傳感器第8章 光電式傳感器

1、第八章第八章 光電式傳感器光電式傳感器光電式傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種傳感器，其理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。對非電量進行測量時，只要將被測非電量的變化轉(zhuǎn)化成光信號的變化，通過光電傳感器，就可以將該非電量的變化轉(zhuǎn)換成電量的變化。光電傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、響應(yīng)快、非接觸測量等優(yōu)點，因此在檢測和控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。隨著科學(xué)的發(fā)展和綠色能源的廣泛應(yīng)用，根據(jù)光電效應(yīng)制成的光電池也越來越多的使用到各個領(lǐng)域。本章在研究光電式傳感器同時，也介紹了太陽能光電池的相關(guān)知識。8.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng)當(dāng)用光照射物體時，物體受到一連串具有能量的光子的轟擊，于是物體材料中的電子吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)的電效應(yīng)（如

2、電導(dǎo)率變化、發(fā)射電子或產(chǎn)生電動勢等），這種現(xiàn)象就稱為光電效應(yīng)。通常將光電效應(yīng)分：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)）。外光電效應(yīng)在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫光電子。基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。根據(jù)光的波粒二象性，光是一種以光速運動的粒子流，這種粒子稱為光子，光子具有能量，每個光子的能量可由下式確定 E= h v （8-1）式中 h 普朗克常數(shù)，6.62610 （Js）；v 光的頻率（s）。對不同頻率的光，光子的能量是不同的，頻率越高，光子能量越大，并且光子的能量是一份一份的，一個光子的全部能量只能一次性

3、的釋放或被電子吸收。當(dāng)光照射到物體時，物體中的電子吸收入射光子的能量，當(dāng)足以克服逸出功時，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生光電子。因此，如果一個電子想要逸出，光子能量h v必須超過逸出功，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。根據(jù)能量守恒定理h v= +A0 (8-2)式中：m 電子質(zhì)量；v0電子逸出速度；A0逸出功。342021mv該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。由式（8-2）可知：1.光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，這意味著每一個物體都有一個對應(yīng)的光頻閥值，稱為紅限頻率或波長。光線頻率低于紅限頻率，光子的能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因

4、而小于紅限頻率的入射光，光強再大也不會產(chǎn)生光電子反射；反之入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射出。2當(dāng)入射光的頻率不變時，產(chǎn)生的光電流與光強成正比，即光強愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的光電子數(shù)也就越多。3光電子逸出物體表面具有初始動能 ，因此外光電效應(yīng)器件，如光電管即使沒有加陽極電壓，也會有光電流產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。 2021mv二、內(nèi)光電效應(yīng)在光照下，物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生一定方向光生電動勢的現(xiàn)象，稱為內(nèi)光電效應(yīng)。1光電導(dǎo)效應(yīng)當(dāng)光照射在物體上，使物體的電導(dǎo)率（1/R）或電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)，基

5、于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。這是因為在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化。當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時，若該光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，而且光輻射能量又足夠強，光電導(dǎo)材料價帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，如圖8-1所示，從而使導(dǎo)帶的電子和價帶的空穴增加，致使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。為了實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Ef，即 （8-3）式中v、分別為入射光的頻率和波長。也就是說，對于一種光電導(dǎo)體材料，總存在一個照射光波長極限0，只有波長小于0的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子能級間的躍進，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。 1.24fhchE圖

6、8-1 電子能級示意圖2.光生伏特效應(yīng)在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池和光敏二級管、光敏三極管。（1）勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）當(dāng)光線照射PN結(jié)時，若光子能量大于禁帶寬度Ef，則價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在阻擋層內(nèi)電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動勢，這就是結(jié)光電效應(yīng)。（2）側(cè)向光電效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時，由載流子濃度梯度將會產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。當(dāng)光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對時，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就

7、出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子要擴散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴散不明顯，則電子向未被光照部分?jǐn)U散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射的部分帶負(fù)電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電勢。下面幾節(jié)將介紹利用外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)制作的光電器件。 8.2 外光電效應(yīng)的光電器件外光電效應(yīng)的光電器件利用物質(zhì)在光的照射下發(fā)射電子的所謂外光電效應(yīng)而制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍增管。8.2.1光電管及其基本特性光電管及其基本特性（一）結(jié)構(gòu)與工作原理光電管有真空光電管和充氣光電管兩類。兩者結(jié)構(gòu)相似，如圖8-2所示。它們由一個陰極和一個陽極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻

8、璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。當(dāng)光照在陰極上時，中央陽極可收集從陰極上逸出的電子，在外電場作用下形成電流I，如圖(b)所示。充氣光電管內(nèi)充有少量的惰性氣體如氬或氖，當(dāng)充氣光電管的陰極被光照射后，光電子在飛向陽極的途中，和氣體的原子發(fā)生碰撞而使氣體電離，因此增加了光電流，從而使光電管的靈敏度增加，但導(dǎo)致充氣光電管的光電流與入射光強度不成比例關(guān)系。因而使其穩(wěn)定性較差、惰性大、溫度影響大、容易衰老等一系列缺點。目前由于放大技術(shù)的提高，對于光電管的靈敏度不再要求那樣嚴(yán)格，況且真空式光電管的靈敏度也正在不斷提高。在自動檢測儀表中，

9、由于要求溫度影響小和靈敏度穩(wěn)定，所以一般都采用真空式光電管。圖8-2 光電管的結(jié)構(gòu)（二）主要性能光電器件的性能主要是由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應(yīng)時間、峰值探測率和溫度特性來描述。由于篇幅限制，本書僅對最主要的特性作簡單敘述。（1）光電管的伏安特性。在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓U與陽極所產(chǎn)生的電流I之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。真空光電管和充氣光電管的伏安特性分別如圖8-3（a）和（b）所示。它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。圖8-3 真空光電管和充氣光電管的伏安特性（2）光電管的光照特性。其特性曲線如圖8-4所示。曲線1表示氧銫陰極光電管的光照特性，光電流I與光通量成線

