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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流浅谈光电池与光电阻传感器.精品文档.浅谈光电池与光电阻传感器光电池一、光电池及其种类光电池是光电类传感器的一种，是一种特殊的半导体二极管，能在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号。光电池是利用半导体光伏效应制成的光电转换器件，它既可以作为电源，又可作为光电检测器件。作为电源使用的光电池也叫太阳能电池，能够把地球从太阳辐射中吸收的大量光能转化换成电能。太阳能电池不需要燃料，没有运动部件，也不排放气体，具有重量轻，工作性能稳定，光电装换效率高，使用寿命长，不产生污染等优点，作为一种新型能源在航天技术、气象观测、国防科技、气象观测、工农业生产以及人
2、们的日常生活中越来越得到越来越广泛的应用。作为光电检测器件使用的光电池具有反应速度快，工作时不需要外加偏压等特点，用于近红外探测器、光电耦合器、光电开关等。光电池的种类很多，早期出现的有氧化亚铜光电池，因转换效率低已很少应用，此外有硒、硫化铊、硫化镉、锗、硅、砷化镓等制成的光电池。其中碲化镉光电池很适合制作薄膜光电池，其理论转换效率达30，是非常理想的光伏材料。砷化镓光电池大多采用液相外延法或MOCVD技术制备，期产品具有产品耐高温和辐射，但生产成本高，产量受限，目前主要作空间电源用。磷化铟光电池的抗辐射性能特别好多用于空间方面。但其中最常用的还是硒光电池和硅光电池。硒光电池因光谱特性与人眼视
3、觉很相近，频谱较宽，故多用于日落光表及照度计。硅光电池与其它半导体光电池相比，是目前转换效率最高17%，几乎接近理论极限的一种光电池，而且性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，传递效率高，能耐高温辐射等，因而最受重视。二、光电池的工作原理硅光电池的基本结构如图1所示，它的基片用低阻n型硅单晶制成，再用扩散硼（或磷）的方法在基片上形成p型膜，构成pn结。电子的热运动是无规则的，因此当无光照射时有一部分电子可从n区扩散到p区，同样有一部分空穴可从p区扩散到n区。在扩散前p区和n区都是中性的。随着电子和空穴的扩散，n区靠近界面处将带正电荷，而p区靠近界面处将带负电荷，如图2中所示。这两个带电区就称为p-
4、n结。在结中有一方向如图2所示的内建电场，这个内建电场对空穴和电 子的继续扩散有阻碍作用，因而扩散率逐渐减少，最后达到动态平衡。在平衡状态时，n区电位比p区电位高一定数值，这个电位差称为势垒高度，势垒高度取决于p区和n区中的杂质浓度，而且势垒高度一般小于与禁带宽度相应的电位差。当有光照时，若光子能量hr大于半导体材料的禁带宽度，则p区和n区的原子，由于“吸收”了光能而被激发，这时就会产生新的光生电子-空穴对。在p区，激发出的光生空穴比原有的空穴数少得多，可以略去不计，因而可以认为光照只增加了光生电子。这些电子在p-n结电场作用下，很快被拉到n区，同样，在n区激发的光生电子比原来的电子数少很多，
5、也可略去不计，可认为光照只增加了光生空穴。这些空穴在p-n结电场作用下，随即被拉到p区。当光生空穴和电子被分别拉到p区和n区之后，原来pn失去的空穴和电子就可得以补偿。于是p-n结的电场势垒就被降低。这时，原来建立的动态平衡就被破坏，因而扩散运动又得以重新进行。这样就产生了光生电动势。如接上外电路如图3所示，就有电流流过。 图 3下面列出部分国产硅光电池的主要技术参数：三、光电池的特性-其中以硅光电池为例光电池与负载的关系 硅光电池的输出电流及电压都与负载电阻有关。电性能与光强度的关系 当硅光电池外电路断开时，测得的端电压为开路电压，开路电压与光强度的对数成正比。当硅光电池外接电路短路时，测得
6、的电流与光强度成正比。硅光电池的暗特性曲线 硅光电池不受光照时，起一个二极管的作用。硅光电池不受光照时，起一个二极管的作用。外加电压与电流间的关系曲线称为光电池的暗特性曲线。其一般形状如图4所示， 图4具体形状决定于p-n结特性曲线的硬度。光电池的正向电阻与反向电阻相差很大，前者一般不到1欧姆，后者可到几千欧姆。硅电池的光谱响应 对硅材料来说，能产生光生伏特效应的光波波长为0.4微米到1.1微米。光电池对不同波长的光，在相同照度下，单位面积上所产生的光电流不同，也即光电池对各种不同波长的光，其灵敏度是不同的。图5是以相对灵敏度（以峰值灵敏度为100%）表示的光谱特性曲线。从图中可见硅光电池光灵
