1、1目 录1 绪 论 22 光电传感器的基本知识 32.1 光电效应 .32.2 光电传感器的构成 .32.3 光电传感器的工作原理 43 光电管 53.1 真空光电管 53.2 充气光电管 64 光电倍增管 65 光敏电阻 .75.1 概 述 .75.2 主要参数与特性 85.3 应用 .106 光敏二极管和光敏晶体管 .116.1 光敏二极管 116.2 光敏三极管 137 光电池 .147.1 光电池的定义 .147.2 光伏发电的原理 158 光电传感器的应用 178.1 应用概述 .178.2 应用举例 .189 光电传感技术的发展 .199.1 传感器的发展动向 .19致 谢 21参
2、考文献 .2221 绪 论光电传感器最根本的原理是光电效应,光电效应又分为外光电效应和内光电效应外光电效应:在光线作用下,物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。在光线作用下,物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为以下两类:(1)光电导效应。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。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。(2)光生伏特效应。在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效
3、应。基于该效应的光电器件有光电池。常用的光电传感器有光敏电阻、光电池、光敏二极管、光敏三极管等。利用这些传感器各自的特点加上巧妙的设计,光电传感器几乎被应用于生活的各个方面。光电传感器特点有:(1)检测距离长。如果在对射型中保留 10m 以上的检测距离等,便能实现其他检测手段(磁性、超声波等)无法离检测。(2)对检测物体的限制很少 。由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理,所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属,它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。(3)响应时间短。光本身为高速,并且传感器的电路都由电子零件构成,所以不包含机械性工作时间,响应时间非常短。 (4)分辨率高。能
4、通过高级设计技术使投光光束集中在小光点,或通过构成特殊的受光光学系统,来实现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。(5)可实现非接触的检测。可以无须机械性地接触检测物体实现检测,因此不会对检测物体和传感器造成损伤。因此,传感器能长期使用。(6)可实现颜色判别。通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。利用这种性质,可对检测物体的颜色进行检测。(7)便于调整。在投射可视光的类型中,投光光束是眼睛可见的,便于对检测物体的位置进行调整。32 光电传感器的基本知识2.1 光电效应光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化。这类光致电变的现象
5、被人们统称为光电效应。金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子。光波 长 小于某一临界值时方能发射电子，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累住足够的能量，飞出金 属 表面。可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光 子 或光量子)所组成
6、。这种解释为爱 因 斯 坦 所提出。光电效应由德 国 物理学家赫兹于 1887 年发现，对发展量子理论起了根本性作用，在光的照射下，使物体中的电子脱出的现象叫做光电效应(Photoelectric effect)。 光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏打效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。 光电效应里，电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关 ，光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电 磁 场 ，振 幅 很小，不会对电子射出方向产生影响.2.2 光电传感器的构成光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的
7、变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器，接收器和4检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）和激光二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电传感器的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的反射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反