10、性關(guān)系。曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它呈非線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之比）稱為光電管的靈敏度。圖8-4 光電管的光照特性（3）光電管光譜特性。一般對于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率v，因此它們可用于不同的光譜范圍。除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率v，并且強度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量還會不同，即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。所以，對各種不同波長區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。國產(chǎn)GD-4型的光電管，陰極是用銻銫材料制成的。其紅限=7000 （埃），它對可見光范圍的入射

11、光靈敏度比較高，轉(zhuǎn)換效率可達2530。這種管子適用于白光光源，因而被廣泛的應(yīng)用于各種光電式自動檢測儀表中。對紅外光源，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外探測器。對紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。另外，銻鉀鈉銫陰極的光譜范圍較寬，為30008500 ，靈敏度也較高，與人的視覺光譜特性很接近，是一種新型的光電陰極。但也有些光電管的光譜特性和人的視覺光譜特性有很大差異，因而在測量和控制技術(shù)中，這些光電管可以擔(dān)負(fù)人眼所不能勝任的工作，如坦克和裝甲車上的夜視鏡等。 8.2.2 光電倍增管及其基本特性光電倍增管及其基本特性當(dāng)入射光很微弱時，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點幾個微安，很不容易探測。這時常用光電倍

12、增管對光電流進行放大，圖8-5是光電倍增管的外形和工作原理圖。圖8-5 光電倍增管的外形和工作原理（一）光電倍增管的結(jié)構(gòu)光電倍增管由光陰極、次陰極（倍增電極）及陽極三部分組成，如圖8-5所示。光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成。次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的。次陰極多的可達30級，通常為1214級。陽極是最后用來收集光電子的。它輸出的是電壓脈沖。（二）工作原理光電倍增管除光電陰極外，還有若干個倍增電極。使用時在各個倍增電極上均加上電壓。陰極電位最低，從陰極開始，各個倍增電極的電位依次升高，陽極電位最高。同時這些倍增電極用次級發(fā)射材料制成，這種材料在具有一定能量的電子轟擊下，能夠

13、產(chǎn)生更多的“次級電子”。由于相鄰兩個倍增電極之間有電位差，因此存在加速電場，對電子加速。從陰極發(fā)出的光電子，在電場的加速下，打到第一個倍增電極上，引起二次電子發(fā)射。每個電子能從這個倍增電極上打出36倍個次級電子，被打出來的次級電子再經(jīng)過電場的加速后，打在第二個倍增電極上，電子數(shù)又增加36倍，如此不斷倍增，陽極最后收集到的電子數(shù)將達到陰極發(fā)射電子數(shù)的105106倍。即光電倍增管的放大倍數(shù)可達到幾萬倍到幾百萬倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬到幾百萬倍。因此在很微弱的光照時，它就能產(chǎn)生很大的光電流。（三）主要參數(shù)（1）倍增系數(shù)M倍增系數(shù)M等于各個倍增電極的二次發(fā)射電子數(shù)i的乘積。如果n個倍

14、增電極的i都一樣，則。因此，陽極電流I為 （8-4）式中i光電陰極的光電流。光電倍增管的電流放大倍數(shù)為 （8-5）M與所加電壓有關(guān)，一般M在105到108之間。如果電壓有波動，倍增系數(shù)也要波動。因此M具有一定的統(tǒng)計漲落。一般陽極和陰極之間的電壓為10002500V，兩個相鄰的倍增電極的電位差為50100V。對所加電壓越穩(wěn)越好，這樣可以減少統(tǒng)計漲落，從而減少測量誤差。niIiniIi（2）光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電陰極的靈敏度。而一個光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。光電倍增管的實際放大倍數(shù)或靈敏度如圖8-6所示。它的最大靈

15、敏度可達10A/lm（安培/流明），極間電壓越高，靈敏度越高。但極間電壓也不能太高，太高反而會使陽極電流不穩(wěn)。另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強光照射，否則將會損壞。圖8-6 光電倍增管的特性曲線（3）暗電流和本底脈沖一般在使用光電倍增管時，必須把管子放在暗室里避光使用，使其只對入射光起作用。但是由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒有光信號輸入，加上電壓后陽極仍有電流，這種電流稱為暗電流。這種暗電流通?？梢杂醚a償電路加以消除。光電倍增管的陰極前面放一塊閃爍體，就構(gòu)成閃爍計數(shù)器。在閃爍體受到人眼看不見的宇宙射線的照射后，光電倍增管就會有電流信號輸出。這種電流稱為閃爍計數(shù)器的暗

16、電流，一般把它稱為本底脈沖。（4）光電倍增管的光譜特性光電倍增管的光譜特性與相同材料的光電管的光譜特性很相似。8.3 內(nèi)光電效應(yīng)器件內(nèi)光電效應(yīng)器件利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生電動勢的內(nèi)光電效應(yīng)器件，常見的有光敏電阻和光電池、光敏晶體管等。8.3.1 光敏電阻光敏電阻（一）結(jié)構(gòu)和原理光敏電阻又稱光導(dǎo)管。光敏電阻幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成。光敏電阻的結(jié)構(gòu)較簡單，如圖8-7（a）所示。在玻璃底板上均勻地涂上薄薄的一層半導(dǎo)體物質(zhì)，半導(dǎo)體的兩端裝上金屬電極，使電極與半導(dǎo)體層可靠的電接觸，然后，將它們壓入塑料封裝體內(nèi)。為了防止周圍介質(zhì)的污染，在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋一層漆膜，漆膜成分的選擇應(yīng)該使它在光

