1、目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc345201947 1緒 論 PAGEREF _Toc345201947 h 2 HYPERLINK l _Toc345201948 2光電傳感器的基本知識 PAGEREF _Toc345201948 h 3 HYPERLINK l _Toc345201949 2.1光電效應 PAGEREF _Toc345201949 h 3 HYPERLINK l _Toc345201950 2.2光電傳感器的構成 PAGEREF _Toc345201950 h 3 HYPERLINK l _Toc345201951 2.3光電傳感器的

2、工作原理 PAGEREF _Toc345201951 h 4 HYPERLINK l _Toc345201952 3光電管 PAGEREF _Toc345201952 h 5 HYPERLINK l _Toc345201953 3.1 真空光電管 PAGEREF _Toc345201953 h 5 HYPERLINK l _Toc345201954 3.2 充氣光電管 PAGEREF _Toc345201954 h 6 HYPERLINK l _Toc345201955 4 光電倍增管 PAGEREF _Toc345201955 h 6 HYPERLINK l _Toc345201956 5

3、光敏電阻 PAGEREF _Toc345201956 h 7 HYPERLINK l _Toc345201957 5.1 概 述 PAGEREF _Toc345201957 h 7 HYPERLINK l _Toc345201958 5.2 主要參數與特性 PAGEREF _Toc345201958 h 8 HYPERLINK l _Toc345201959 5.3 應用 PAGEREF _Toc345201959 h 10 HYPERLINK l _Toc345201960 6 光敏二極管和光敏晶體管 PAGEREF _Toc345201960 h 11 HYPERLINK l _Toc34

4、5201961 6.1 光敏二極管 PAGEREF _Toc345201961 h 11 HYPERLINK l _Toc345201962 6.2 光敏三極管 PAGEREF _Toc345201962 h 13 HYPERLINK l _Toc345201963 7 光電池 PAGEREF _Toc345201963 h 14 HYPERLINK l _Toc345201964 7.1 光電池的定義 PAGEREF _Toc345201964 h 14 HYPERLINK l _Toc345201965 7.2 光伏發電的原理 PAGEREF _Toc345201965 h 15 HYPE

5、RLINK l _Toc345201966 8光電傳感器的應用 PAGEREF _Toc345201966 h 17 HYPERLINK l _Toc345201967 8.1應用概述 PAGEREF _Toc345201967 h 17 HYPERLINK l _Toc345201968 8.2應用舉例 PAGEREF _Toc345201968 h 18 HYPERLINK l _Toc345201969 9光電傳感技術的發展 PAGEREF _Toc345201969 h 19 HYPERLINK l _Toc345201970 9.1傳感器的發展動向 PAGEREF _Toc34520

6、1970 h 19 HYPERLINK l _Toc345201971 致 謝 PAGEREF _Toc345201971 h 21 HYPERLINK l _Toc345201972 參考文獻 PAGEREF _Toc345201972 h 221緒 論 光電傳感器最根本的原理是光電效應,光電效應又分為外光電效應和內光電效應外光電效應:在光線作用下,物體內的HYPERLINK /dianzijixie/電子逸出物體表面向外發射的現象稱為外光電效應。在光線作用下,物體的導電性能發生變化或產生光生電動勢的效應稱為內光電效應。內光電效應又可分為以下兩類:(1)光電導效應。在光線作用下,對于半導體材

7、料吸收了入射光子能量,若光子能量大于或等于半導體材料的禁帶寬度,就激發出電子-空穴對,使載流子濃度增加,半導體的導電性增加,阻值減低,這種現象稱為光電導效應。光敏電阻就是基于這種效應的光電器件。(2)光生伏特效應。在光線的作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢的現象稱為光生伏特效應。基于該效應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。利用這些傳感器各自的特點加上巧妙的設計,光電傳感器幾乎被應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,便能實現其他檢測手段(磁性、超聲波等)無法離檢測。(2)對檢測物體的

