光电传感器及光电池的应用

1 引言
目前，光电传感器已经深入到国民经济各个部门，成为跨行业应用的器件，它被广泛应 用到工业生产的许多方面，凡是需要观察和检测的场所都有应用的可能。它的非接触性、无 损害、 不受电磁干扰、 能远距离传送信息以及远距离操纵控制等优点是得到广泛应用的保障。 它在航天、航空、石油、化工、国防、安全、旅游、交通、城市建设和农业生产等领域都得 到广泛的应用。 光电传感器使人类有效地扩展了自身的视觉能力，使视觉的长波限延伸到亚毫米波 （ THz 波） ，短波限延伸到紫外线、 X 射线、 射线，乃至高能粒子，响应速度达到纳秒 级， 能够到人ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ目前无法到达的场所， 将那里发生的瞬间变化过程与长时间历史经历过程记 录下下来，供人类使用。
g
q e , h l 2
（1）
式中 为半导体材料的量子效率， 为载流子的平均寿命， 为电子迁移率 n 和空穴迁移 率
p 之和， l 为电极之间的距离， （如图 1 所示） e, 为单色光的辐射通量
②在强辐射作用下半导体材料的光电导 g 为
bd 2 1 g q 2 h K l 3 e , f
本文将对光电传感器进行一些基本的介绍，主要介绍了由光电导效应、光生 伏特效应、 光电效应而制成的各种光电传感器的工作原理、结构以及基本性能参 数，同时以案例具体分析传感器的应用。 2 光电传感器综述
2.1 光电导器件 2.1.1 光电导效应
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本征半导体或杂质半导体价带中的电子吸收光子能量跃入导带产生本征吸收， 导带中产 生光生自由电子，价带中产生光生自由空穴。光生电子与空穴使半导体的电导率发生变化。 这种在光的作用下由本征吸收引起的半导体电导率的变化现象称为本征光电导效应。 由半导体物理学知识可知： ①在微弱辐射作用下半导体材料的光电导 g 为
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图 3 光敏电阻结构示意图 2.1.2.3 光敏电阻的基本特性 2.1.2.3.1 光电特性 光敏电阻在黑暗的室温条件下， 由于热激发产生的载流子使它具有一定的电导， 该电导 称为暗电导 。当有光照射在光敏电阻上时，它的电导将变大，这时的电导称为光电导。电 导随光照量变化越大的光敏电阻就越灵敏。这个特性称为光敏电阻的光电特性。 光敏电阻在弱辐射到强辐射的作用下， 它的光电特性可用在“恒定电压”作用下流过光敏 电阻的电流 I p 与作用到光敏电阻上的光照度 E 的关系曲线来描述，图 4 所示的特性曲线反 应了流过光敏电阻的电流 I p 与入射光照度 E 的变化关系。
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图 17 雪崩二极管结构示意图 2.2.3.2 工作原理 雪崩光电二极管为具有内增益的一种光生伏特器件。 它利用光生载流子在强电场内的定 向运动，产生的雪崩效应获得光电流的增益。 在雪崩过程中，光生载流子在强电场的作下 进行高速定向运动， 具有很高动能的光生电子或空穴与晶格原子碰撞， 使晶格原子电离产生 二次电子-空穴对，二次电子和空穴在电场的作用下又获得足够的动能，使晶格原子电离产 生新的电子-空穴对，此过程像“雪崩”似地继续下去。 2.2.3.3 噪声 由于雪崩光电二极管中载流子的碰撞电离是不规则的，碰撞后的运动方向更是随机的， 所以它的噪声比一般光电二极管要大些。 2.2.4 硅光电池 2.2.4.1 硅光电池的基本结构 按硅光电池衬底材料的不同可分为 2DR 型和 2CR 型。如图 18（a）所示为 2DR 型硅光 电池，它是以 P 型硅为衬底(即在本征型硅材料中掺入三价元素硼或镓等)，然后在衬底上扩 散磷而形成 N 型层并将其作为受光面。 硅光电池的受光面的输出电极多做成如图 18（b）所示为硅光电池的外形图，图中所示 的梳齿状或“E”字型电极，其目的是减小硅光电池的内电阻。