17、敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。光敏電阻連接電路如圖8-7（b）所示，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小。光敏電阻在受到光的照射時，由于內(nèi)光電效應(yīng)使其導(dǎo)電性能增強，電阻Ra值下降，所以流過負(fù)載電阻RL的電流及其兩端電壓也隨之變化。光線越強，電流越大，因而可將光信號轉(zhuǎn)換為電信號；當(dāng)光照停止時，光電效應(yīng)消失，電阻恢復(fù)原值。圖8-7 光敏電阻結(jié)構(gòu)與電路連接并非一切純半導(dǎo)體都能顯示出光電特性。對于不具備這一條件的物質(zhì)可以加入雜質(zhì)使之產(chǎn)生光電效應(yīng)特性。用來產(chǎn)生這種效應(yīng)的物質(zhì)由金屬的硫化物、硒化物、碲化物等組成。如硫化鎘、硫化鉛、硫化鉈、硫化鉍、硒化鎘、硒化鉛、碲化鉛等。光敏電阻的使用

18、取決于它的一系列特性，如暗電流、光電流、光敏電阻的伏安特性、光照特性、光譜特性、頻率特性、溫度特性以及光敏電阻的靈敏度、時間常數(shù)和最佳工作電壓等。光敏電阻具有很高的靈敏度、很好的光譜特性、很長的使用壽命、高度的穩(wěn)定性能、很小的體積、以及簡單的制造工藝，所以被廣泛的用于自動化技術(shù)中。（二）光敏電阻的特性（1）暗電阻、亮電阻與光電流。光敏電阻在室溫全暗條件下測的的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流；在室溫和一定光照條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻，此時的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。光敏電阻的暗電阻的阻值一般在兆歐數(shù)量級，亮電阻在幾千歐以下。一般暗電阻越大，亮電阻越小，

19、光敏電阻的靈敏度越高。暗電阻與亮電阻之比一般在102106之間，這個數(shù)值是相當(dāng)可觀的。（2）光敏電阻的伏安特性。在一定的光照條件下，光敏電阻兩端所加的電壓與流過光敏電阻電流之間的關(guān)系，稱為光敏電阻的伏安特性。如圖8-8所示曲線1、2分別表示不同照度時的伏安特性曲線。由曲線可知，光敏電阻的伏安特性近似直線，在給定偏壓下，光照度越大，光電流也越大；在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且沒有飽和現(xiàn)象，但電壓不能無限地增大，因為任何光敏電阻都受額定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導(dǎo)致光敏電阻永久性損壞。圖中虛線為允許功耗曲線，由此可確定光敏電阻正常工

20、作電壓。圖8-8 光敏電阻的伏安特性（3）光敏電阻的光照特性。光敏電阻的光照特性用于描述光電流I和光照強度之間的關(guān)系，如圖8-9所示。不同光敏電阻光照特性曲線是不相同的，而且絕大多數(shù)光敏電阻光照特性曲線是非線性的，因此不宜作線性測量元件，一般用作開關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器。 圖8-9 光敏電阻的光照特性 （4）光敏電阻的光譜特性。對于不同波長的光，光敏電阻的靈敏度是不同的。幾種常用光敏電阻材料的光譜特性如圖8-10所示。從圖中看出，硫化鎘的峰值在可見光區(qū)域，而硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域。因此在選用光敏電阻時應(yīng)當(dāng)把元件和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的結(jié)果。圖8-10 光敏電阻的光譜特性（5）光敏電阻

21、的響應(yīng)時間和頻率特性。實驗證明光敏電阻的光電流不能立刻隨著光照量的改變而立即改變，即光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的惰性，這個惰性通常用時間常數(shù)（也可以叫遲滯時間）來描述。所謂時間常數(shù)即為光敏電阻自停止光照起到電流下降為原來的63所需要的時間，因此，時間常數(shù)越小，響應(yīng)越迅速。但大多數(shù)光敏電阻的時間常數(shù)都較大，這是它的缺點之一。圖8-11所示為硫化鎘和硫化鉛的光敏電阻的頻率特性。硫化鉛的使用頻率范圍最大，其它都較差。目前正在通過工藝改進來改善各種材料光敏電阻的頻率特性。圖8-11 光敏電阻的頻率特性（6）光敏電阻的溫度特性。隨著溫度不斷升高，光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要下降，同時溫度變化也影響它的光

22、譜特性曲線。圖8-12表示出硫化鉛的光譜溫度曲線。從圖中可以看出。它的峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動。因此有時為了提高元件的靈敏度，或為了能夠接受較長波段的紅外輻射而采取一些制冷措施。圖8-12 硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性1.光電池的結(jié)構(gòu)原理圖8-13硅光電池結(jié)構(gòu)示意圖8.3.2光電池光電池圖8-14硒光電池結(jié)構(gòu)示意圖圖8-15光電池的光譜特性2.光電池的主要特性圖8-16光電池的光照特性圖8-17光電池的頻率特性圖8-18光電池的溫度特性8.3.3 光敏晶體管光敏晶體管光敏晶體管通常指光敏二極管和光敏三極管，它們的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。（一）結(jié)構(gòu)與工作原理光敏二極管的符號如圖8-1

23、3所示。鍺光敏二極管有A、B、C、D四類。鍺光敏二極管有2CU1AD系列，1DU14系列。光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。它裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，如圖8-14所示。當(dāng)光敏二級管受光照射時，它的工作原理與光電池很相似，處于導(dǎo)通狀態(tài)。且光電流I與照度之間呈線性關(guān)系，適合檢測等方面的應(yīng)用。當(dāng)光敏二極管未受光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。圖8-13 光敏二極管的結(jié)構(gòu)原理圖8-14 光敏二極管接線法光敏三極管的結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，有PNP和NPN型兩種，如圖8-15所示。只是它的發(fā)射極一邊做得