8、射线返回。光纤（又称光导纤维 LWL） ，它扩大了光电传感器的使用范围，形成了特殊的嵌装式收发装置。它可以在特殊的环境中使用，检测微小的物体。它在非常高的外界温度中，在结构受限制的环境里，都可以获得满意的答案。2.3 光电传感器的工作原理光敏二极管是最常见的光传感器。光电传感器光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN 结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（A） ，称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。
9、在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。光电传感器光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流 Iceo=（1+）Icbo（很小） ，比一般三极管的穿透电流还小；当有5光照时，激
10、发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流 Ib 增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流 Ic=（1+）Ib，可见光电传感器光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。3 光电管3.1 真空光电管光电管（phototube）基于外光电效应的基本光电转换器件。光电管可使光信号转换成电信号。光电管分为真空光电管和充气光电管两种。光电管的典型结构是将球形玻璃壳抽成真空，在内半球面上涂一层光电材料作为阴极，球心放置小球形或小环形金属作为阳极。若球内充低压惰性气体就成为充气光电管。光电子在飞向阳极的过程中与气体分子碰撞而使气体电离，可增加光电管的灵敏度。用作光电阴极的金属有碱金属、汞、金、银等，可适
11、合不同波段的需要。光电管灵敏度低、体积大、易破损，已被固体光电器件所代替。 真空光电管（又称电子光电管）由封装于真空管内的光电阴极和阳极构成。当入射光线穿过光窗照到光阴极上时，由于外光电效应（见光 电 式 传 感 器 ） ，光电子就从极层内发射至真空。在电场的作用下，光电子在极间作加 速 运 动 ，最后被高电位的阳极接收，在阳极电路内就可测出光电流，其大小取决于光照强度和光阴极的灵敏度等因素。按照光阴极和阳极的形状和设置的不同，光电管一般可分为 5 种类型。中心阴极型：这种类型由于阴极面积很小，受照光通量不大，仅适用于低照度探测和光子初速度分布的测量。中心阳极型：这种类型由于阴极面积大，对入射
12、聚焦光斑的大小限制不大；又由于光电子从光阴极飞向阳极的路程相同，电子渡越时间的一致性好;其缺点是光电子接收特性差，需要较高的阳极电压。半圆柱面阴极型：这种结构有利于增加极间绝缘性能和减少漏电流。平行平板极型：这种类型的特点是光电子从阴极飞向阳极基本上保持平行直线的轨迹，电极对于光线入射的一致性好。带圆筒平板6阴极型：它的特点是结构紧凑、体积小、工作稳定。3.2 充气光电管充气光电管（又称离子光电管）由封装于充气管内的光阴极和阳极构成。它不同于真空光电管的是，光电子在电场作用下向阳极运动时与管中气体原子碰撞而发生电离现象。由电离产生的电子和光电子一起都被阳极接收，正离子却反向运动被阴极接收。因此
13、在阳极电路内形成数倍于真空光电管的光 电 流 。充气光电管的电极结构也不同于真空光电管。 常用的电极结构有中心阴极型、半圆柱阴极型和平板阴极型。充气光电管最大缺点是在工作过程中灵敏度衰退很快，其原因是正离子轰击阴极而使发射层的结构破坏。充气光电管按管内充气不同可分为单纯气体型和混合气体型。单纯气体型：这种类型的光电管多数充 氩 气 ，优点是氩原子量小，电 离 电位低，管子的工作电压不高。有些管内充纯氦或纯氖，使工作电压提高。混合气体型：这种类型的管子常选氩氖混合气体，其中氩占10左右。由于氩原子的存在使处于亚稳态的氖原子碰撞后即能恢复常态，因此减少惰性。 4 光电倍增管将微弱光信号转换成电信号
14、的真空电子器件。光电倍增管用在光学测量仪器和光谱分析仪器中。它能在低能级光度学和光谱学方面测量波长2001200纳米的极微弱辐射功率。闪烁计数器的出现，扩大了光电倍增管的应用范围。激光检测仪器的发展与采用光电倍增管作为有效接收器密切有关。电视电影的发射和图象传送也离不开光电倍增管。光电倍增管广泛地应用在冶金、电子、机械、化工、地质、医疗、核工业、天文和宇宙空间研究等领域。光电倍增建立在外光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上，结合 了高增益、低噪声、高频率响应和大信号接收区等特征，是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光敏电真空器件，可以工作在紫外、可见和近红外区的光7谱区。日盲紫外光电倍增