8、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)響應時間短。光本身為高速,并且傳感器的電路都由電子零件構成,所以不包含機械性工作時間,響應時間非常短。 (4)分辨率高。能通過高級設計技術使投光光束集中在小光點,或通過構成特殊的受光光學系統,來實現高分辨率。也可進行微小物體的檢測和高精度的位置檢測。(5)可實現非接觸的檢測。可以無須機械性地接觸檢測物體實現檢測,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)可實現顏色判別。通過檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據被投光的光

9、線波長和檢測物體的顏色組合而有所差異。利用這種性質,可對檢測物體的顏色進行檢測。(7)便于調整。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整。2光電傳感器的基本知識2.1光電效應 光照射到某些物質上，引起物質的電性質發生變化。這類光致電變的現象被人們統稱為光電效應。金屬表面在光輻照作用下發射電子的效應，發射出來的電子叫做光電子。光HYPERLINK /view/45341.htm波長小于某一臨界值時方能發射電子，即極限波長，對應的光的頻率叫做極限頻率。臨界值取決于金屬材料，而發射電子的能量取決于光的波長而與光強度無關，這一點無法用光的波動性解釋。還有一點與光的波動性

10、相矛盾，即光電效應的瞬時性，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HYPERLINK /view/6314.htm金屬表面。可事實是，只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無論強弱，光子的產生都幾乎是瞬時的，不超過十的負九次方秒。正確的解釋是光必定是由與波長有關的嚴格規定的能量單位(即HYPERLINK /view/9448.htm光子或光量子)所組成。這種解釋為HYPERLINK /view/2218.htm愛因斯坦所提出。光電效應由HYPERLINK /view/3762.htm德國物理學家赫茲于1887年發現，對發展量子理論起了根本性作

11、用，在光的照射下，使物體中的電子脫出的現象叫做光電效應(Photoelectric effect)。 光電效應分為光電子發射、光電導效應和光生伏打效應。前一種現象發生在物體表面，又稱外光電效應。后兩種現象發生在物體內部，稱為內光電效應。 光電效應里，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 ，光是電磁波，但是光是高頻震蕩的正交HYPERLINK /view/22141.htm電磁場，HYPERLINK /view/29246.htm振幅很小，不會對電子射出方向產生影響.2.2光電傳感器的構成 光電開關是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現控制的。光電傳

12、感器在一般情況下，有三部分構成，它們分為：發送器，接收器和檢測電路。發送器對準目標發射光束，發射的光束一般來源于半導體光源，發光二極管（LED）和激光二極管。光束不間斷地發射，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用該信號。此外，光電傳感器的結構元件中還有發射板和光導纖維。三角反射板是結構牢固的反射裝置。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的范圍改變發射角，使光束幾乎是從一根發射線，經過反射后，還是從這根反射線返回。光纖（又稱光導纖

13、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裝置。它可以在特殊的環境中使用，檢測微小的物體。它在非常高的外界溫度中，在結構受限制的環境里，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結的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態下，并與負載電阻相串聯，當無光照時，它與普通二極管一樣，反向電流很小（A），稱為光敏二極管的暗電流；當有光照時，載流子被激發，產生電子-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

14、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，于是在負載電阻上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，基區面積做得很大，發射區較小，入射光主要被基區吸收。工作時集電結反偏，發射結正偏。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；當有光照時，激發大量的電子-空穴對，使得基極產生的電流

15、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）基于外光電效應的基本光電轉換器件。光電管可使光信號轉換成電信號。光電管分為真空光電管和HYPERLINK /view/4412402.htm充氣光電管兩種。光電管的典型結構是將球形玻璃殼抽成真空，在內半球面上涂一層HYPERLINK /view/4493893.htm光電材料作為陰極，球心放置小球形或小環形金屬作為陽極。若球內充低壓惰性氣體就成為充氣光電管。HYPERLINK /view/17135.htm光電子在

16、飛向陽極的過程中與HYPERLINK /view/2469234.htm氣體分子碰撞而使氣體電離，可增加光電管的HYPERLINK /view/495141.htm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）由封裝于真空管內的光電陰極和陽極構成。當入射光線穿過光窗照到光陰HYPERLINK /albums/495717/495717/0/0.html#0$020e66f004ad40f97831aa7c極上時，由于外光電效應（見HYPERLINK /view/485202.htm光

