用產(chǎn)品來說，可以使用光電二極管或者

28、其他光導(dǎo)材料。它們都可以被用于測量光，常常工作在照相機的測光器、路燈亮度自動調(diào)節(jié)等。 所有類型的光傳感器都可以用來檢測突發(fā)的光照，或者探測同一電路系統(tǒng)內(nèi)部的發(fā)光。光電二極管常常和發(fā)光器件（通常是發(fā)光二極管）被合并在一起組成一個模塊，這個模塊常被稱為光電耦合元件。如果這樣就能通過分析接收到光照的情況來分析外部機械元件的運動情況（例如光斬波器）。光電二極管另外一個作用就是在模擬電路以及數(shù)字電路之間充當(dāng)中介，這樣兩段電路就可以通過光信號耦合起來，這可以提高電路的安全性。 在科學(xué)研究和工業(yè)中，光電二極管常常被用來精確測量光強，因為它比其他光導(dǎo)材料具有更良好的線性。在醫(yī)療應(yīng)用設(shè)備中，光電二極管也有著廣泛

29、的應(yīng)用，例如X射線計算機斷層成像（computed tomography, CT）以及脈搏探測器。 PIN結(jié)型光電二極管一般不用來測量很低的光強。然而，如果光強足夠大，雪崩光電二極管、感光耦合元件或者光電倍增管就能發(fā)揮作用，例如天文學(xué)、光譜學(xué)、夜視設(shè)備、激光測距儀等應(yīng)用產(chǎn)品。6.2 光敏三極管光電晶體管和普通晶體管類似，也有電流放大作用。只是它的集電極電流不只是受基極電路的電流控制，也可以受光的控制。 · 光電晶體管的外形，有光窗、集電極引出線、發(fā)射極引出線和基極引出線（有的沒有）。 · 制作材料一般為半導(dǎo)體硅，管型為NPN型， · 國產(chǎn)器件稱為3DU系列。 &#

30、183; 光電晶體管的靈敏度比光電二極管高，輸出電流也比光電二極管大，多為毫安級。 · 但它的光電特性不如光電二極管好，在較強的光照下，光電流與照度不成線性關(guān)系。 · 所以光電晶體管多用來作光電開關(guān)元件或光電邏輯元件。 · 正常運用時，集電極加正電壓。因此，集電結(jié)為反偏置，發(fā)射結(jié)為正偏置，集電結(jié)為光電結(jié)。 · 當(dāng)光照到集電結(jié)上時，集電結(jié)即產(chǎn)生光電流Ip向基區(qū)注入，同時在集電極電路即產(chǎn)生了一個被放大的電流Ic（=Ie=（1+）Ip）為電流放大倍數(shù)。 因此，光電晶體管的電流放大作用與普通晶體管在上偏流電路中接一個光電二極管的作用是完全相同的。 光電三極管是在

31、光電二極管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的光電器件，它本身具有放大功能。常見的光電三極管外形如圖l所示，文字符號表示為VT或V。 目前的光電三極管是采用硅材料制作而成的。這是由于硅元件較鍺元件有小得多的暗電流和較小的溫度系數(shù)。硅光電三極管是用N型硅單晶做成NPN結(jié)構(gòu)的。管芯基區(qū)面積做得較大，發(fā)射區(qū)面積卻做得較小，入射光線主要被基區(qū)吸收。與光電二極管一樣，入射光在基區(qū)中激發(fā)出電子與空穴。在基區(qū)漂移場的作用下，電子被拉向集電區(qū)，而空穴被積聚在靠近發(fā)射區(qū)的一邊。由于空穴的積累而引起發(fā)射區(qū)勢壘的降低，其結(jié)果相當(dāng)于在發(fā)射區(qū)兩端加上一個正向電壓，從而引起了倍率為+1(相當(dāng)于三極管共發(fā)射極電路中的電流增益)的電子注入，這

32、就是硅光電三極管的工作原理。 三極管的應(yīng)用電路7 光電池7.1 光電池的定義 1.是一種在光的照射下產(chǎn)生電動勢的半導(dǎo)體元件。光電池的種類很多，常用有硒光 電池、硅光電池和硫化鉈、硫化銀光電池等。主要用于儀表，自動化遙測和遙控方面。有的光電池可以直接把太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽@種光電池又叫太陽能電池。太陽能電池作為能源廣泛應(yīng)用在人造地衛(wèi)星、燈塔、無人氣象站等處 2.光電池是一種特殊的半導(dǎo)體二極管，能將可見光轉(zhuǎn)化為直流電。有的光電池還可以將紅外光和紫外光轉(zhuǎn)化為直流電。光電池是太陽能電力系統(tǒng)內(nèi)部的一個組成部分，太陽能電力系統(tǒng)在替代現(xiàn)在的電力能源方面正有著越來越重要的地位。最早的光電池是用摻雜的氧化硅來制作