光电传感器及光电池的应用
摘要：光电传感器作为“为机器安装眼睛与大脑工程”的重要环节,目前已深入到国民经济 各个部门，成为跨行业应用的器件。本文根据传感器原理不同，从工作原理、结构及基本特 性参数介绍了几种光电传感器， 并以光电池为例介绍了和分析了两种实用电路， 最后介绍了 光电池电路的拓展功能以及光电传感器的应用前景。 关键词：光电传感器 光电池 光控换向
图 4 CdS 光敏电阻的光照特性曲线 2.1.2.3.2 伏安特性 利用图 2 示的电路可以测出在不同光照下加在光敏电阻两端的电压 U 与流过它的电流
I p 的关系曲线，并称其为光敏电阻的伏安特性。图 5 所示为典型 CdS 光敏电阻的伏安特性
曲线 。
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图 5 典型 CdS 光敏电阻的伏安特性曲线 图 6 光敏电阻的温度特性曲线 2.1.2.3.3 温度特性 图 6 所示为典型 CdS 与 CdSe 光敏电阻在不同照度下的温度特性曲线。以室温（25℃） 的相对光电导率为 100%，观测光敏电阻的相对光电导率随温度的变化关系，可以看出光敏 电阻的相对光电导率随温度的升高而下降，光电响应特性随着温度的变化较大。 2.1.2.3.4 时间特性 光敏电阻的时间响应（又称为惯性）比其他光电器件要差（惯性要大）些，频率响应要 低些，而且具有特殊性。光敏电阻的惯性与入射辐射信号的强弱有关,图 7 和图 8 分别为光 敏电阻在弱辐射作用下的时间响应和光敏电阻在强辐射作用下的时间响应。
图 11 半导体 PN 结结构示意图 图 12 PN 结的能带结构 2.2.2 硅光敏二极管 2.2.2.1 硅光二极管的基本结构 光敏二极管可分为以 P 型硅为衬底与以 N 型硅为衬底两种结构形式。如图 13（a）所示 的为 P 型光敏二极管的原理结构图。 图 13（b）为光敏二极管的工作原理图 图 13（c）所示为光敏二极管的电路符号，其中的小箭头表示正向电流的方向（普通整 流二极管中规定的正方向） ， 光电流的方向与之相反。 图中的前极为光照面， 后极为背光面。
Introduction of Photoelectric Sensors and Application of Photo Cell
Abstract: As a critical section of the "eyes and brain for the machine" project, photoelectric sensors have been widely used in all sectors of national economy. Based on the photoelectrical converting principle, the working principle, structure and some basic parameters of several photoelectric sensors are introduced. As an example, this paper discusses two practical circuits of the photo cell. At last, we talk about some expanding applications of these circuits and the prospect of photoelectric sensors. Key Words: Photoelectric Sensors, Photo Cell, Photo Reversing.