17、電式傳感器），光電子就從極層內發射至真空。在電場的作用下，光電子在極間作HYPERLINK /view/2404328.htm加速運動，最后被高電位的陽極接收，在陽極電路內就可測出光電流，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：這種結構有利于增加

18、極間絕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：它的特點是結構緊湊、體積小、工作穩定。3.2 充氣光電管充氣光電管（又稱離子光電管）由封裝于充氣管內的光陰極和陽極構成。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生電離現象。由電離產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。因此在陽極電路內形成數倍于真空光電管的HYPERLINK /view/2397653.htm光電流。充氣光電管的電極結構也不同于真空光電管。 常用的電極結構有中心陰極型、半圓

19、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衰退很快，其原因是正離子轟擊陰極而使發射層的結構破壞。充氣光電管按管內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充HYPERLINK /view/10094.htm氬氣，優點是氬原子量小，HYPERLINK /view/156.htm電離電位低，管子的工作電壓不高。有些管內充純氦或純氖，使工作電壓提高。混合氣體型：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態的氖原子碰撞后即能恢復常態，因此減少惰性。 4 光電倍增管 將微弱光信號轉換成電信號的HYPERLINK /view/

20、136041.htm真空電子器件。光電倍增管用在光學測量儀器和光譜分析儀器中。它能在低能級光度學和光譜學方面測量HYPERLINK /view/45341.htm波長2001200納米的極微弱HYPERLINK /view/1214336.htm輻射功率。閃爍計數器的出現，擴大了光電倍增管的應用范圍。激光檢測儀器的發展與采用光電倍增管作為有效接收器密切有關。電視電影的發射和圖象傳送也離不開光電倍增管。光電倍增管廣泛地應用在冶金、電子、機械、化工、地質、醫療、核工業、天文和宇宙空間研究等領域。 光電倍增建立在外光電效應、二次電子發射和電子光學理論基礎上，結合 了高增益、低噪聲、高頻率響應和大信號

21、接收區等特征，是一種具有極高靈敏度和超快時間響應的光敏電真空器件，可以工作在紫外、可見和近紅外區的光譜區。日盲紫外光電倍增管對日盲紫外區以外的可見光、近紫外等光譜輻射不靈敏，具有噪聲低（暗電流小于1nA）、響應快、接收面積大等特點。 由于光電倍增管增益高和響應時間短，又由于它的輸出電流和入射光子數成正比，所以它被廣泛使用在HYPERLINK /view/495822.htm天體光度測量和HYPERLINK /view/495730.htm天體分光光度測量中。其優點是：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，應用較多的是銻銫光陰極的倍增管,如RCA1P21。

22、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。它的信噪比的數值較RCA1P21大一個數量級，暗流很低。為了觀測近紅外區，常用多鹼光陰極和HYPERLINK /view/34646.htm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，即通道數為1。近來研制成多陽極光電倍增管,它相當于許多很細的倍增管組成的HYPERLINK /view/10337.htm矩陣。由于通道數受陽極末端細金屬絲的限制，目前只做到上百個通道。運行特性穩定性 光電倍增管的穩定性是由器件本身特性、工作狀態和環境條件等 多

23、種因素決 定的。管子在工作過程中輸出不穩定的情況很多，主要有： a.管內電極焊接不良、結構松動、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現象，信號忽大忽小。 b.陽極輸出電流太大產生的連續性和疲勞性的不穩定現象。 c.環境條件對穩定性的影響。環境溫度升高，管子靈敏度下降。 d.潮濕環境造成引腳之間漏電，引起暗電流增大和不穩。 e.環境電磁場干擾引起工作不穩。 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，管子產生放電甚至擊穿5 光敏電阻5.1 概 述 光敏電阻又稱HYPERLINK /view/4086858.htm光導管，常用的制作材料為HYPERLIN