15、管对日盲紫外区以外的可见光、近紫外等光谱辐射不灵敏，具有噪声低（暗电流小于 1nA） 、响应快、接收面积大等特点。 由于光电倍增管增益高和响应时间短，又由于它的输出电流和入射光子数成正比，所以它被广泛使用在天 体 光 度 测 量 和天 体 分 光 光 度 测 量 中。其优点是：测量精度高，可以测量比较暗弱的天体，还可以测量天体光度的快速变化。天文测光中，应用较多的是锑铯光阴极的倍增管,如 RCA1P21。这种光电倍增管的极大量子效率在4200埃附近，为20%左右。还有一种双硷光阴极的光电倍增管,如GDB-53。它的信噪比的数值较 RCA1P21大一个数量级，暗流很低。为了观测近红外区，常用多硷
16、光阴极和砷 化 镓 阴极的光电倍增管，后者量子效率最大可达50%。 普通光电倍增管一次只能测量一个信息，即通道数为1。近来研制成多阳极光电倍增管,它相当于许多很细的倍增管组成的矩 阵 。由于通道数受阳极末端细金属丝的限制，目前只做到上百个通道。运行特性1.稳定性 光电倍增管的稳定性是由器件本身特性、工作状态和环境条件等 多种因素决 定的。管子在工作过程中输出不稳定的情况很多，主要有： a.管内电极焊接不良、结构松动、阴极弹片接触不良、极间尖端放电、跳火等引起的跳跃性不稳现象，信号忽大忽小。 b.阳极输出电流太大产生的连续性和疲劳性的不稳定现象。 c.环境条件对稳定性的影响。环境温度升高，管子灵
17、敏度下降。 d.潮湿环境造成引脚之间漏电，引起暗电流增大和不稳。 e.环境电磁场干扰引起工作不稳。 2.极限工作电压 极限工作电压是指管子所允许施加的电压上限。高于此电压，管子产生放电甚至击穿85 光敏电阻5.1 概 述 光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。光敏电阻器是利用半 导 体 的光 电 导 效 应 制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器
18、，又称为光电导探测器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻的工作原理是基于内光 电 效 应 。在半 导 体 光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体 光 敏 电 阻 原 理 图及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵 敏 度 。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光 子 能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电 子 吸收一个光子的能量后可跃迁到导带
19、，并在价带中产生一个带正 电 荷 的空穴，这种由光照产生的电子 空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将复合，9光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金 属 电 极 加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直 流 电 压 ，也加交 流 电 压 。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。5.2 主要参数与特性根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器： 紫外光敏电阻器：对紫外线较
20、灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。 红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。 可见光光敏电阻器：包括硒 、硫 化 镉 、硒 化 镉 、碲 化 镉 、砷 化 镓 、硅 、锗 、 硫 化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照 明 系 统 的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器” ，极薄零件的厚度检测器，照相机自 动 曝 光装 置 ，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。
21、 光敏电阻的主要参数是： 光 敏 电 阻 的 实 验 图（1）光 电 流 、亮电阻。光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电 流 称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电 阻 ，常用“100LX”表示。 （2）暗 电 流 、暗电阻。光敏电阻在一定的外加电 压 下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。 （3）灵敏度。灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值10（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。 （4）光谱响应。光 谱 响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。若将不同波长下的灵敏度画成