式中 为半导体材料的量子效率，
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（2）
为电子迁移率 n 和空穴迁移率 p 之和， l 为电极之
间的距离， b 为半导体材料的宽度， d 为半导体材料的厚度， （如图 1 所示） K f 为载流子 的复合机率， e, 为单色光的辐射通量
图 1 光电导体 图 2 光敏电阻原理与符号 2.1.2 光敏电阻 2.1.2.1 光敏电阻的基本原理 图 2 所示为光敏电阻的原理图与光敏电阻的符号， 在均匀的具有光电导效应的半导体材 料的两端加上电极便构成光敏电阻。当光敏电阻的两端加上适当的偏置电压 U bb （如图 2 所 示的电路）后，便有电流 I p 流过。 2.1.2.2 光敏电阻的基本结构 根据光敏电阻的设计原则可以设计出如图 3 所示的 3 种基本结构。
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光敏电阻的光谱响应主要由光敏材料禁带宽度、 杂质电离能、 材料掺杂比与掺杂浓度等 因素有关。 图 10 所示为 3 种典型光敏电阻的光谱响应特性曲线。 2.2 光生伏特器件 2.2.1 光生伏特效应 光生伏特效应是基于半导体 PN 结基础上的一种将光能转换成电能的效应。当入射辐射 作用在半导体 PN 结上产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导带中的光生电子在 PN 结内 建电场的作用下分开， 并分别向如图 11 所示的方向运动， 形成光生伏特电压或光生电流的 现象。 半导体 PN 结的能带结构如图 12 所示，当 P 型与 N 型半导体形成 PN 结时，P 区和 N 区 的多数载流子要进行相对的扩散运动，以便平衡它们的费米能级差，扩散运动平衡时，它 们具有如图所示的同一费米能级 EF ，并在结区形成由正负离子组成的空间电荷区或耗尽区。 空间电荷形成如图 11 所示的内建电场，内建电场的方向由 N 区指向 P 区。当入射辐射作用 于 PN 结区时，本征吸收产生的光生电子和光生空穴将在内电场的作用下做漂移运动，电子 被内电场拉到 N 区，而空穴被拉到 P 区。结果 P 区带正电，N 区带负电，形成伏特电压。
图 7 光敏电阻在弱辐射下的时间响应 图 8 光敏电阻在强辐射作用下时间响应 2.1.2.3.4 噪声特性 光敏电阻的主要噪声有热噪声、产生复合和低频噪声(或称 1/f 噪声)。图 9 为光敏电阻 噪声与频率的关系。
图 9 光敏电阻的噪声与频率的关系 2.1.2.3.5 光谱响应
图 10 3 种典型光敏电阻的光谱响应特性曲线
qU q kT I ID 1 (1 e d )Φe, e hc
式中 为光电材料的光电转换效率， 为材料对辐射的吸收系数。
图 14 硅光敏二极管伏安特性曲线 图 15 硅光敏二极管伏安特性曲线 2.2.2.3 光敏二极管的基本特性 2.2.2.3.1 伏安特性 由光敏二极管的全电流方程可得到如图 15 所示， 它反应了光敏二极管在不同偏置电压、 不同照度辐射作用下的输出特性。 2.2.2.3.2 光谱响应 光敏二极管的光谱响应定义为以等功率的不同 单色辐射波长的光作用于光敏二极管时， 其响应程度 或电流灵敏度与波长的关系称为其光谱响应。 图 16 为几种典型材料的光敏二极管光谱响应曲 线。 图 16 几种典型光敏二极 管光谱响应特性曲线 2.2.3 雪崩光敏二极管 2.2.3.1 结构 图 17（a）所示为在 P 型硅基片上扩散杂质浓度大的 N+层，制成 P 型 N 结构的雪崩光 敏二极管； 图 17（b）所示为在 N 型硅基片上扩散杂质浓度大的 P+层，制成 N 型 P 结构的雪崩光 敏二极管； 图 17（c）所示为 PIN 型雪崩光敏二极管。
图 13 硅光二极管 2.2.2.2 硅光二极管电流方程 在无辐射作用的情况下（暗室中） ，PN 结硅光敏二极管的正、反向特性与普通 PN 结二 极管的特性一样，如图 14 所示。其电流方程为
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qU kT I ID e 1
式中 U 为加在光敏二极管两端的电压 （又称偏置电压） ， k 为波尔兹曼常数， T 为器件温度， q 为电子电荷。 当光辐射作用到光敏二极管上时，光敏二极管的全电流方程为
图 18 硅光电池的结构与电路符号 2.2.4.2 硅光电池工作原理 如图 19 所示，当光作用于 PN 结时，耗尽区内的光生电子与空穴在内建电场力的作用 下分别向 N 区和 P 区运动，在闭合的电路中将产生如图所示的输出电流 I L ，且负载电阻 RL 上产生电压降为 U 。
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图 19 硅光电池工作原理 2.2.5 光敏晶体管 光电三极管与普通半导体三极管一样有两种基本结构，NPN 结构与 PNP 结构。用 N 型 硅材料为衬底制作的 NPN 结构；用 P 型硅材料为衬底制作的称为 PNP 结构。图 20 (a)所示 为 NPN 型光电三极管的原理结构图； 图 20(b)所示为光电三极管的电路符号。