24、K /view/797739.htm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HYPERLINK /view/45341.htm波長的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產生的載流子都參與導電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向HYPERLINK /view/13542.htm電源的正極，空穴奔向電源的負極，從而使HYPERLINK /view/546877.htm光敏電阻器的阻值迅速下降。光敏電阻器是利用HYPERLINK /view/19928.htm半導體的HYPERLINK /view/715172.htm光電導效應制成的一種電阻值隨入射光的強

25、弱而改變的電阻器，又稱為光電導探測器；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HYPERLINK /view/14336.htm光電效應。在HYPERLINK /view/19928.htm半導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化物、硒化物和碲化物等半導體。通常采用涂敷、噴涂、燒結等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體 HYPERLINK /albums/55997/55997/0/0.html#0$4bac3073725db0268601b061光敏電阻原理

26、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，以免受潮影響其HYPERLINK /view/495141.htm靈敏度。在黑暗環境里，它的電阻值很高，當受到光照時，只要HYPERLINK /view/9448.htm光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，則價帶中的HYPERLINK /view/3476.htm電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導帶，并在價帶中產生一個帶HYPERLINK /view/532075.htm正電荷的空穴，這種由光照產生的電子空穴對了半導體材料中載流子的數目，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，由光子激發產生的電子空穴對

27、將復合，光敏電阻的阻值也就恢復原值。在光敏電阻兩端的HYPERLINK /view/1528693.htm金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到波長的光線照射時，電流就會隨光強的而變大，從而實現光電轉換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加HYPERLINK /view/2070482.htm直流電壓，也加HYPERLINK /view/3822215.htm交流電壓。半導體的導電能力取決于半導體導帶內載流子數目的多少。5.2 主要參數與特性根據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

28、電阻器：主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛。銻化銦等光敏電阻器，廣泛用于導彈制導、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、科學研究和工農業生產中。 可見光光敏電阻器：包括HYPERLINK /view/38906.htm硒、HYPERLINK /view/797739.htm硫化鎘、HYPERLINK /view/488636.htm硒化鎘、HYPERLINK /view/3099350.htm碲化鎘、HYPERLINK /view/34646.htm砷化鎵、HYPERLINK /view/4748.htm硅、HYPERLINK /view/34272.htm鍺、HYPERLI

29、NK /view/39160.htm硫化鋅光敏電阻器等。主要用于各種光電控制系統，如光電自動開關門戶，航標燈、路燈和其他HYPERLINK /view/3842448.htm照明系統的自動亮滅，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HYPERLINK /view/3842539.htm自動曝光裝置，光電計數器，煙霧報警器，光電跟蹤系統等方面。 光敏電阻的主要參數是： HYPERLINK /albums/55997/55997/0/0.html#0$faacb564dec87bcaf6365466光敏電阻的實驗圖HYPERLINK /view/

30、2397653.htm光電流、亮電阻。光敏電阻器在一定的外加電壓下，當有光照射時，流過的HYPERLINK /view/10897.htm電流稱為光電流，外加電壓與光電流之比稱為亮HYPERLINK /view/3571.htm電阻，常用“100LX”表示。 （2）HYPERLINK /view/412806.htm暗電流、暗電阻。光敏電阻在一定的外加HYPERLINK /view/10954.htm電壓下，當沒有光照射的時候，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照射時的電阻值（暗電阻）與受光照射時的電阻值（亮電阻）

31、的相對變化值。 光譜響應。HYPERLINK /view/41199.htm光譜響應又稱光譜靈敏度，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的HYPERLINK /view/400.htm曲線。 光照特性。光照特性指光敏電阻輸出的HYPERLINK /view/1520474.htm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。在大多數情況下，該特性為非線性。 HYPERLINK /view/1823356.htm伏

32、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系，對于光敏HYPERLINK /view/481400.htm器件來說，其光電流隨外加電壓的增大而增大。 溫度系數。光敏電阻的光電效應受HYPERLINK /view/8193.htm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HYPERLINK /view/44147.htm功率，當溫度升高時，其消耗的功率就降低。5.3 應用 光敏電阻屬半導體光敏器件，除具靈敏度高，反應速度快，光譜特性及r值一致性好等特點外，在高溫，多濕的惡劣HYP