24、很大，以擴大光的照射面積，且其基極往往不接引線。圖8-15 光敏三極管的符號圖和基本工作電路光敏三極管像普通三極管一樣有兩個PN結(jié)，因此具有電流增益，比光敏二極管具有更高的靈敏度。光敏三極管的基本工作線路如圖8-15（b）示。當(dāng)集電極加上正電壓，基極開路時，集電極處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時，會產(chǎn)生電子空穴對，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這樣便有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的倍。（二）基本特性（1）光敏晶體管的光譜特性 在入射光照度一定時，光敏晶體管的相對靈敏度隨光波波長的變化而變化。光敏晶體管的光譜特性曲線如圖8

25、-16所示。 從曲線可以看出，光敏晶體管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。當(dāng)入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降，這是容易理解的。因為光子能量太小，不足以激發(fā)電子空穴對。當(dāng)入射光的波長縮短時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導(dǎo)體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對不能達到PN結(jié)，因而使相對靈敏度下降。圖8-16 光敏晶體管的光譜特性 硅的峰值波長為9000，鍺的峰值波長15000 。由于鍺管的暗電流比硅管大。因此鍺管的性能較差，故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般都選用硅管。但對紅外線進行探測時，則采用鍺管較合適。（2）光敏晶體管的伏安特性 光敏晶體管的伏安特性曲線如圖8-17所示。光敏

26、三極管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特性一樣。因此，只要將入射光照在發(fā)射極e與基極b之間的PN結(jié)附近，所產(chǎn)生的光電流看作基極電流。就可將光敏三極管看作一般的晶體管。光敏三極管能把光信號變成電信號，而且輸出的電信號較大。圖8-17 光敏晶體管的伏安特性（3）光敏晶體管的光照特性 光敏晶體管的光照特性如圖8-18所示。它給出了光敏晶體管的輸出電流I0和照度E之間的關(guān)系。它們之間呈現(xiàn)了近似線性關(guān)系。當(dāng)光照足夠大（幾千勒克司）時，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。從而使光敏晶體管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)元件。圖8-18 光敏晶體管的光照特性（4）光敏晶體管的溫度特性 光敏晶體管的

27、頻率特性曲線如圖8-19所示。它反映的是光敏晶體管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。從特性曲線上可以看出，溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的影響很大。所以電子線路中應(yīng)該對暗電流進行溫度補償，否則將會導(dǎo)致輸出誤差。圖8-19 光敏晶體管的溫度特性（5）光敏晶體管的頻率特性 光敏晶體管的頻率特性曲線如圖8-20所示。光敏晶體管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)。一般來說，光敏三極管的頻率響應(yīng)應(yīng)比光敏二極管差。對于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5000HZ以下。硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。實驗證明，光敏三極管的截止頻率和它的基區(qū)厚度成正比關(guān)系。如果要求截止頻率高，那么基區(qū)就要薄。

28、但基區(qū)變薄，光電靈敏度將降低。在制造時要適當(dāng)兼顧兩者。圖8-20 光敏晶體管的頻率特性光電耦合器件光電耦合器件 光電耦合器件是由發(fā)光元件（如發(fā)光二極管）和光電接收元件合并使用, 以光作為媒介傳遞信號的光電器件。光電耦合器中的發(fā)光元件通常是半導(dǎo)體的發(fā)光二極管, 光電接收元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光可控硅等。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，又可分為用于實現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測有無物體的光電開關(guān)。 1光電耦合器 光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個外殼內(nèi), 一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。 2. 光電開關(guān) 2. 光電開關(guān) 8.4.1 高速光電二極管高速光電二極管 隨著高速光通信和信息處理

29、技術(shù)的發(fā)展，提高光電傳感器的響應(yīng)速度變得越來越重要；人們相繼研制了一批高速光電器件，例如，PIN結(jié)光電二極管、雪崩光電二極管等。（一）PIN結(jié)光電二極管PIN結(jié)光電二極管結(jié)構(gòu)如圖8-21所示。它與一般PN結(jié)光敏二極管不同之處在于P層和N層之間增加了一層很厚的高電阻率的本征半導(dǎo)體（I）。同時，將P層做得很薄。當(dāng)入射光照射在P層上，由于P層很薄，大量的光被較厚的I層吸收，激發(fā)較多的載流子形成光電流；又由于PIN結(jié)光電二極管比PN結(jié)光電二極管施加較高的反向偏置電壓，使其耗盡層加寬。當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，在交界處就形成電子和空穴的濃度差別 ，因此，N區(qū)的電子要向P區(qū)擴散，P區(qū)空穴向N區(qū)擴散，

30、P區(qū)一邊失去空穴，留下帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，N區(qū)一邊失去電子，留下帶正電的雜質(zhì)離子，在PN交界面形成空間電荷，即在交界處形成了很薄的空間電荷區(qū)，即為PN結(jié)。在該區(qū)域中，多數(shù)載流子已擴散到對方而復(fù)合掉，或者說消耗盡了，因此，空間電荷區(qū)有時又稱為耗盡層，它的電阻率很高。擴散越強，耗盡層越寬。同時，加強了它的PN結(jié)內(nèi)電場，加速了光電子的定向運動，大大減小漂移時間，因而提高了響應(yīng)速度。 PIN結(jié)光電二極管仍然具有一般PN結(jié)光電二極管的線性特性。因此，在光通信和光信號檢測技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。圖8-21 PIN結(jié)光電二極管（二）雪崩式光電二極管（APD）APD(Avalanche Photoelectric

