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IFM光電傳感器，IFM光電傳感器，IFM光電傳感器/39529839/39529830：單榮兵
在介紹IFM光電傳感器 原理的基礎(chǔ)上，我們主要討論光電池的原理及其應(yīng)用。 1、光電傳感器的原理 光電傳感器（光電開關(guān)）是光電接近開關(guān)的簡稱，般是由光源、光通路、光電元件三 部分組成的。 光電傳感器是種利用光電子應(yīng)用技術(shù)， 將光信號轉(zhuǎn)換成電信號而進(jìn)行非電量 參數(shù)檢測的傳感器，具有這種功能的材料稱為光敏材料，做成的器件則稱為光敏器件。而光 敏元件和光電傳感器是光電元件中的核心元件， 是光電系統(tǒng)的重要組成部分， 主要包括光敏 材料制作的探測器件、光電二極管和光電倍增管、利用內(nèi)光電效應(yīng)的光導(dǎo)管、以及應(yīng)用光生 電勢效應(yīng)的光敏二極管、光敏三極管、光電池等。 光電傳感器的的物理基礎(chǔ)就是光電效應(yīng)。且光電效應(yīng)包括外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。 外光電效應(yīng)是在光線作用下， 電子逸出物體表面向外發(fā)射稱外光電效應(yīng)，IFM光電傳感器，IFM光電傳感器，IFM光電傳感器/39529839/39529830：單榮兵
即為經(jīng)典歸納 的愛因斯坦光電效應(yīng)方程。 內(nèi)光電效應(yīng)是當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率 1/R 發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動勢的效 應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可以分為以下兩類：是半導(dǎo)體材料受光照時(shí)，材料的電導(dǎo)率增大的光電 導(dǎo)效應(yīng)；二是不均勻半導(dǎo)體或均勻半導(dǎo)體中的光生電子和空穴，在空間分開形成 PN 結(jié)并產(chǎn) 生電位差的光生伏應(yīng)。 2、光電池的原理及應(yīng)用 光電池的原理及應(yīng)用 光電傳感器作為種檢測裝置，由于它具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測 參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，體積小，已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。我們下面介 紹的光電池就是光電傳感器的個(gè)重要應(yīng)用--光電池。 2.1 光電池的原理 光電池的原理 光電池是在光線照射下， 直接將光量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱觿莸墓鈱W(xué)元件。 其工作原理即為光生伏 應(yīng)。因此，在有光線作用時(shí)，PN 結(jié)就相當(dāng)于個(gè)電壓源。 2.1.1 物理原理 1）材料 ① N 型光電導(dǎo)體：多子是電子，少子是空穴。主要是光子激發(fā)施主能中的電子躍遷 1 到導(dǎo)帶中去，電子為主要載流子，增加了自由電子的濃度。 ② P 型光電導(dǎo)體：多子是空穴，少子是電子。主要是光子激發(fā)價(jià)帶中的電子躍遷到受 主能，與受主能中的空穴復(fù)合，而在價(jià)帶中留有空穴，作為主要載流子參加導(dǎo)電，增加 了空穴的濃度。 2）光伏效應(yīng) ① PN 結(jié)存在個(gè)由 N 指向 P 的內(nèi)建電場。當(dāng)熱平衡時(shí)，多數(shù)載流子的擴(kuò)散和少數(shù)載 流子的漂移作用相抵消，沒有電流通過 PN 結(jié)。 ② 當(dāng)有光照射 PN 結(jié)時(shí)，樣品對光子的本征和非本征吸收都將產(chǎn)生載流子。但是，由 于 P 區(qū)和 N 區(qū)的多數(shù)載流子都被勢壘阻擋而不能穿過 IFM光電傳感器，IFM光電傳感器，IFM光電傳感器/39529839/39529830：單榮兵