33、ERLINK /view/13655.htm環境下，還能保持高度的穩定性和可靠性，可廣泛應用于HYPERLINK /view/18863.htm照相機，HYPERLINK /view/1776438.htm太陽能庭院燈，HYPERLINK /view/1604938.htm草坪燈，HYPERLINK /view/573443.htm驗鈔機，石英鐘，音樂杯，禮品盒，迷你小夜燈，光聲控開關，路燈自動開關以及各種光控HYPERLINK /view/24175.htm玩具，光控燈飾，燈具等光自動HYPERLINK /view/126104.htm開關控制領域。下面給出幾個典型應用電路。光敏電阻調光電路

34、圖(1)是一種典型的光控調光電路，其工作原理是：當周圍光線變弱時引起光敏電阻的阻值增加，使加在HYPERLINK /view/3686.htm電容C上的分壓上升，進而使可控硅的導通角增大，達到增大照明燈兩端電壓的目的。反之，若周圍的光線 HYPERLINK /albums/55997/55997/0/0.html#0$f7426d8d46fc3a28b21bba63圖(1)變亮，則RG的阻值下降，導致HYPERLINK /view/685100.htm可控硅的導通角變小，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HYPERLINK /v

35、iew/2024461.htm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斷的基本條件，又可使電容C的充電在每個半周HYPERLINK /view/84027.htm從零開始，準確完成對可控硅的同步移相觸發。光敏電阻式光控開關 HYPERLINK /albums/55997/55997/0/0.html#0$a8ad941370a961eaf6039e6d圖(2)以光敏電阻為核心HYPERLINK /view/1141392.htm元件的帶HYPERLINK /view/39560.htm繼電器控制輸出的光控開關電路有許多形式

36、，如自鎖亮激發、暗激發及精密亮激發、暗激發等等，下面給出幾種典型電路。 圖(2)是一種簡單的暗激發繼電器開關電路。其工作原理是：當照度下降到設置值時由于光敏電阻阻值上升激發VT1導通，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結組成的半導體器件，也具有單方向導電特性。但在電路中它不是作整流HYPERLINK /view/1141392.htm元件，而是把光信號轉換成電信號的光電傳感器件。 普通二極管在HYPERLINK /view/297917

37、3.htm反向電壓作用時處于截止狀態，只能流過微弱的反向HYPERLINK /view/10897.htm電流，光電二極管在設計和制作時盡量使PN結的面積相對較大，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HYPERLINK /view/412806.htm暗電流；有光照時，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為HYPERLINK /view/2397653.htm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換成電信號，成為HYPERLINK /view/479137.htm光電傳感器件。光電二極管是將光信號變成電

38、信號的半導體器件。它的核心部分也是一個PN結，和普通二極管相比，在結構上不同的是，為了便于接受入射光照，PN結面積盡量做的大一些，HYPERLINK /view/609350.htm電極面積盡量小些，而且PN結的結深很淺，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，反向電流很小（一般小于0.1微安），稱為暗電流。當有光照時，攜帶能量的HYPERLINK /view/9448.htm光子進入PN結后，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

39、種特性稱為“光電導”。光電二極管在一般照度的光線照射下，所產生的電流叫光電流。如果在外電路上接上負載，負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，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，實現光電轉換，在電路圖中文字符號一般為VD。光電三極管除具有光電轉換的功能外，還具有放大功能，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結型光電二極管與其

40、他類型的光探測器一樣，在諸如光敏HYPERLINK /view/3571.htm電阻、感光耦合元件（Charge-coupled Device, CCD）以及光電倍增管等設備中有著廣泛應用。它們能夠根據所受光的照度來輸出相應的模擬電信號（例如測量儀器）或者在數字電路的不同狀態間切換（例如控制開關、數字信號處理）。 光電二極管在消費電子產品，例如CD播放器、煙霧探測器以及控制電視機、空調的紅外線遙控設備中也有應用。對于許多應用產品來說，可以使用光電二極管或者其他光導材料。它們都可以被用于測量光，常常工作在照相機的測光器、路燈亮度自動調節等。 所有類型的光HYPERLINK /view/16431