31、Diode)是利用PN結(jié)加上高的反向偏壓時，發(fā)生雪崩效應(yīng)而獲得電流增益的光電器件，其結(jié)構(gòu)如圖8-22所示。雪崩式光電二極管結(jié)構(gòu)上不同于普通二極管的是在PN結(jié)的P型區(qū)外側(cè)增加一層摻雜濃度極高的P+層。當(dāng)在其上加高的反向偏壓時，以P層為中心的兩側(cè)產(chǎn)生極強的內(nèi)部加速場（可達105V/cm）。當(dāng)光照射時，P+層受光子能量激發(fā)的電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，在高電場作用下，電子以高速通過P層，并在P區(qū)產(chǎn)生碰撞電離，形成大量新生電子-空穴對，并且它們也從電場中獲得高能量，與從P+層來的電子一起再次碰撞P區(qū)的其它原子，又產(chǎn)生大批新生電子-空穴對。當(dāng)所加反向偏壓足夠大時，不斷產(chǎn)生二次電子發(fā)射，形成載流子“雪崩”的效應(yīng)

32、，構(gòu)成強大的光電流。顯然，APD的響應(yīng)時間極短，靈敏度很高，它在光通訊中應(yīng)用前景廣闊。圖8-22 雪崩光電二極管8.4.2色敏光電傳感器色敏光電傳感器 色敏光電傳感器是兩只結(jié)深不同的反向光電二極管的組合體，是光電傳感器的一種特殊類型。其結(jié)構(gòu)和等效電路如圖8-23所示。圖8-23 色敏光電傳感器結(jié)構(gòu)和等效電路 結(jié)構(gòu)圖中，雙結(jié)光電二極管的P+-N結(jié)為淺結(jié)，N-P結(jié)為深結(jié)。當(dāng)光線照射時，P+、N、P三個區(qū)域及其間的勢壘區(qū)均有光子吸收，但是吸收效率不同。紫外光部分吸收系數(shù)大，經(jīng)過很短距離就基本被吸收完畢，因此，淺結(jié)對紫外光線有較高靈敏度；而紅外光部分吸收系數(shù)較小，這類波長的光子主要在深結(jié)處被吸收，因此

33、，深結(jié)對紅外光有較高的靈敏度。也就是說，半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌ㄩL的光具有不同的靈敏度。這一特性為提供識別顏色創(chuàng)造了可能性。 利用兩個不同結(jié)深的反向光電二極管PD1和PD2的組合，就可構(gòu)成測定特定波長的半導(dǎo)體色敏傳感器。具體使用時，首先給該色敏器件進行標(biāo)定：測定在不同波長的單色光照射下，深結(jié)PD2的短路電流ISD2與淺結(jié)PD1的短路電流ISD1（ISD2在長波區(qū)較大，ISD1在短波區(qū)較大），得到兩者的比值ISD2/ ISD1與入射單色光波長的關(guān)系。根據(jù)標(biāo)定的曲線，實際測出某一單色光的短路電流比，即可確定該單色光的波長，即知道了顏色。 8.4.3 光位置傳感器光位置傳感器 光位置傳感器是一種硅

34、光電二極管，它利用光線來檢測位置。其工作原理如圖8-24所示。當(dāng)光線照射到硅光電二極管的某一位置時，結(jié)區(qū)的光電子向N層漂移，空穴向P層漂移。到達P層的空穴分成兩部分：一部分沿表面電阻R1流向A端，形成光電流I1；另一部分沿著表面電阻R2流向B端形成光電流I2。當(dāng)電阻層均勻分布時，R2 / R1= X2 /X1，則I2 /I1= R2 /R1= X2 /X1，故只要測出I1和I2就可以求得光照射的位置。 光位置傳感器同樣適用二維位置檢測，其原理如圖8-31所示。a、b極用于檢測方向。a、b極用于檢測y方向。目前該位置傳感器能測定的面積為1313mm）。 光位置傳感器常用于機械加工的定位裝置，也可

35、以作為機器人的眼睛。圖8-24 位置傳感器圖8-25 光平面位置檢測原理8.4.4 光固態(tài)圖像傳感器光固態(tài)圖像傳感器 光固態(tài)圖像傳感器是由光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件集合而成的，是以電荷轉(zhuǎn)移為核心，具有光電信號轉(zhuǎn)換、存儲、傳輸和處理功能的集成光敏傳感器。 光固態(tài)圖象傳感器按其結(jié)構(gòu)的不同分三類：一類是電荷耦合器件(Charge Coupled Device，簡稱CCD)；第二類是MOS型圖像傳感器或稱自掃描光電二極管陣列（Self Scanned Photodiode Array，簡稱SSPA）； 第三類是電荷注入器件(Charge Injection Device，簡稱CID)。其中最常用的是電

36、荷耦合器CCD。CCD自1970年問世以后，由于它的低噪聲，在很暗的環(huán)境下性能仍舊良好等特點，CCD圖像傳感器廣泛應(yīng)用于在微光電視攝像、圖象識別和傳送等方面。（一）CCD的結(jié)構(gòu)和基本原理 CCD是一種將光信號轉(zhuǎn)化為電荷包，并以電荷包的形式存儲和傳遞信息的半導(dǎo)體表面器件，它是在MOS結(jié)構(gòu)電荷存儲器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以有人稱其為“排列起來的MOS電容陣列”。一個MOS電容器就是一個光敏元，可以感應(yīng)一個象素點，如果一副圖象有512*320個象素點，就需要同樣多個光敏元。 CCD單元結(jié)構(gòu)如圖8-26所示。其最小單元是在P型（或N型）硅襯底上生長一層厚度約為120nm的SiO2，再在SiO2層上沉積

