光电传感器的应用与新技术doc

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。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、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]。

2.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[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，在这儿就不详细叙述了。

2.2.2光敏晶体管的工作特性

如图为光敏晶体管的光谱特性曲线。不同

材料的光敏晶体管，峰值出现在不同区域，一

般来说，在可见光或探测炽热状态的物体时，

都采用硅管，而在红外探测时，一般采用锗管

[10]。

如图，光敏晶体管的输出电流和光照之间可以

看作是线性关系。

光敏晶体管的特性还有伏安特性，温度特性等，在这儿就不详细叙述了。

2.3光电阻传感器的应用

2.3.1光敏电阻的应用

光敏电阻的应用广泛，例如：照相机自动测光、光电控制、室内光线控制、报警器、工业控制、光控开关、光控灯、电子玩具、光控音乐IC、电子验钞机等各个领域。

2.3.2光敏晶体管的应用

光敏晶体管在自动测试系统中有着广泛的应用。典型的运用有光耦合器，光电式传感器等。光耦合器实现了电隔离，提高了抗干扰性能，并且由于他具有单向信号传递功能，因而有脉冲转换和直流电平转换功能。在逻辑电路中课作为不同逻辑电路间的接口；在逻辑信号驱动电路中，可以作为输入信号与高压间的隔离原件。光电式传感器可用于测速，这种测速方法具有结构简单，测量精度高等优点[11]。

二光电池与光电阻传感器的比较