41、.htm傳感器都可以用來檢測突發的光照，或者探測同一電路系統內部的發光。光電二極管常常和發光器件（通常是發光二極管）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字電路之間充當中介，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。 在科學研究和工業中，光電二極管常常被用來精確測量光強，因為它比其他光導材料具有更良好的線性。在醫療應用設備中，光電二極管也有著廣泛的應用，例如HYPERLINK /view/45735.htmX射線計算機斷層成像（com

42、puted tomography, CT）以及脈搏探測器。 PIN結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揮作用，例如天文學、光譜學、夜視設備、HYPERLINK /view/157544.htm激光測距儀等應用產品。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、發射極引出線和基極引出線（有的沒有）。 制作材料一般為半導體硅，管型為NPN型， 國產器件稱為3DU系列。 光電晶體管的靈敏度比光電二極管高，

43、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系。 所以光電晶體管多用來作光電開關元件或光電邏輯元件。 正常運用時，集電極加正電壓。因此，集電結為反偏置，發射結為正偏置，集電結為光電結。 當光照到集電結上時，集電結即產生光電流Ip向基區注入，同時在集電極電路即產生了一個被放大的電流Ic（=Ie=（1+）Ip）為電流放大倍數。 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HYPERLINK /view/615249.htm光電二極管的基礎上發展起來的光電器件，它本身具有

44、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。硅光電三極管是用N型硅單晶做成NPN結構的。管芯基區面積做得較大，發射區面積卻做得較小，入射光線主要被基區吸收。與光電二極管一樣，入射光在基區中激發出電子與空穴。在基區漂移場的作用下，電子被拉向集電區，而空穴被積聚在靠近發射區的一邊。由于空穴的積累而引起發射區勢壘的降低，其結果相當于在發射區兩端加上一個正向電壓，從而引起了倍率為+1(相當于三極管共發射極電路中的電流增益)的電子注入，這就是硅光電三極管的工作原理。 三極管的應用電路7

45、 光電池7.1 光電池的定義 1.是一種在光的照射下產生HYPERLINK /view/56014.htm電動勢的半導體HYPERLINK /view/1141392.htm元件。光電池的種類很多，常用有硒光 HYPERLINK /albums/159451/159451/0/0.html#0$d35a10f4650def7ddcc47448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變為HYPERLINK /view/48797.htm電能，這種光電池又叫HYPERLINK /view/174609.htm太陽能電池。太陽能電池作為

46、能源廣泛應用在人造地衛星、HYPERLINK /view/19339.htm燈塔、無人氣象站等處 2.光電池是一種特殊的半導體二極管，能將HYPERLINK /view/68621.htm可見光轉化為HYPERLINK /view/56381.htm直流電。有的光電池還可以將紅外光和紫外光轉化為直流電。光電池是太陽能電力系統內部的一個組成部分，太陽能電力系統在替代現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，也已經被開發用來作為光電池的材料。有二種基本類型的HYPERLINK /

47、view/50720.htm半導體材料，分別叫做正電型（或P型態）和負電型（或N型態）。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。通過這種結構方式，P-N節暴露于可見光，紅外光或紫外線下，當HYPERLINK /view/290246.htm射線照射到P-N節的時候，在P-N節的兩側產生HYPERLINK /view/10954.htm電壓，這樣連接到P型材料和N型材料上的HYPERLINK /view/609350.htm電極之間就會有HYPERLINK /view/10897.htm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

48、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點之一是沒有污染，只需要裝置和陽光就可工作。另外的一個優點是太陽能是無限的。一旦光電伏特計系統被安裝，它能提供在數年內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化換成電能。7.2 光伏發電的原理 HYPERLINK /view/11001.htm光伏發電是利用HYPERLINK /view/19928.htm半導體pn結（pn junction）的HYPERLINK /view/715174.htm光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種

