光电传感器的应用与新技术

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1、光电传感器的应用与新技术--浅谈光电池与CCD摘要：光电传感器是利用光电效应制成的一类传感器的总称，它能将光学量转变为电学量，广泛应用于检测和自动化系统。光电传感器包括光电池和光电阻传感器。本文将以下几个方面：1.什么是光电池和光电阻传感器；2.光电池和光电阻传感器的比较；3.光电传感器的实际应用；4.光电传感器在未来的发展方向，详细地介绍光电传感器，并提出本人对光电传感器在未来的预测。一光电池和光电阻在介绍光电传感器之前，我们有必要先了解一下光电效应。光电效应是光照射到某些物质上，使该物质的电特性发生变化的一种物理现象，可分为光电子发射、光电导效应和光生伏特

2、效应三种。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应[1]。它是指，在光线作用下物体内的电子逸出物体表面向外发射的物理现象。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。光电导效应是指当入射光射到半导体表面时，半导体吸收入射光子产生电子空穴对，使其自生电导增大。光生伏特效应是指当一定波长的光照射非均匀半导体（如PN结），在自建场的作用下，半导体内部产生光电压的效应[2]。光电传感器都是利用光电效应制成的。1.光电池光电池是一种能在光的照射下，不加偏置，产生电动势半导体器件，也属于电能量型传感器。光电池的种类很多，有硒，氧化亚铜，硫化铊，硫化镉，锗，硅，砷化镓光电池等

3、。其中最受重视的是硅光电池，因为它有一系列优点：性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，传递效率高（接近理论极限17%），能耐高温辐射等[3]。1.1光电池的工作原理光电池的工作原理是光生伏特效应。当光子的能量hγ大于半导体材料的禁带宽度时，半导体材料吸收光而产生电子空穴对，这样在半导体材料内部形成载流子的浓度梯度，进而在受照表面和暗面产生一个开路的光电压。1.2光电池的特性光电池的特性主要有光谱特性，光照特性等。如图为硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线，即相对灵敏度与入射光的波长的关系曲线。从图上可知，不同材料的光谱峰值位置是不同的[4]。硅光电池的峰值在800微米

4、左右，而锗光电池的峰值在450微米左右。实际使用时，应根据光源性质来选择光电池，而且要注意的是，光电池的光谱特性还与温度有关。如图为硅光电池的光照特性。光生电动势与光照间的特性曲线称为开路电压曲线，光电流密度与光照强度的特性曲线称为短路电流曲线。由图可知，当光照足够大时，开路电压趋于饱和，因此，可以将光电池当做电流源使用，这是光电池的主要优点之一[5]。光电池的特性还有频率特性，温度特性，在这儿就不详细叙述了。1.3光电池的应用光电池至今有两大类型的应用：一类是将光电池作为光伏器件使用，利用光伏作用直接将太阳能转换成电能，即太阳能电池。太阳能电池已在宇宙开发、

5、航空、通信设施、太阳能电池地面发射站、日常生活和交通事业中得到广泛应用。目前太阳能电池发电成本尚不能与常规能源竞争，但是随着太阳能电池技术不断发展，成本会逐渐下降，定会获得更广泛的应用。另一类是将光电池作为光电转换器件应用，需要光电池具有灵敏度高、响应时间短等特性。这一类光电池需要特殊的工艺制造，主要用于光电监测和自动控制系统中[6]。1.光电阻传感器光电阻传感器是将光信号转换成电阻变化的一种传感器。若用这种传感器测量其他非电量时，只要将被测信号的变化转换成光信号即可。此种测量方法具有结构简单，非接触，高可靠性，高精度和反应快等优点。故广泛应用于自动检测系统中

6、[7]。光电阻传感器分为光敏电阻和光敏晶体管两类。光敏晶体管有分为光敏二极管和光敏三极管。他们的的原理主要基于光电效应，但又有所不同。2.1光电阻传感器的工作原理2.1.1光电池的工作原理有些半导体当受到光照射时，如果光子的能量大于本征半导体的禁带宽度，电子会吸收光子而跃迁，激发产生电子空穴对，从而导致阻值的变化。光敏电阻有很高的灵敏度，光谱的响应范围可以从紫外区到红外区。2.1.2光敏晶体管的工作原理PN结受到光照时，PN结附近产生光生电子-空穴对，他们在PN结内电场作用下定向运动形成光电流。光的强度越大，光电流越大。因此在不受光照射时，光敏晶体管处于截止状

7、态，在受到光照射时，光敏晶体管处于导通状态。光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。2.2光电阻传感器的工作特性2.2.1光敏电阻的工作特性光敏电阻的光电流和光照强度的关系曲线称为光敏电阻的光照特性。不同光敏电阻的光照特性是不同的，但在大多数情况下是具有饱和特性的曲线。由于光敏电阻的光照特性曲线是非线性的，因此不适宜做线性敏感原件，这是光敏电阻的缺点之一[8]。光敏电阻对于不同波长的入射光，其相对灵敏度是不同的。各种材料的光谱特性曲线如图所示，由此可以看出，硫化镉的峰值在可见光区，而硫化铅的峰值在红外区[9]。光敏电阻的特性还有频率特性，温度特性，在这儿就不详

8、细叙述了。2.2.2光敏晶体管的工作特