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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 原理的基礎上，我們主要討論光電池的原理及其應用。 1、光電傳感器的原理 光電傳感器（光電開關）是光電接近開關的簡稱，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用技術， 將光信號轉換成電信號而進行非電量 參數檢測的傳感器，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、利用內光電效應的光導管、以及應用光生 電勢效應的光敏二極管、光敏三極管、光電池等。 光電傳感器的的物理基礎就是光電效應。且光電效應包括外光電效應和內光電效應。 外光電效應是在光線作用下， 電子逸出物體表面向外發射稱外光電效應，IFM光電傳感器，IFM光電傳感器，IFM光電傳感器/39529839/39529830：單榮兵
即為經典歸納 的愛因斯坦光電效應方程。 內光電效應是當光照射在物體上，使物體的電阻率 1/R 發生變化或產生光電動勢的效 應。內光電效應又可以分為以下兩類：是半導體材料受光照時，材料的電導率增大的光電 導效應；二是不均勻半導體或均勻半導體中的光生電子和空穴，在空間分開形成 PN 結并產 生電位差的光生伏應。 2、光電池的原理及應用 光電池的原理及應用 光電傳感器作為種檢測裝置，由于它具有精度高、反應快、非接觸等優點，而且可測 參數多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，體積小，已經獲得了廣泛的應用。我們下面介 紹的光電池就是光電傳感器的個重要應用--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， 直接將光量轉變為電動勢的光學元件。 其工作原理即為光生伏 應。因此，在有光線作用時，PN 結就相當于個電壓源。 2.1.1 物理原理 1）材料 ① N 型光電導體：多子是電子，少子是空穴。主要是光子激發施主能中的電子躍遷 1 到導帶中去，電子為主要載流子，增加了自由電子的濃度。 ② P 型光電導體：多子是空穴，少子是電子。主要是光子激發價帶中的電子躍遷到受 主能，與受主能中的空穴復合，而在價帶中留有空穴，作為主要載流子參加導電，增加 了空穴的濃度。 2）光伏效應 ① PN 結存在個由 N 指向 P 的內建電場。當熱平衡時，多數載流子的擴散和少數載 流子的漂移作用相抵消，沒有電流通過 PN 結。 ② 當有光照射 PN 結時，樣品對光子的本征和非本征吸收都將產生載流子。但是，由 于 P 區和 N 區的多數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，因而只有本征吸收所激發的 少數載流子才能引起光伏效應。 ③ 當有光照射時，光線足以透過 P 型半導體入射到 PN 結。對于能量大于材料禁帶寬 度的光子，由于本征吸收，就可激發出電子、空穴以及電子--空穴對。P 區的光生電子和 N 區的光生空穴以及結合的電子--空穴對擴散到結電場附近時，在內建電場的作用下漂移過 PN 結，電子--空穴對被阻擋層的內建電場分開，光生電子和孔穴被分別拉到 N 區和 P 區， 從而在阻擋層兩側形成電荷的堆積， 產生內建電場的光生電場， 使得內建電場的勢壘降低（降 低量等于光生電勢差）。 光生電勢差所產生的光生電流 Ip 方向和結電流的方向相反， PN 結 與 反向飽和電流 Io 同向，且 Ip>Io。 2.1.2 結構原理 光電池實質是個大面積 PN 結，結構如圖 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。當光照射 PN 結的個 面時，電子空穴對迅速擴散，在結電場作用下建立個與光照強度有關的電動勢，般可產 生 0.2V ～0.6V 電壓，50mA 電流。 圖 1：光電池結構 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，光譜響應的zui大靈敏度峰值所對應的入射波長不同。比較可知，硅光電 池可以在很寬的波長范圍內應用。 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度照射下可以產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與光照度成線性關系， 而開路電壓與光照度關系是非線 性關系，在照度位200lx下趨于飽和。因此，光電池作為測量元件使用時，般不作電壓源 使用，而作為電流源應用。/39529839/39529830：單榮兵
短路電流是指外接負載RL相對內阻很小時的光電流。實驗證明：負載電阻RL越小，光 電流與光照強度之間的線性關系越好，線性范圍越寬。總之，負載電阻越小越好。 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制頻率之間關系。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。 在些測量系統中， 光電池作為接受器件， 測量調制光的輸入信號，所以高速計數器的轉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 光電池的應用與發展 在能源形勢緊張和氣候變暖等嚴峻情況下， 世界各國都在尋求新的能源替代戰略來 解決困難。太陽能以其清潔、*、安全等顯著優勢，成為關注焦點。但是從太陽能獲 3 得電力，需通過太陽能電池進行光電變換來實現。因而對于光電池來說有較大的發展空間。 要使太陽能發電真正達到實用水平：是要提高太陽能光電變換效率并降低成本； 二 是要實現太陽能發電同現在的電網聯網。 目前，太陽能電池主要有單晶硅、多晶硅、非晶態硅三種。單晶硅太陽能電池變換效率 zui高，已達20％以上，但價格也zui貴；非晶態硅太陽電池變換效率zui低，但價格*， 旦它的大面積組件光電變換效率達到10％， 每瓦發電設備價格降到１～２美元時， 便足以廣 泛使用。 當然， 特殊用途和實驗室中用的太陽能電池效率要高得多。 如美國波音公司開發的由砷 化鎵半導體同銻化鎵半導體重疊而成的太陽能電池， 光電變換效率可達36％， 目前也只能限 于在衛星上使用。 由于太陽能產業的市場前景廣闊、 有良好的政策環境以及本身的特性， 使得其具有較高的投資價值和發展潛力。 3、結束語光電子應用技術是門新興的高新技術， 目前還處于發展期， 但它必將發展成為種新 興的知識經濟，從而在新興技術域形成巨大的力。 4
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