37、鋁電極而構(gòu)成MOS的電容式轉(zhuǎn)移器件。將一系列排列緊密的MOS陣列加上輸入、輸出端，便構(gòu)成了CCD。圖8-26 CCD的MOS結(jié)構(gòu)1信號電荷的產(chǎn)生與存儲。 如圖8-26a當(dāng)向SiO2表面的電極加正偏壓時，P型硅襯底中形成耗盡區(qū)（勢阱），耗盡區(qū)的深度隨正偏壓升高而加大。當(dāng)光照射，產(chǎn)生自由電子-空穴對，其中空穴被排斥，少數(shù)載流子（電子）被勢阱收集到正偏壓電極下的區(qū)域內(nèi)，形成電荷包，并與光照/亮度成正比。對于N型襯底的CCD器件，則電極加負(fù)電壓，少數(shù)載流子為空穴。2信號電荷的轉(zhuǎn)移與輸出 如何實現(xiàn)電荷定向轉(zhuǎn)移呢？通過相鄰MOS單元上的電壓VG變化來實現(xiàn)，VG加規(guī)律變化的脈沖電壓，控制相位來控制移動方向。

38、非常類似步進電機的步進控制方式。也有二相、三相等幾種控制方式。下面以三相控制方式為例說明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過程。參見圖8-33所示。 三相控制是在線陣列的每一個像素上有三個金屬電極P1、P2、P3，依次在其上施加三個相位不同的控制脈沖1、2、3，見圖8-27（b）。CCD電荷的注入通常有光注入、電注入和熱注入等方式。圖（b）采用電注入方式。當(dāng)P1極施加高電壓時，在P1下方產(chǎn)生電荷包（t=t0）；當(dāng)P2極加上同樣的電壓時，由于兩電勢下面勢阱間的耦合，原來在P1下的電荷將在P1、P2兩電極下分布（t=t1）；當(dāng)P1回到低電位時，電荷包全部流入P2下的勢阱中（t= t2）。 然后P3的電位升高，P2

39、回到低電位，電荷包從P2下轉(zhuǎn)到P3下的勢阱中（t= t3），以此控制，使P1下的電荷轉(zhuǎn)移到P3下。圖8-27 電荷轉(zhuǎn)移過程 隨著控制脈沖的分配，少數(shù)載流子便從CCD的一端轉(zhuǎn)移到最終端。終端的輸出二極管搜集了少數(shù)載流子，送入放大器處理。 （二）線型CCD圖像傳感器 線型CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列CCD并行對應(yīng)構(gòu)成一個主體，在它們之間設(shè)有一個轉(zhuǎn)移控制柵，如圖8-28a所示。在每一個光敏元件上都有一個梳狀公共電極，由一個P型溝阻使電氣上隔開。當(dāng)入射光照射在光敏元件陣列上，梳狀電極施加高電壓時，光敏元件聚集光電荷，進行光積分。光電荷與光照強度和光積分時間成正比。在光積分時間結(jié)束時，轉(zhuǎn)移柵上的

40、電壓提高（平時低電壓），與CCD對應(yīng)的電極也同時處于高電壓狀態(tài)。然后，降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電荷并行地轉(zhuǎn)移到移位寄存器中。當(dāng)轉(zhuǎn)移完畢，轉(zhuǎn)移柵電壓降低，梳狀電極電壓回復(fù)原來的高壓狀態(tài)，準(zhǔn)備下一次光積分周期。同時，在電荷耦合移位寄存器上加上時鐘脈沖，將存儲的電荷從CCD中轉(zhuǎn)移，由輸出端輸出。這個過程重復(fù)地進行就得到相繼的行輸出，從而讀出電荷圖形。圖8-28 線型CCD圖像傳感器 目前，實用的線型CCD圖像傳感器為雙行結(jié)構(gòu)如圖8-34b示。單、雙數(shù)光敏元件中的信號電荷分別轉(zhuǎn)移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脈沖的作用下，自左向右移動，在輸出端交替合并輸出，這樣就形成了原來光

41、敏信號電荷的順序。我國能生產(chǎn)多到2000單元以上的線型圖像傳感器，國際水平達5732個單元。線型圖像傳感器只能用于一維檢測系統(tǒng)；為了能傳送平面圖像信息，必須增加自動掃描機構(gòu)；或者直接使用面型CCD圖像傳感器。（三）面型CCD圖像傳感器 面型CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號存儲區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移部分組成。目前存在三種典型結(jié)構(gòu)形式，如圖8-29所示。圖8-29 面型CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu) 圖（a）所示結(jié)構(gòu)由行掃描電路、垂直輸出寄存器，感光區(qū)和輸出二極管組成。行掃描電路將光敏元件內(nèi)的信息轉(zhuǎn)移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器將信息轉(zhuǎn)移到輸出二極管，輸出信號由信號處理電路轉(zhuǎn)換為視頻圖像信號。這種結(jié)構(gòu)容易引起

42、圖像模糊。 圖（b）所示結(jié)構(gòu)增加了具有公共水平方向電極的不透光的信息存儲區(qū)。在正常垂直回掃周期內(nèi)，具有公共水平方向電極的感光區(qū)所積累的電荷同樣迅速下移到信息存儲區(qū)。在垂直回掃結(jié)束后，感光區(qū)回復(fù)到積光狀態(tài)。在水平消匿周期內(nèi)，存儲區(qū)的整個電荷圖像向下移動，每次總是將存儲區(qū)最底部一行的電荷信號移到水平讀出器，該行電荷在讀出移位寄存器中向右移動以視頻信號輸出。當(dāng)整幀視頻信號自存儲移出后，就開始下一幀信號的形成。該CCD結(jié)構(gòu)具有單元密度高、電極簡單等優(yōu)點，但增加了存儲器。 圖（c）所示結(jié)構(gòu)是用得最多的一種結(jié)構(gòu)形式。它將圖（b）中感光元件與存儲元件相隔排列。即一列感光單元，一列不透光的存儲單元交替排列。在