22、曲线，就可以得到光谱响应的曲 线 。 （5）光照特性。光照特性指光敏电阻输出的电 信 号 随光照度而变化的特性。从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。在大多数情况下，该特性为非线性。 （6）伏 安 特 性 曲 线 。伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器 件 来说，其光电流随外加电压的增大而增大。 （7）温度系数。光敏电阻的光电效应受温 度 影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。 （8）额定功率。额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所
23、允许消耗的功 率 ，当温度升高时，其消耗的功率就降低。5.3 应用光敏电阻属半导体光敏器件，除具灵敏度高，反应速度快，光谱特性及 r值一致性好等特点外，在高温，多湿的恶劣环 境 下，还能保持高度的稳定性和可靠性，可广泛应用于照 相 机 ，太 阳 能 庭 院 灯 ，草 坪 灯 ，验 钞 机 ，石英钟，音乐杯，礼品盒，迷你小夜灯，光声控开关，路灯自动开关以及各种光控玩 具 ，光控灯饰，灯具等光自动开 关 控制领域。下面给出几个典型应用电路。光 敏 电 阻 调 光 电 路图(1)是一种典型的光控调光电路，其工作原理是：当周围光线变弱时引起光敏电阻的阻值增加，使加在电 容 C 上的分压上升，进而使可控
24、硅的导通角增大，达到增大照明灯两端电压的目的。反之，若周围的光线 图 (1)11变亮，则 RG 的阻值下降，导致可 控 硅 的导通角变小，照明灯两端电压也同时下降，使灯光变暗，从而实现对灯光照度的控制。 上述电路中整流桥给出的是必须是直流脉 动 电 压 ，不能将其用电容滤波变成平滑直流电压，否则电路将无法正常工作。原因在于直流脉动电压既能给可控硅提供过零关断的基本条件，又可使电容 C 的充电在每个半周从 零 开 始 ，准确完成对可控硅的同步移相触发。光 敏 电 阻 式 光 控 开 关图 (2)以光敏电阻为核心元 件 的带继 电 器 控制输出的光控开关电路有许多形式，如自锁亮激发、暗激发及精密亮
25、激发、暗激发等等，下面给出几种典型电路。 图(2)是一种简单的暗激发继电器开关电路。其工作原理是：当照度下降到设置值时由于光敏电阻阻值上升激发 VT1导通，VT2的激励电流使继电器工作，常开触点闭合，常闭触点断开，实现对外电路的控制。 6 光敏二极管和光敏晶体管6.1 光敏二极管光电二极管（Photo-Diode）和普通二极管一样，也是由一个 PN 结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。普通二极管在反 向 电 压 作用时处于截止状态，只能流过微弱的反向电 流 ，光电二极管在设计和制作时尽量使 PN 结的面积相对较大，以便接
26、收入射光。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗12电 流 ；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光 电 流 。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光 电 传 感 器 件。光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。它的核心部分也是一个PN 结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN 结面积尽量做的大一些，电 极 面积尽量小些，而且 PN 结的结深很浅，一般小于1微米。 光电二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安） ，称为暗电流。当有
27、光照时，携带能量的光 子 进入 PN 结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导” 。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。 光电二极管、光电三极管是电子电路中广泛采用的光敏器件。光电二极管和普通二极管一样具有一个 PN 结，不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换，在电路图中文字符号一般为 VD。光电三
28、极管除具有光电转换的功能外，还具有放大功能，在电路图中文字符号一般为 VT。光电三极管因输入信号为光信号，所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射PN 结型光电二极管与其他类型的光探测器一样，在诸如光敏电 阻 、感光耦合元件（Charge-coupled Device, CCD）以及光电倍增管等设备中有着广泛应用。它们能够根据所受光的照度来输出相应的模拟电信号（例如测量仪器）或者在数字电路的不同状态间切换（例如控制开关、数字信号处理） 。 光电二极管在消费电子产品，例如 CD 播放器、烟雾探测器以及控制电视机、空调的红外线遥控设备中