33、的，摻雜的目的是為了影響電子或空穴的行為。其它的材料，例如CIS，CdTe和GaAs，也已經(jīng)被開發(fā)用來作為光電池的材料。有二種基本類型的半導(dǎo)體材料，分別叫做正電型（或P型態(tài)）和負(fù)電型（或N型態(tài)）。在一個PV電池中，這些材料的薄片被一起放置，而且他們之間的實際交界叫做P-N節(jié)。通過這種結(jié)構(gòu)方式，P-N節(jié)暴露于可見光，紅外光或紫外線下，當(dāng)射線照射到P-N節(jié)的時候，在P-N節(jié)的兩側(cè)產(chǎn)生電壓，這樣連接到P型材料和N型材料上的電極之間就會有電流通過。 一套PV電池能被一起連接形成太陽的模組，行列或面板。用來產(chǎn)生可用電能的PV電池就是光電伏特計。光電伏特計的主要優(yōu)點之一是沒有污染，只需要裝置和陽光就可工作

34、。另外的一個優(yōu)點是太陽能是無限的。一旦光電伏特計系統(tǒng)被安裝，它能提供在數(shù)年內(nèi)提供能量而不需要花費，并且只需要最小的維護。 光電池也叫太陽能電池，直接把太陽光轉(zhuǎn)變成電。因此光電池的特點是能夠把地球從太陽輻射中吸收的大量光能轉(zhuǎn)化換成電能。7.2 光伏發(fā)電的原理 光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體pn結(jié)（pn junction）的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽能電池(solar cell)。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件（module），再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。光伏發(fā)電的優(yōu)點是較少受地域限制，因為陽光普照大地;光伏系統(tǒng)還具有

35、安全可靠、無噪聲、低污染、無需消耗燃料和架設(shè)輸電線路即可就地發(fā)電供電及建設(shè)同期短的優(yōu)點。 工作原理光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理， 當(dāng)P-N結(jié)受光照時，樣品對光子的本征吸收和非本征吸收都將產(chǎn)生光生載流子。但能引起光伏效應(yīng)的只能是本征吸收所激發(fā)的少數(shù)載流子。因P區(qū)產(chǎn)生的光生空穴，N區(qū)產(chǎn)生的光生電子屬多子，都被勢壘阻擋而不能過結(jié)。只有P區(qū)的光生電子和N區(qū)的光生空穴和結(jié)區(qū)的電子空穴對（少子）擴散到結(jié)電場附近時能在內(nèi)建電場作用下漂移過結(jié)。光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，即電子空穴對被內(nèi)建電場分離。這導(dǎo)致在N區(qū)邊界附近有光生電子積累，在P區(qū)邊界附近有光生空穴積累。它們產(chǎn)生一個與熱平衡P-N結(jié)的內(nèi)

36、建電場方向相反的光生電場，其方向由P區(qū)指向N區(qū)。此電場使勢壘降低，其減小量即光生電勢差，P端正，N端負(fù)。于是有結(jié)電流由P區(qū)流向N區(qū)，其方向與光電流相反。如果這時分別在P型層和N型層焊上金屬導(dǎo)線，接通負(fù)載，則外電路便有電流通過，如此形成的一個個電池元件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，輸出功率。 太陽能電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。不論是獨立使用還是并 網(wǎng)發(fā)電,光伏發(fā)電系統(tǒng)主要 太陽電池的等效電路由太陽能電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，它們主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機械部件,所以,光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉,可靠穩(wěn)定壽命長、安裝維護簡便。理論上講,光伏發(fā)電技術(shù)可以用于任何

37、需要電源的場合,上至航天器,下至家用電源,大到兆瓦級電站,小到玩具,光伏電源無處不在。以晶體硅材料制備的太陽能電池主要包括：單晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜電池等。單晶硅電池具有電池轉(zhuǎn)換效率高，穩(wěn)定性好，但是成本較高；非晶硅太陽電池則具有生產(chǎn)效率高，成本低廉，但是轉(zhuǎn)換效率較低，而且效率衰減得比較厲害；鑄造多晶硅太陽能電池則具有穩(wěn)定得轉(zhuǎn)換的效率，而且性能價格比最高；薄膜晶體硅太陽能電池則現(xiàn)在還只能處在研發(fā)階段。目前，鑄造多晶硅太陽能電池已經(jīng)取代直拉單晶硅成為最主要的光伏材料。但是鑄造多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率略低于直拉單晶硅太陽能電池，材料中的各種缺陷，如晶界、位錯、微缺陷，和材料中的雜質(zhì)碳和氧，以