43、感光區(qū)光敏元件積分結(jié)束時，轉(zhuǎn)移控制柵打開，電荷信號進入存儲區(qū)。隨后，在每個水平回掃周期內(nèi)，存儲區(qū)中整個電荷圖像一次一行地向上移到水平讀出移位寄存器中。接著這一行電荷信號在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件，形成視頻信號輸出。這種結(jié)構(gòu)的器件操作簡單，但單元設(shè)計復(fù)雜，轉(zhuǎn)移信號必須透光，感光單元面積減小，但圖像清晰。 目前，面型CCD圖像傳感器使用得越來越多，所能生產(chǎn)的產(chǎn)品的單元數(shù)也越來越多，最多已達10241024像元。我國能生產(chǎn)512320像元的面型CCD圖像傳感器。8.5 光電傳感器應(yīng)用舉例光電傳感器應(yīng)用舉例8.5.1 煙塵濁度監(jiān)測儀煙塵濁度監(jiān)測儀防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一。為了消除

44、工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進行監(jiān)測，自動顯示和超標(biāo)報警。煙道里的煙塵濁度是通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達光檢測器上的光減少，因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。圖8-30 吸收式煙塵濁度監(jiān)測儀框圖 圖8-30是吸收式煙塵濁度監(jiān)測系統(tǒng)的組成框圖。為了檢測出煙塵中對人體危害性最大的亞微米顆粒的濁度和避免水蒸氣和二氧化碳對光源衰減的影響，選取可見光作光源（400700nm的白熾光）。光檢測器光譜響應(yīng)范圍為400600nm的光電管，獲取隨濁度變化的相應(yīng)電信號。為了提高檢測靈敏度，采用具有

45、高增益、高輸入阻抗、低零漂、高共模抑制比的運算放大器，對信號進行放大?？潭刃Ｕ挥脕磉M行調(diào)零與調(diào)滿刻度，以保證測試準(zhǔn)確性。顯示器可顯示濁度瞬時值。報警電路由多諧振蕩器組成，當(dāng)運算放大器輸出濁度信號超過規(guī)定值時，多諧振蕩器工作，輸出信號經(jīng)放大后推動喇叭發(fā)出報警信號。8.5.2 8.5.2 光電轉(zhuǎn)速傳感器光電轉(zhuǎn)速傳感器 圖8-31是光電數(shù)字轉(zhuǎn)速表的工作原理圖。圖（a）是在待測轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的調(diào)置盤，在調(diào)置盤一邊由白熾燈2產(chǎn)生恒定光，透過盤上小孔到達光敏二極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號，經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定。 圖（b）是在待測轉(zhuǎn)速的軸上固定一個

46、涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射率。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷的接收光的反射信號，轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。每分鐘轉(zhuǎn)速n與脈沖頻率f的關(guān)系如下： 60fnN式中N為孔數(shù)或黑白條紋數(shù)目。例如：孔數(shù)N = 600 孔，光電轉(zhuǎn)換器輸出的脈沖信號頻率f= 4.8kHZ，則 轉(zhuǎn)。34.8106060480600fnN圖8-31 光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表原理圖 頻率可用一般的頻率計測量。光電器件多采用光電池、光敏二極管和光敏三極管，以提高壽命、減小體積、減小功耗和提高可靠性。圖8-32 光電脈沖轉(zhuǎn)換電路 光電轉(zhuǎn)換電路如圖8-32所示。BG1為光敏三極管，當(dāng)照射BG1時，產(chǎn)生光電流，使R

47、1上壓降增大，導(dǎo)致晶體管BG2導(dǎo)通，觸發(fā)由晶體管BG3和BG4組成的射極耦合觸發(fā)器，使U0為高電位。反之，U0為低電位。該脈沖信號U0可送到計數(shù)電路計數(shù)。8.68.6* * 太陽能電池太陽能電池8.6.18.6.1太陽能電池發(fā)電方式太陽能電池發(fā)電方式太陽能發(fā)電方式：太陽能發(fā)電有兩種方式，一種是光熱電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光電直接轉(zhuǎn)換方式。（1）光熱電轉(zhuǎn)換方式通過利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成蒸氣，再驅(qū)動汽輪機發(fā)電。前一個過程是光熱轉(zhuǎn)換過程；后一個過程是熱電轉(zhuǎn)換過程。太陽能熱發(fā)電的缺點：效率很低而成本很高，它的投資至少要比普通火電站貴510倍。一座1000MW的

48、太陽能熱電站需要投資2025億美元，平均1kW的投資為20002500美元。因此，目前只能小規(guī)模地應(yīng)用于特殊的場合，而大規(guī)模利用在經(jīng)濟上很不合算，還不能與普通的火電站或核電站相競爭。 （2）光電直接轉(zhuǎn)換方式：該方式是利用光電效應(yīng)，將 太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，光電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當(dāng)許多個電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。太陽能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)

49、點。太陽能電池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長期使用；與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽能電池不會引起環(huán)境污染；太陽能電池可以大中小并舉，大到百萬千瓦的中型電站，小到只供一戶用的太陽能電池組，這是其它電源無法比擬的。8.6.48.6.4太陽能電池及太陽能發(fā)電前景簡析太陽能電池及太陽能發(fā)電前景簡析 目前，太陽能電池的應(yīng)用已從軍事領(lǐng)域、航天領(lǐng)域進入工業(yè)、商業(yè)、農(nóng)業(yè)、通信、家用電器以及公用設(shè)施等部門，尤其可以分散地在邊遠(yuǎn)地區(qū)、高山、沙漠、海島和農(nóng)村使用，以節(jié)省造價很貴的輸電線路。但是在目前階段，它的成本還很高，發(fā)出1kW電需要投資上萬美元，因此大規(guī)模使用仍然受到經(jīng)濟上的限制。 但是，從