49、技術。這種技術的關鍵元件是太陽能電池(solar cell)。太陽能電池經過串聯后進行封裝保護可形成大面積的HYPERLINK /view/346275.htm太陽電池組件（module），再配合上HYPERLINK /view/44147.htm功率控制器等部件就形成了光伏發電裝置。光伏發電的優點是較少受地域限制，因為陽光普照大地;HYPERLINK /view/4023695.htm光伏系統還具有安全可靠、無噪聲、低污染、無需消耗燃料和架設HYPERLINK /view/87408.htm輸電線路即可就地發電供電及建設同期短的優點。 HYPERLINK /albums/159451/159

50、451/0/0.html#0$d68b65cb69653921be09e6c7工作原理光伏發電是根據光生伏特效應原理， 當P-N結受光照時，樣品對光子的本征吸收和非本征吸收都將產生HYPERLINK /view/1593081.htm光生載流子。但能引起光伏效應的只能是本征吸收所激發的少數載流子。因P區產生的光生空穴，N區產生的光生電子屬多子，都被勢壘阻擋而不能過結。只有P區的光生電子和N區的光生空穴和結區的電子空穴對（少子）擴散到結電場附近時能在內建電場作用下漂移過結。光生電子被拉向N區，光生空穴被拉向P區，即電子空穴對被內建電場分離。這導致在N區邊界附近有光生電子積累，在P區邊界附近有光生

51、空穴積累。它們產生一個與熱平衡P-N結的內建電場方向相反的光生電場，其方向由P區指向N區。此電場使勢壘降低，其減小量即光生電勢差，P端正，N端負。于是有結電流由P區流向N區，其方向與HYPERLINK /view/2397653.htm光電流相反。如果這時分別在P型層和N型層焊上金屬導線，接通HYPERLINK /view/750938.htm負載，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、并聯起來，就能產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化為電能。不論是獨立使用還是并 網發電,光伏發電系統主要 HYPERLINK /albums/159451/159

52、451/0/0.html#0$bd7faf35fc8a49b5a61e1294太陽電池的等效電路由太陽能電池板（組件）、控制器和HYPERLINK /view/174111.htm逆變器三大部分組成，它們主要由電子元器件構成，不涉及機械部件,所以,光伏發電設備極為精煉,可靠穩定壽命長、安裝維護簡便。理論上講,HYPERLINK /view/377255.htm光伏發電技術可以用于任何需要電源的場合,上至航天器,下至家用電源,大到兆瓦級電站,小到HYPERLINK /view/24175.htm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、HYPERLINK /view/

53、381366.htm多晶硅、非晶硅和薄膜電池等。單晶硅電池具有電池轉換效率高，穩定性好，但是成本較高；HYPERLINK /view/3778161.htm非晶硅太陽電池則具有生產效率高，成本低廉，但是轉換效率較低，而且效率衰減得比較厲害；鑄造HYPERLINK /view/2069680.htm多晶硅太陽能電池則具有穩定得轉換的效率，而且性能價格比最高；薄膜HYPERLINK /view/441165.htm晶體硅太陽能電池則現在還只能處在研發階段。目前，鑄造多晶硅太陽能電池已經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換效率略低于直拉HYPERLINK /view/5

54、96921.htm單晶硅太陽能電池，材料中的各種缺陷，如晶界、位錯、微缺陷，和材料中的雜質碳和氧，以及工藝過程中玷污的過渡族金屬被認為是電池轉換效率較低的關鍵原因，因此關于鑄造多晶硅中缺陷和雜質規律的研究，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鍵。目前量產的單晶硅電池轉換效率在17%左右，多晶硅電池轉換效率在16%左右。而薄膜電池量產的轉換效率為10%左右。 目前，光伏發電產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居民生活生產提供電力，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品，如各類太陽能充電器、

