光电传感器的介绍

光电传感器的介绍随着经济与军事领域的高科技化程度的提高，社会对光电子产品和技术的要求也不断地增长，光电子产业渐渐成为当今发展最快、最有前途的产业之一。在此，在介绍光电传感器原理的基础上，我们主要讨论光电池的原理及其应用。1、 光电传感器的原理光电传感器（光电开关）是光电接近开关的简称，一般是由光源、光通路、光电元件三部分组成的。光电传感器是一种利用光电子应用技术，将光信号转换成电信号而进行非电量参数检测的传感器，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件则称为光敏器件。而光敏元件和光电传感器是光电元件中的核心元件，是光电系统的重要组成部分，主要包括光敏材料制作的探测器件、光电二极管和光电倍增管、利用内光电效应的光导管、以及应用光生电势效应的光敏二极管、光敏三极管、光电池等。光电传感器的的物理基础就是光电效应。且光电效应包括外光电效应和内光电效应。外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应，即为经典归纳的爱因斯坦光电效应方程。内光电效应是当光照射在物体上，使物体的电阻率1/R发生变化或产生光电动势的效应。内光电效应又可以分为以下两类：一是半导体材料受光照时，材料的电导率增大的光电导效应；二是不均匀半导体或均匀半导体中的光生电子和空穴，在空间分开形成PN结并产生电位差的光生伏特效应。2、 光电池的原理及应用光电传感器作为一种检测装置，由于它具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，体积小，已经获得了广泛的应用。我们下面介绍的光电池就是光电传感器的一个重要应用--光电池。2.1光电池的原理光电池是在光线照射下，直接将光量转变为电动势的光学元件。其工作原理即为光生伏特效应。因此，在有光线作用时，PN结就相当于一个电压源。2.1.1物理原理1）材料N型光电导体：多子是电子，少子是空穴。主要是光子激发施主能级中的电子跃迁

到导带中去，电子为主要载流子，增加了自由电子的浓度。P型光电导体：多子是空穴，少子是电子。主要是光子激发价带中的电子跃迁到受主能级，与受主能级中的空穴复合，而在价带中留有空穴，作为主要载流子参加导电，增加了空穴的浓度。2）光伏效应PN结存在一个由N指向P的内建电场。当热平衡时，多数载流子的扩散和少数载流子的漂移作用相抵消，没有电流通过PN结。当有光照射PN结时，样品对光子的本征和非本征吸收都将产生载流子。但是，由于P区和N区的多数载流子都被势垒阻挡而不能穿过PN结，因而只有本征吸收所激发的少数载流子才能引起光伏效应。当有光照射时，光线足以透过P型半导体入射到PN结。对于能量大于材料禁带宽度的光子，由于本征吸收，就可激发出电子、空穴以及电子--空穴对。P区的光生电子和N区的光生空穴以及结合的电子--空穴对扩散到结电场附近时，在内建电场的作用下漂移过PN结，电子--空穴对被阻挡层的内建电场分开，光生电子和孔穴被分别拉到N区和P区，从而在阻挡层两侧形成电荷的堆积，产生内建电场的光生电场，使得内建电场的势垒降低（降低量等于光生电势差）。光生电势差所产生的光生电流Ip方向和结电流的方向相反，与PN结反向饱和电流Io同向，且Ip>Io。2.1.2结构原理光电池实质是一个大面积PN结，结构如图1所示。上电极为栅状受光电极，栅状电极下涂有抗反射膜，用以增加透光、减小反射；下电极是一层衬底铝。当光照射PN结的一个面时，电子空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势，一般可产生0.2V〜0.6V电压，50mA电流。图2：光电池工作原理图图图2：光电池工作原理图2.2光电池的主要特性2.2.1光谱特性光电池对不同波长的光灵敏度不同，图3为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。可见，不同材料的光电池，光谱响应的最大灵敏度峰值所对应的入射波长不同。比较可知，硅光电池可以在很宽的波长范围内应用。2.2.2光照特性相时灵瞰度馅池可以在很宽的波长范围内应用。2.2.2光照特性相时灵瞰度馅图4：光电池的光照特性光电池在不同的光强度照射下可以产生不同的光电流和光生电动势。图4为光电池的光照特性曲线。短路电流在很大范围内与光照度成线性关系，而开路电压与光照度关系是非线性关系，在照度位200lx下趋于饱和。因此，光电池作为测量元件使用时，一般不作电压源使用，而作为电流源应用。短路电流是指外接负载RL相对内阻很小时的光电流。实验证明：负载电阻RL越小，光电流与光照强度之间的线性关系越好，线性范围越宽。总之，负载电阻越小越好。2.2.3频率特性频率特性指光电池相对输出电流与光的调制频率之间关系。从图5中得知，硅、硒光电池的频率特性不同，硅光电池有较好的频率响应。在一些测量系统中，光电池作为接受器件，测量调制光的输入信号，所以高速计数器的转换一般采用硅光电池作为传感器元件。2.3100硅光电池806040光甫池的应用与5电池的频率特池2.3100硅光电池806040光甫池的应用与5电池的频率特池弋战略来清洁、源源不断、安全等显著优为关注焦加但是从太阳能获弋战略来清洁、源源不断、安全等显著优为关注焦加但是从太阳能获153.□456.0 7.5得电力，需通过太阳能电池进行光电变换来实现。因而对于光电池来说有较大的发展空间。要使太阳能发电真正达到实用水平：一是要提高太阳能光电变换效率并降低成本；二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。目前，太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅、非晶态硅三种。单晶硅太阳能电池变换效率最高，已达20%以上，但价格也最贵；非晶态硅太阳电池变换效率最低，但价格最便宜，一旦它的大面积组件光电变换效率达到10%，每瓦发电设备价格降到1〜2美元时，便足以广泛使用。当然，特殊用途和实验室中用的太阳能电池效率要高得多。如美国波音公司开发的由砷化镓半导体同锑化镓半导体重叠而成的太阳能电池，光电变换效率可达36%，目前也只能限