29、也有应用。对于许多应用产品来说，可以使用光电二极管或者其他光导材料。它们都可以被用于测量光，常常工作在照相机的测光器、路灯亮度自动调节等。 13所有类型的光传 感 器 都可以用来检测突发的光照，或者探测同一电路系统内部的发光。光电二极管常常和发光器件（通常是发光二极管）被合并在一起组成一个模块，这个模块常被称为光电耦合元件。如果这样就能通过分析接收到光照的情况来分析外部机械元件的运动情况（例如光斩波器） 。光电二极管另外一个作用就是在模拟电路以及数字电路之间充当中介，这样两段电路就可以通过光信号耦合起来，这可以提高电路的安全性。 在科学研究和工业中，光电二极管常常被用来精确测量光强，因为它比其
30、他光导材料具有更良好的线性。在医疗应用设备中，光电二极管也有着广泛的应用，例如 X 射 线 计算机断层成像（computed tomography, CT）以及脉搏探测器。 PIN 结型光电二极管一般不用来测量很低的光强。然而，如果光强足够大，雪崩光电二极管、感光耦合元件或者光电倍增管就能发挥作用，例如天文学、光谱学、夜视设备、激 光 测 距 仪 等应用产品。6.2 光敏三极管光电晶体管和普通晶体管类似，也有电流放大作用。只是它的集电极电流不只是受基极电路的电流控制，也可以受光的控制。 光电晶体管的外形，有光窗、集电极引出线、发射极引出线和基极引出线（有的没有） 。 制作材料一般为半导体硅，管
31、型为 NPN 型， 国产器件称为3DU 系列。 光电晶体管的灵敏度比光电二极管高，输出电流也比光电二极管大，多为毫安级。 但它的光电特性不如光电二极管好，在较强的光照下，光电流与照度不成线性关系。 所以光电晶体管多用来作光电开关元件或光电逻辑元件。 正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结为反偏置，发射结为正偏置，集电结为光电结。 当光照到集电结上时，集电结即产生光电流 Ip 向基区注入，同时在集电极电路即产生了一个被放大的电流 Ic（=Ie=（1+）Ip） 为电流放大倍数。14因此，光电晶体管的电流放大作用与普通晶体管在上偏流电路中接一个光电二极管的作用是完全相同的。光电三极管是在光 电 二
32、 极 管 的基础上发展起来的光电器件，它本身具有放大功能。常见的光电三极管外形如图 l 所示，文字符号表示为 VT 或 V。 目前的光电三极管是采用硅材料制作而成的。这是由于硅元件较锗元件有小得多的暗电流和较小的温度系数。硅光电三极管是用 N 型硅单晶做成 NPN 结构的。管芯基区面积做得较大，发射区面积却做得较小，入射光线主要被基区吸收。与光电二极管一样，入射光在基区中激发出电子与空穴。在基区漂移场的作用下，电子被拉向集电区，而空穴被积聚在靠近发射区的一边。由于空穴的积累而引起发射区势垒的降低，其结果相当于在发射区两端加上一个正向电压，从而引起了倍率为 +1(相当于三极管共发射极电路中的电流
33、增益)的电子注入，这就是硅光电三极管的工作原理。三极管的应用电路7 光电池7.1 光电池的定义1.是一种在光的照射下产生电 动 势 的半导体元 件 。光电池的种类很多，常用有硒光 15电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。主要用于仪表，自动化遥测和遥控方面。有的光电池可以直接把太阳能转变为电 能 ，这种光电池又叫太 阳 能 电池 。太阳能电池作为能源广泛应用在人造地卫星、灯 塔 、无人气象站等处 2.光电池是一种特殊的半导体二极管，能将可 见 光 转化为直 流 电 。有的光电池还可以将红外光和紫外光转化为直流电。光电池是太阳能电力系统内部的一个组成部分，太阳能电力系统在替代现在的电力能源方面
34、正有着越来越重要的地位。最早的光电池是用掺杂的氧化硅来制作的，掺杂的目的是为了影响电子或空穴的行为。其它的材料，例如 CIS，CdTe 和 GaAs，也已经被开发用来作为光电池的材料。有二种基本类型的半 导 体 材 料 ，分别叫做正电型（或 P 型态）和负电型（或 N 型态） 。在一个 PV 电池中，这些材料的薄片被一起放置，而且他们之间的实际交界叫做 P-N 节。通过这种结构方式，P-N 节暴露于可见光，红外光或紫外线下，当射 线 照射到 P-N 节的时候，在 P-N 节的两侧产生电 压 ，这样连接到 P 型材料和 N 型材料上的电 极 之间就会有电 流 通过。 一套 PV 电池能被一起连接
35、形成太阳的模组，行列或面板。用来产生可用电能的 PV 电池就是光电伏特计。光电伏特计的主要优点之一是没有污染，只需要装置和阳光就可工作。另外的一个优点是太阳能是无限的。一旦光电伏特计系统被安装，它能提供在数年内提供能量而不需要花费，并且只需要最小的维护。 光电池也叫太阳能电池，直接把太阳光转变成电。因此光电池的特点是能够把地球从太阳辐射中吸收的大量光能转化换成电能。167.2 光伏发电的原理光 伏 发 电 是利用半 导 体 pn 结（pn junction）的光 生 伏 特 效 应 而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池(solar cell)。太阳能电池经过串联后进