50、長遠(yuǎn)來看，隨著太陽能電池制造技術(shù)的改進以及新的光電轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)明，各國對環(huán)境的保護和對再生清潔能源的巨大需求，太陽能電池仍將是利用太陽輻射能比較切實可行的方法，可為人類未來大規(guī)模地利用太陽能開辟廣闊的前景。8.6.58.6.5太陽能電池的分類太陽能電池的分類 太陽能電池按結(jié)晶狀態(tài)可分為結(jié)晶系薄膜式和非結(jié)晶系薄膜式兩大類，而前者又分為單結(jié)晶形和多結(jié)晶形。 按材料可分為硅薄膜形、化合物半導(dǎo)體薄膜形和有機膜形，而化合物半導(dǎo)體薄膜形又分為非結(jié)晶形等。 太陽能電池根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池還可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池、有機太陽能電

51、池，其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。（1）硅太陽能電池硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。 單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實驗室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時的效率為15%。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于單晶硅成本價格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代產(chǎn)品。 多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實驗室最高轉(zhuǎn)換效率為18%，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。因此，多晶硅薄膜電池不久將會在

52、太陽能電池市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。非晶硅薄膜太陽能電池成本低重量輕，轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實際應(yīng)用。如果能進一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么，非晶硅大陽能電池?zé)o疑是太陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。（2）多元化合物薄膜太陽能電池 多元化合物薄膜太陽能電池材料為無機鹽，其主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。 硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此，并不是晶體硅太陽能電池最

53、理想的替代產(chǎn)品。 砷化鎵（GaAs）III-V化合物電池的轉(zhuǎn)換效率可達28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率，抗輻照能力強，對熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)電池。但是GaAs材料的價格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。 銅銦硒薄膜電池（簡稱CIS）適合光電轉(zhuǎn)換，不存在光致衰退問題，轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣。具有價格低廉、性能良好和工藝簡單等優(yōu)點，將成為今后發(fā)展太陽能電池的一個重要方向。唯一的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展又必然受到限制。（3）聚合物多層修飾電極型太陽能電池以有機聚合物代替無機材料是剛剛開始的一個太陽能電

54、池制造的研究方向。由于有機材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本底等優(yōu)勢，從而對大規(guī)模利用太陽能，提供廉價電能具有重要意義。但以有機材料制備太陽能電池的研究僅僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實用意義的產(chǎn)品，還有待于進一步研究探索。（4）納米晶太陽能電池 納米TiO2晶體化學(xué)能太陽能電池是新近發(fā)展的，優(yōu)點在于它廉價的成本和簡單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/51/10壽命能達到2O年以上。但由于此類電池的研究和開發(fā)剛剛起步，估計不久的將來會逐步走上市場。（5）有機太陽能電池 有機太陽能電池，顧名思

55、義，就是由有機材料構(gòu)成核心部分的太陽能電池。大家對有機太陽能電池不熟悉，這是情理中的事。如今太陽能電池里，95以上是硅基的，而剩下的不到5也是由其它無機材料制成的。 8.6.7 光電池應(yīng)用 光電池至今主要有兩大類型的應(yīng)用：一類是將光電池作光伏器件使用，利用光伏作用直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，即太陽能電池。這是全世界范圍內(nèi)人們所追求、探索新能源的一個重要研究課題。太陽能電池已在宇宙開發(fā)、航空、通訊設(shè)施、太陽電池地面發(fā)電站、日常生活和交通事業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。目前太陽電池發(fā)電成本尚不能與常規(guī)能源競爭，但是隨著太陽電池技術(shù)不斷發(fā)展，成本會逐漸下降，太陽電池定將獲得更廣泛的應(yīng)用。另一類是將光電池作光電轉(zhuǎn)換器

56、件應(yīng)用，需要光電池具有靈敏度高、響應(yīng)時間短等特性，但不象太陽電池那樣要求較高的光電轉(zhuǎn)換效率。這一類光電池需要特殊的制造工藝，主要用于光電檢測和自動控制系統(tǒng)中。光電池的應(yīng)用舉例如下(一)太陽電池電源 太陽電池電源系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負(fù)載供電，則加一個直流交流變換器，太陽電池電源系統(tǒng)框圖如圖8-33所示。圖8-33 太陽能電池電源系統(tǒng)方框圖 太陽電池方陣是將太陽輻射直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。按輸出功率和電壓的要求選用若干片性能相近的單體太陽電池，經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)連接后封裝成一個可以單獨作電源使用得太陽電池組件。然后由多個該組件再經(jīng)串、并聯(lián)構(gòu)成一個

57、陣列。在有太陽光照射時，太陽電池方陣發(fā)電并對負(fù)載供電，同時也對蓄電池組充電，存儲能量，供無太陽光照射時使用。 蓄電池組的作用是將太陽電池方陣在白天有太陽光照射時所發(fā)出的電量的多余能量（超過用電裝置需要）貯存起來的貯能裝置。調(diào)節(jié)控制器是將太陽電池方陣、蓄電池組和負(fù)載連接起來，實現(xiàn)充、放電自動控制的中間控制器，它一般由繼電器和電子線路組成?？刂破髟诔潆婋妷哼_到蓄電池上限電壓時，它能自動地切斷充電電路，停止對蓄電池供電。當(dāng)蓄電池電壓低于下限值時，自動切斷輸出電路。 因此，調(diào)節(jié)控制器不僅能使蓄電池供電電壓保持在一定范圍，而且能防止蓄電池因充電電壓過高或過低而損傷。 圖8-34給出了一種12V電池充電電路。它適用于12V的凝膠電解質(zhì)鉛酸電池充電。其中LM350是一個正輸出三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器，它可以提供1.25V33V，3A的輸出。當(dāng)開關(guān)S合上時，充電器的輸出電壓為14.5V，此時充電電流限制在2A左右，隨著電池電壓的升高，充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流減小到150時，充電器轉(zhuǎn)換到一個較低的浮動充電電壓，以防止過充電。隨著向電池的滿量充電，充電電流繼續(xù)減小，則輸出電壓從14.5V降