55、HYPERLINK /view/1008941.htm太陽能路燈和太陽能草坪燈等；三是并網發電，這 在發達國家已經大面積推廣實施。我國并網發電還未起步，不過，HYPERLINK /view/16667.htm2008年北京奧運會部分用電將會由太陽能發電和風力發電提供。8光電傳感器的應用8.1應用概述 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可分為兩類：（1 ）把被測量轉換成連續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，預防火災的光電報警器，

56、構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。半導體光電元件不僅在民用工業領域中得到廣泛的應用，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視儀、紅外線照相儀及紅外線導航系統等；（2 ）把被測量轉換成繼續變化的光電流。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。光電元件用作開關式光電轉換元件。例如電子計算機的光電輸入器，開關式溫度調節裝置及轉速測量數字式光電測速儀等。8.2應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 發出的光束經過透鏡2 和3 變為平

57、行光束，再由透鏡4 把平行光束聚焦在工件7的表面上，形成寬約0.1mm 的細長光帶。光欄5 用于控制光通量。如果工件表面有缺陷( 粗糙、裂紋等) ，則會引起光束偏轉或散射，這些光被硅光電池6 接收，即可轉換成電信號輸出。測量轉速如圖2所示為用光電傳感器測量轉速的工作原理。在電動機的旋轉軸上涂上黑白兩種顏色，當電動機轉動時，反射光與不反射光交替出現，光電元件1相應地間斷接收光的反射信號，并輸出間斷的電信號，再經放大器及整形電路2放大整形輸出方波信號，最后由電子數字顯示器輸出電機的轉速。煙塵濁度連續檢測儀如圖 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，轉換成隨濁度變化的相

58、應電信號，運算放大器接收此信號，當運算放大器輸出的濁度信號超出規定值時，多諧振蕩器工作，其信號經放大推動喇叭發出報警信號。光電式數字轉速表光電數字轉速表如圖4 所示，發光二極管發出的恒定光調制成隨時間變化的調制光。同樣經光電9光電傳感技術的發展國內外光電傳感器的研究現狀由于光電傳感器的應用涉及的領域非常廣泛，其研究和開發在世界上引起了高度重視，各國更是競相研究開發并引起激烈的競爭。從最初的應用于軍事逐漸發展到民事，而且與我們的生活息息相關，應該說現代化的生活離不開光電傳感器的參與，如傳真機、復印機、掃描儀、打印機、車庫開門器、液晶顯示器、色度計、分光計、汽車和醫療診斷儀器等等不勝枚舉。美國是研

59、究光電傳感器起步最早、水平最高的國家之一，在軍事和民用領域的應用發展得十分迅速。在軍事應用方面，研究和開發主要包括：水下探測、航空監測、核輻射檢測等。美國也是最早將光電傳感器用于民用領域的國家。如運用光電傳感器監測電力系統的電流、溫度等重要參數，檢測肉類和食品的細菌和病毒等。美國的邦納公司擁有世界最健全的光電傳感器產品線，超過12 000 種產品包括自含式或放大器分離型，限位開關外型或小型傳感器，精密檢測或長距離檢測傳感器，檢測距離長達305 m 。并且擁有行業內最齊全的標準光纖和定制光纖產品。大部分產品防護等級達到NEMA 6P 和IP67。日本和西歐各國也高度重視并投入大量經費開展光電傳感

60、器的研究與開發。20 世紀90 年代，由東芝、日本電氣等15 家公司和研究機構，研究開發出多種具有一流水平的民用光電傳感器，日本的電器產品以價格適中質量好而響譽全球。西歐各國的大型企業和公司也積極參與了光電傳感器的研發和市場競爭。我國對光電傳感器研究的起步時間與國際相差不遠。目前，已有上百個單位在這一領域開展工作，主要是在光電溫度傳感器、壓力計、流量計、液位計、電流計等領域進行了大量的研究，取得了上百項科研成果，有的達到世界先進水平。但與發達國家相比，我國的研究水平還有不小的差距，主要表現在商品化和產業化方面，大多數品種仍處于實驗研制階段，還無法投入批量生產和工程化應用。9.1傳感器的發展動向