36、行封装保护可形成大面积的太 阳 电 池 组件（module） ，再配合上功 率 控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地;光 伏 系 统 还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输 电 线 路 即可就地发电供电及建设同期短的优点。 工 作 原 理光伏发电是根据光生伏特效应原理， 当 P-N 结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光 生 载 流 子 。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因 P 区产生的光生空穴，N 区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有 P 区的光生电子和 N 区的光生空穴和结区的电
37、子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向 N 区，光生空穴被拉向 P 区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在N 区边界附近有光生电子积累，在 P 区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡 P-N 结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由 P 区指向 N 区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差，P 端正，N 端负。于是有结电流由P 区流向 N 区，其方向与光 电 流 相反。如果这时分别在 P 型层和 N 型层焊上金属导线，接通负 载 ，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。 太阳能
38、电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并 网发电,光伏发电系统主要 17太 阳 电 池 的 等 效 电 路由太阳能电池板（组件） 、控制器和逆 变 器 三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件,所以,光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲,光 伏 发 电 技 术 可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩 具 ,光伏电源无处不在。以晶体硅材料制备的太阳能电池主要包括：单晶硅、多 晶 硅 、非晶硅和薄膜电池等。单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，但是成本较高；非 晶 硅 太 阳 电 池 则具有生产效率高，成本低廉
39、，但是转换效率较低，而且效率衰减得比较厉害；铸造多 晶 硅 太 阳 能 电 池 则具有稳定得转换的效率，而且性能价格比最高；薄膜晶体 硅 太 阳 能 电 池 则现在还只能处在研发阶段。目前，铸造多晶硅太阳能电池已经取代直拉单晶硅成为最主要的光伏材料。但是铸造多晶硅太阳能电池的转换效率略低于直拉单 晶 硅 太 阳 能 电 池 ，材料中的各种缺陷，如晶界、位错、微缺陷，和材料中的杂质碳和氧，以及工艺过程中玷污的过渡族金属被认为是电池转换效率较低的关键原因，因此关于铸造多晶硅中缺陷和杂质规律的研究，以及工艺中采用合适的吸杂，钝化工艺是进一步提高铸造多晶硅电池的关键。目前量产的单晶硅电池转换效率在17
40、%左右，多晶硅电池转换效率在16%左右。而薄膜电池量产的转换效率为10%左右。 目前，光伏发电产品主要用于三大方面：一是为无电场合提供电源，主要为广大无电地区居民生活生产提供电力，还有微波中 继电源、通讯电源等，另外，还包括一些移动电源和备用电源；二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太 阳 能 路 灯 和太阳能草坪灯等；三是并网发电，这 在发达国家已经大面积推广实施。我国并网发电还未起步，不过， 2008年 北 京 奥 运 会 部分用电将会由太阳能发电和风力发电提供。188 光电传感器的应用8.1 应用概述用光电元件作敏感元件的光电传感器，其种类繁多，用途广泛。按光电传感器的输出量性质
41、可分为两类：（1 ）把被测量转换成连续变化的光电流而制成的光电测量仪器，可用来测量光的强度以及物体的温度、透光能力、位移及表面状态等物理量。例如：测量光强的照度计，光电高温计，光电比色计和浊度计，预防火灾的光电报警器，构成检查被加工零件的直径、长度、椭圆度及表面粗糙度等自动检测装置和仪器，其敏感元件均用光电元件。半导体光电元件不仅在民用工业领域中得到广泛的应用，在军事上更有它重要的地位。例如用硫化铅光敏电阻可做成红外夜视仪、红外线照相仪及红外线导航系统等；（2 ）把被测量转换成继续变化的光电流。利用光电元件在受光照或无光照射时“ 有“ 或“无“电信号输出的特性制成的各种光电自动装置。光电元件用