38、及工藝過程中玷污的過渡族金屬被認(rèn)為是電池轉(zhuǎn)換效率較低的關(guān)鍵原因，因此關(guān)于鑄造多晶硅中缺陷和雜質(zhì)規(guī)律的研究，以及工藝中采用合適的吸雜，鈍化工藝是進一步提高鑄造多晶硅電池的關(guān)鍵。目前量產(chǎn)的單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率在17%左右，多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率在16%左右。而薄膜電池量產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%左右。 目前，光伏發(fā)電產(chǎn)品主要用于三大方面：一是為無電場合提供電源，主要為廣大無電地區(qū)居民生活生產(chǎn)提供電力，還有微波中 繼電源、通訊電源等，另外，還包括一些移動電源和備用電源；二是太陽能日用電子產(chǎn)品，如各類太陽能充電器、太陽能路燈和太陽能草坪燈等；三是并網(wǎng)發(fā)電，這 在發(fā)達國家已經(jīng)大面積推廣實施。我國并網(wǎng)發(fā)電還未起步，不

39、過，2008年北京奧運會部分用電將會由太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電提供。8光電傳感器的應(yīng)用8.1應(yīng)用概述 用光電元件作敏感元件的光電傳感器，其種類繁多，用途廣泛。按光電傳感器的輸出量性質(zhì)可分為兩類：（1 ）把被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流而制成的光電測量儀器，可用來測量光的強度以及物體的溫度、透光能力、位移及表面狀態(tài)等物理量。例如：測量光強的照度計，光電高溫計，光電比色計和濁度計，預(yù)防火災(zāi)的光電報警器，構(gòu)成檢查被加工零件的直徑、長度、橢圓度及表面粗糙度等自動檢測裝置和儀器，其敏感元件均用光電元件。半導(dǎo)體光電元件不僅在民用工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，在軍事上更有它重要的地位。例如用硫化鉛光敏電阻可做成紅外夜

40、視儀、紅外線照相儀及紅外線導(dǎo)航系統(tǒng)等；（2 ）把被測量轉(zhuǎn)換成繼續(xù)變化的光電流。利用光電元件在受光照或無光照射時" 有" 或"無"電信號輸出的特性制成的各種光電自動裝置。光電元件用作開關(guān)式光電轉(zhuǎn)換元件。例如電子計算機的光電輸入器，開關(guān)式溫度調(diào)節(jié)裝置及轉(zhuǎn)速測量數(shù)字式光電測速儀等。8.2應(yīng)用舉例測量工件表面的缺陷用光電傳感器測量工件表面缺陷的工作原理如圖1 所示，激光管1 發(fā)出的光束經(jīng)過透鏡2 和3 變?yōu)槠叫泄馐儆赏哥R4 把平行光束聚焦在工件7的表面上，形成寬約0.1mm 的細(xì)長光帶。光欄5 用于控制光通量。如果工件表面有缺陷( 粗糙、裂紋等) ，則會引起

41、光束偏轉(zhuǎn)或散射，這些光被硅光電池6 接收，即可轉(zhuǎn)換成電信號輸出。測量轉(zhuǎn)速如圖2所示為用光電傳感器測量轉(zhuǎn)速的工作原理。在電動機的旋轉(zhuǎn)軸上涂上黑白兩種顏色，當(dāng)電動機轉(zhuǎn)動時，反射光與不反射光交替出現(xiàn)，光電元件1相應(yīng)地間斷接收光的反射信號，并輸出間斷的電信號，再經(jīng)放大器及整形電路2放大整形輸出方波信號，最后由電子數(shù)字顯示器輸出電機的轉(zhuǎn)速。煙塵濁度連續(xù)檢測儀如圖 所示為吸收式煙塵濁度檢測儀框圖。白熾平行光源通過煙筒由光檢測器接收，轉(zhuǎn)換成隨濁度變化的相應(yīng)電信號，運算放大器接收此信號，當(dāng)運算放大器輸出的濁度信號超出規(guī)定值時，多諧振蕩器工作，其信號經(jīng)放大推動喇叭發(fā)出報警信號。光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表光電數(shù)字轉(zhuǎn)速表如圖

42、4 所示，發(fā)光二極管發(fā)出的恒定光調(diào)制成隨時間變化的調(diào)制光。同樣經(jīng)光電9光電傳感技術(shù)的發(fā)展國內(nèi)外光電傳感器的研究現(xiàn)狀由于光電傳感器的應(yīng)用涉及的領(lǐng)域非常廣泛，其研究和開發(fā)在世界上引起了高度重視，各國更是競相研究開發(fā)并引起激烈的競爭。從最初的應(yīng)用于軍事逐漸發(fā)展到民事，而且與我們的生活息息相關(guān)，應(yīng)該說現(xiàn)代化的生活離不開光電傳感器的參與，如傳真機、復(fù)印機、掃描儀、打印機、車庫開門器、液晶顯示器、色度計、分光計、汽車和醫(yī)療診斷儀器等等不勝枚舉。美國是研究光電傳感器起步最早、水平最高的國家之一，在軍事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展得十分迅速。在軍事應(yīng)用方面，研究和開發(fā)主要包括：水下探測、航空監(jiān)測、核輻射檢測等。美國也是最