7、敏度峰值在0.80.95微米之间。 图 5硅光电池的温度效应 硅光电池的性能与使用温度有关，随着温度的升高，光谱响应曲线向长波方向移动。但短路电流随温度的变化很微弱。硅光电池的响应时间 它表征光电池对于光强度突变的响应速度。响应时间决定于光电池的结电容C和负载电阻R的乘积RC。硅光电池的抗辐射本领 光电池在宇宙空间中使用时，不可避免地要受到电子流、质子流、高能电磁波等辐射的轰击，使硅中载流子的扩散长度减少，因而光电池的性能也有退化。硅光电池的寿命 硅光电池的主要点电性能可在数年甚至十多年内基本保持不变，只要上电极和底电极牢固可靠。四、光电池的应用硅光电池问世不过半个世纪，但是它的应用范围却非常
8、广泛，硅光电池主要有两个方面的应用，即作为电源和作为光电检测器件的应用。这里介绍一种电子清纱器。利用硅光电池的光生电流和 电压随受光面积变化的特性可以制成灵敏光电探测头。电子清纱器中的光电探测头就是利用这个原理制成的，如图6所示。当均匀纱线 图 6通过光电探测头时，硅光电池输出某一信号电压，执行机构不动作。当纱线上出现纱疵时，由于纱疵比纱线粗，硅光电池的受光面积减小，输出电压也就减小，当小到一定程度时，执行机构动作，控制剪刀剪断纱线，实现自动清纱。 光电阻传感器一、光电阻传感器及其种类光电阻传感器一般由光源、光学通路和光电元件3部分组成。是以光电效应为基础，把被测量的变化转换成光信号的变化，然
9、后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号的一种传感器。光电传感器由于反应速度快,能实现非接触测量,而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动化控制等多种领域中。常见的光电传感器有光电管、光敏电阻、光敏晶体管、光电祸合器、颜色传感器、 红外光传感器、紫外线传感器、光纤传感器和CCD图像传感器等。二、光敏电阻光敏电阻器又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为
10、电的变化）。 通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子空穴对，参与导电，使电路中电流增强。其结构图与符号如图7所示。 图 7光敏电阻具有的优点：光谱响应范围宽，尤其对红外和红外辐射有较高的灵敏度；所测的光强范围宽；灵敏度较高；工作电流大，可达数毫安；偏置电压低，无极性之分，使用方便。因此在自动检测、计算机和控制系统中, 应用非常广泛。但同时也有其不足之处，主要表现在：强光照射下的线性较差；弛豫过程较长，响应速度慢；频率响应较差。光敏电阻的基本特性： （1）伏安特性在一定照度下, 流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏
11、电阻的伏安特性。图8为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。由图可见，光敏电阻在一定的电压范围内, 其I-U曲线为直线，说明其阻值与入射光量有关, 而与电压、电流无关。 图 8（2）光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性, 亦称为光谱响应。 图9 为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。 对应于不同波长, 光敏电阻的灵敏度是不同的。 图 9（3）温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应, 同时, 光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变, 尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。 图10为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线, 它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。 图10 硫化铅光敏电
12、阻的光谱温度特性光敏电阻的应用路灯自动点熄： 图 11电阻R电容C和二极管D组成半波整流滤波电路，给光敏电阻供电；CdS光敏电阻和继电器组成开关控制电路，路灯接在继电器常闭触点上，由环境光强控制路灯的点熄。三、光敏晶体管光敏晶体管主要分为光敏二极管和光敏三极管。光敏二极管和光敏三极管是光电转换半导体器件，与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好，可靠性好、体积小、使用方便等优。光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时