42、作开关式光电转换元件。例如电子计算机的光电输入器，开关式温度调节装置及转速测量数字式光电测速仪等。8.2 应用举例测量工件表面的缺陷用光电传感器测量工件表面缺陷的工作原理如图1 所示，激光管1 发出的光束经过透镜 2 和3 变为平行光束，再由透镜4 把平行光束聚焦在工件7的表面上，形成宽约0.1mm 的细长光带。光栏5 用于控制光通量。如果工件表面有缺陷( 粗糙、裂纹等) ，则会引起光束偏转或散射，这些光被硅光电池6 接收，即可转换成电信号输出。测量转速如图2所示为用光电传感器测量转速的工作原理。在电动机的旋转轴上涂上黑白两种颜色，当电动机转动时，反射光与不反射光交替出现，光电元件1相应19地
43、间断接收光的反射信号，并输出间断的电信号，再经放大器及整形电路2放大整形输出方波信号，最后由电子数字显示器输出电机的转速。烟尘浊度连续检测仪如图 所示为吸收式烟尘浊度检测仪框图。白炽平行光源通过烟筒由光检测器接收，转换成随浊度变化的相应电信号，运算放大器接收此信号，当运算放大器输出的浊度信号超出规定值时，多谐振荡器工作，其信号经放大推动喇叭发出报警信号。光电式数字转速表光电数字转速表如图4 所示，发光二极管发出的恒定光调制成随时间变化的调制光。同样经光电9 光电传感技术的发展国内外光电传感器的研究现状由于光电传感器的应用涉及的领域非常广泛，其研究和开发在世界上引起了高度重视，各国更是竞相研究开
44、发并引起激烈的竞争。从最初的应用于军事逐渐发展到民事，而且与我们的生活息息相关，应该说现代化的生活离不开光电传感器的参与，如传真机、复印机、扫描仪、打印机、车库开门器、液晶显示器、色度计、分光计、汽车和医疗诊断仪器等等不胜枚举。美国是研究光电传感器起步最早、水平最高的国家之一，在军事和民用领域的应用发展得十分迅速。在军事应用方面，研究和开发主要包括：水下探测、航空监测、核辐射检测等。美国也是最早将光电传感器用于民用领域的国家。如运用光电传感器监测电力系统的电流、温度等重要参数，检测肉类和食品的细菌和病毒等。美国的邦纳公司拥有世界最健全的光电传感器产品线，20超过12 000 种产品包括自含式或
45、放大器分离型，限位开关外型或小型传感器，精密检测或长距离检测传感器，检测距离长达305 m 。并且拥有行业内最齐全的标准光纤和定制光纤产品。大部分产品防护等级达到NEMA 6P 和IP67。日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光电传感器的研究与开发。20 世纪90 年代，由东芝、日本电气等15 家公司和研究机构，研究开发出多种具有一流水平的民用光电传感器，日本的电器产品以价格适中质量好而响誉全球。西欧各国的大型企业和公司也积极参与了光电传感器的研发和市场竞争。我国对光电传感器研究的起步时间与国际相差不远。目前，已有上百个单位在这一领域开展工作，主要是在光电温度传感器、压力计、流量计、液位
46、计、电流计等领域进行了大量的研究，取得了上百项科研成果，有的达到世界先进水平。但与发达国家相比，我国的研究水平还有不小的差距，主要表现在商品化和产业化方面，大多数品种仍处于实验研制阶段，还无法投入批量生产和工程化应用。9.1 传感器的发展动向1 开发新型传感器，包括 1)采用新型原理； 2)填补传感器空白；3）仿生传感器等诸方面2 开发新材料，其主要的趋势有以下几个方面：1）从单晶体到多晶体、非晶体；2）从单一材料到复合材料；3）原子型材料的人工合成。3 智能材料 是指设计控制材料的物理、化学、机械、电学等参数，研制出生物体材料所具有的特性或者优于生物体材料性能的人造材料。4 新工艺的采用 新
47、工艺的的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的维系加工技术5 集成化、多功能化与智能化21致 谢转眼间不知不觉就到了大三，想想走过的三年，往事一幕幕，仿佛发生在昨天，如果不是要写论文我都还没发觉我就要毕业了。这次论文写作是大学时代的最后一次考核，是给大学时代的完结画上最后的句号。通过这次论文的写作对自己的能力有了一次极大的提升，锻炼了自己收集、整理资料的能力。这次论文历时一个星期，经过本人的努力以及 xxx 老师的耐心辅导，才使得这次论文得以顺利完成。所以首先要感谢的人就是 xxx 老师，感谢她的无私奉献以及悉心教导，其次就是感谢周围的同学，感谢他们在我收集资料时给我的大力支持
48、。最后感谢学院的领导，感谢他们提供了一个良好的学习环境。22这个星期是充实的一个星期，为了写论文，我从图书馆借了很多次书，不懂的时候问了很多次同学和老师，可以说这个星期是大学三年以来最忙的一个星期，从来没有这么忙过，从来没有这么充实过。这是我第一次写论文，刚开始难免会什么都不会，经过辅导老师的耐心辅导我克服多重困难，论文终于圆满完成了。通过这次论文我学到了很多。不仅仅是学习上，更重要的是一种生活的态度！我们这一代正是随着社会步伐加快的一代，所以我们更应该带着使命，学好专业知识，为社会科技发展做贡献！最后，我再次感谢大学三年来一直悉心教导我的老师们！参考文献【1】刘迎春，叶湘滨 等 传感器原理设计与应用J.国防科技大学.2004年2月第4版【2】何勇，王生泽 等 光电传感器及其应用J.化学工业出版社.2004年6月第1版【3】王庆友 光电传感器应用技术J.机械工业出版社.2007年10月第1版
