IFM光电传感器，IFM光电传感器，IFM光电传感器/39529839/39529830：单荣兵
在介绍IFM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，般是由光源、光通路、光电元件三 部分组成的。 光电传感器是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，IFM光电传感器，IFM光电传感器，IFM光电传感器/39529839/39529830：单荣兵
 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：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 生电位差的光生伏应。 2、光电池的原理及应用 光电池的原理及应用 光电传感器作为种检测装置，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个重要应用--光电池。 2.1 光电池的原理 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 应。因此，在有光线作用时，PN 结就相当于个电压源。 2.1.1 物理原理 1）材料 ① 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中的电子跃迁 1 到导带中去，电子为主要载流子，增加了自由电子的浓度。 ② 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，与受主能中的空穴复合，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 ① PN 结存在个由 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。 ② 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 IFM光电传感器，IFM光电传感器，IFM光电传感器/39529839/39529830：单荣兵
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。 ③ 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， PN 结 与 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；下电极是层衬底铝。当光照射 PN 结的个 面时，电子空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立个与光照强度有关的电动势，般可产 生 0.2V ～0.6V 电压，50mA 电流。 图 1：光电池结构 图 2：光电池工作原理图 2.2 光电池的主要特性 光电池的主要特性 2 2.2.1 光谱特性 光电池对不同波长的光灵敏度不同， 3 为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。 图 可见， 不同材料的光电池，光谱响应的zui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。 图3：光谱特性曲线 图4：光电池的光照特性 2.2.2 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，般不作电压源 使用，而作为电流源应用。/39529839/39529830：单荣兵
 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般采用硅光电池作为传感器元件。 图 5：光电池的频率特性 2.3 光电池的应用与发展 在能源形势紧张和气候变暖等严峻情况下， 世界各国都在寻求新的能源替代战略来 解决困难。太阳能以其清洁、*、安全等显著优势，成为关注焦点。但是从太阳能获 3 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：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 zui高，已达20％以上，但价格也zui贵；非晶态硅太阳电池变换效率zui低，但价格*， 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 于在卫星上使用。 由于太阳能产业的市场前景广阔、 有良好的政策环境以及本身的特性， 使得其具有较高的投资价值和发展潜力。 3、结束语光电子应用技术是门新兴的高新技术， 目前还处于发展期， 但它必将发展成为种新 兴的知识经济，从而在新兴技术域形成巨大的力。 4
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