PN 結(jié)，因而只有本征吸收所激發(fā)的 少數(shù)載流子才能引起光伏效應(yīng)。 ③ 當(dāng)有光照射時(shí)，光線足以透過 P 型半導(dǎo)體入射到 PN 結(jié)。對于能量大于材料禁帶寬 度的光子，由于本征吸收，就可激發(fā)出電子、空穴以及電子--空穴對。P 區(qū)的光生電子和 N 區(qū)的光生空穴以及結(jié)合的電子--空穴對擴(kuò)散到結(jié)電場附近時(shí)，在內(nèi)建電場的作用下漂移過 PN 結(jié)，電子--空穴對被阻擋層的內(nèi)建電場分開，光生電子和孔穴被分別拉到 N 區(qū)和 P 區(qū)， 從而在阻擋層兩側(cè)形成電荷的堆積， 產(chǎn)生內(nèi)建電場的光生電場， 使得內(nèi)建電場的勢壘降低（降 低量等于光生電勢差）。 光生電勢差所產(chǎn)生的光生電流 Ip 方向和結(jié)電流的方向相反， PN 結(jié) 與 反向飽和電流 Io 同向，且 Ip>Io。 2.1.2 結(jié)構(gòu)原理 光電池實(shí)質(zhì)是個(gè)大面積 PN 結(jié)，結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。上電極為柵狀受光電極，柵狀電極 下涂有抗反射膜，用以增加透光、減小反射；下電極是層襯底鋁。當(dāng)光照射 PN 結(jié)的個(gè) 面時(shí)，電子空穴對迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場作用下建立個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動勢，般可產(chǎn) 生 0.2V ～0.6V 電壓，50mA 電流。 圖 1：光電池結(jié)構(gòu) 圖 2：光電池工作原理圖 2.2 光電池的主要特性 光電池的主要特性 2 2.2.1 光譜特性 光電池對不同波長的光靈敏度不同， 3 為硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線。 圖 可見， 不同材料的光電池，光譜響應(yīng)的zui大靈敏度峰值所對應(yīng)的入射波長不同。比較可知，硅光電 池可以在很寬的波長范圍內(nèi)應(yīng)用。 圖3：光譜特性曲線 圖4：光電池的光照特性 2.2.2 光照特性 光電池在不同的光強(qiáng)度照射下可以產(chǎn)生不同的光電流和光生電動勢。圖4為光電池的光 照特性曲線。 短路電流在很大范圍內(nèi)與光照度成線性關(guān)系， 而開路電壓與光照度關(guān)系是非線 性關(guān)系，在照度位200lx下趨于飽和。因此，光電池作為測量元件使用時(shí)，般不作電壓源 使用，而作為電流源應(yīng)用。/39529839/39529830：單榮兵
短路電流是指外接負(fù)載RL相對內(nèi)阻很小時(shí)的光電流。實(shí)驗(yàn)證明：負(fù)載電阻RL越小，光 電流與光照強(qiáng)度之間的線性關(guān)系越好，線性范圍越寬。總之，負(fù)載電阻越小越好。 2.2.3 頻率特性 頻率特性指光電池相對輸出電流與光的調(diào)制頻率之間關(guān)系。從圖5中得知，硅、硒光電 池的頻率特性不同， 硅光電池有較好的頻率響應(yīng)。 在些測量系統(tǒng)中， 光電池作為接受器件， 測量調(diào)制光的輸入信號，所以高速計(jì)數(shù)器的轉(zhuǎn)換般采用硅光電池作為傳感器元件。 圖 5：光電池的頻率特性 2.3 光電池的應(yīng)用與發(fā)展 在能源形勢緊張和氣候變暖等嚴(yán)峻情況下， 世界各國都在尋求新的能源替代戰(zhàn)略來 解決困難。太陽能以其清潔、*、安全等顯著優(yōu)勢，成為關(guān)注焦點(diǎn)。但是從太陽能獲 3 得電力，需通過太陽能電池進(jìn)行光電變換來實(shí)現(xiàn)。因而對于光電池來說有較大的發(fā)展空間。 要使太陽能發(fā)電真正達(dá)到實(shí)用水平：是要提高太陽能光電變換效率并降低成本； 二 是要實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電同現(xiàn)在的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。 目前，太陽能電池主要有單晶硅、多晶硅、非晶態(tài)硅三種。單晶硅太陽能電池變換效率 zui高，已達(dá)20％以上，但價(jià)格也zui貴；非晶態(tài)硅太陽電池變換效率zui低，但價(jià)格*， 旦它的大面積組件光電變換效率達(dá)到10％， 每瓦發(fā)電設(shè)備價(jià)格降到１～２美元時(shí)， 便足以廣 泛使用。 當(dāng)然， 特殊用途和實(shí)驗(yàn)室中用的太陽能電池效率要高得多。 如美國波音公司開發(fā)的由砷 化鎵半導(dǎo)體同銻化鎵半導(dǎo)體重疊而成的太陽能電池， 光電變換效率可達(dá)36％， 目前也只能限 于在衛(wèi)星上使用。 由于太陽能產(chǎn)業(yè)的市場前景廣闊、 有良好的政策環(huán)境以及本身的特性， 使得其具有較高的投資價(jià)值和發(fā)展?jié)摿Α?3、結(jié)束語光電子應(yīng)用技術(shù)是門新興的高新技術(shù)， 目前還處于發(fā)展期， 但它必將發(fā)展成為種新 興的知識經(jīng)濟(jì)，從而在新興技術(shù)域形成巨大的力。 4
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