13、,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。光敏三极管和普通三极管相似，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和电流控制，同时也受光辐射的控制。 通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。当具有光敏特性的PN 结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，
14、与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。四、光电阻传感器的应用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
15、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。测量转速如图12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相应地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。 图 12 转速测量原理五、光电阻传感器的科研 随着测控系统自动化、智能化的发
16、展，要求传感器精度高、可靠性好，而且具备一定的数据处理能力，并能够自检、自校、自补偿。则传统的光电阻传感器已不能满足这样的要求。需要研发新的技术主要是：（1） 新材料的开发应用：a)光电子基础材料、生长源和关键设备目标:突破新型生长源关键制备技术, 掌握相关的检测技术;突破半导体光电子器件的基础材料制备技术, 实现产业化。b）人工晶体和全固态激光器技术目标：研究探索新型人工晶体材料与应用技术, 突破人工晶体的产业化关键技术, 研制大功率全固态激光器, 解决产业化关键技术问题。c)新型半导体材料与光电子器件技术目标:重点研究自组装半导体量子点、ZnO晶体和低维量子结构、窄禁带氮化物等新型半导体材
17、料及光电子器件技术。d）光电子材料与器件产业化质量控制技术目标：发展人工晶体与全固态激光器、GaN基材料及器件表征评价技术, 解决产业化质量控制关键技术。e）光电子材料与器件的微观结构设计与性能预测研究目标：提出光电子新材料、新器件的构思, 为原始创新提供理论概念与设计。（2） 利用新的加工技术（a）超高亮度全色显示材料与器件应用技术目标：研究开发用于场致电子发射平板显示器（FED)材料和器件结构, 以及超高亮度冷阴极发光管制作和应用的关键技术。b）超高密度光存储材料与器件技术目标：发展具有自主知识产权的超高密度、大容量、高速度光存储材料和技术, 达到国际先进水平, 为发展超高密度光存储产业打
18、下基础。c）光传感材料与器件技术目标：以特殊环境应用为目的, 实现传感元器件的产业化技术开发, 研究开发新型光电传感器。d）新型有机光电子材料及器件目标：研究开发新型有机半导体材料及其在光显示等领域的应用。（3） 利用新的测量原理和方法谐振式传感器输出的数字量可以直接和微机及接口总线连接, 不用心转换器。另外, 光纤传感器、化学传感器、生物传感器等新型传感器, 为智能传感器提供了新的信息来源。（4） 光电传感器的智能化发展 总结一、光电池与光电阻的比较光电池是一种在光的照射下能产生电动势的半导体元件，在接受光照的情况下，可使用高内阻电压表测到光生电动势；光电池是负功率器件，它发出能量。光电阻是
19、一种在光的照射下会产生更多的电子空穴对，致使导电能力增加,电阻率减小的半导体元件。在接受光照的情况下，可以测量到它的电阻值减小。光电阻工作时要消耗能量。二、光电池与光电阻传感器的发展趋势1小型化，多功能化2.随着光学技术、微电子技术的应用实现光电传感器的高精度，高可靠性。3.有简单的对物体大小，颜色等特性的检测，向更接近于人眼识别及判断能力的复杂二维特性，以至三维特性检测方向发展。参考文献：【1】 李汉军，杨士亮，杨恩智. 光电池原理及其应用J.现代物理知识.1990，03（03）：26-27.【2】 西安交通大学物理实验室硅光电池小组.硅光电池原理及其应用（上）J.电子技术应用.1976，03（4）：22-34.【3】 西安交通大学物理实验室硅光电池小组.硅光电池原理及其应用（下）J.电子技术应用.1976，04（10）：28-39.【4】 北京量具刃具厂.硅光电池工作原理J.机械工人.1977,06(9):12-15.【5】 颜晓河，董玲娇，苏绍兴. 光电传感器的发展及其应用J.电子工业专用设备.2006，01（12）：59-62【6】 谢望.光电传感技术的新发展及应用J.仪器仪表用户.2005，05（1）：1-2.【7】 李旭华.光电传感器原理及应用J.电气时代.2004,09(12):56-57