光電傳感器簡介及應(yīng)用前景

張金晶

摘 要：社會(huì)的日益進(jìn)步，人類已然進(jìn)入了日新月異的信息時(shí)代，同時(shí)高效率的生產(chǎn)是不可缺少的環(huán)節(jié)。在生產(chǎn)過程中，對(duì)于產(chǎn)品的篩選以及傳送更是提高效率的根本手段之一，在此，光電傳感器發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，我國已將光電子檢測技術(shù)列入了優(yōu)先發(fā)展的科學(xué)技術(shù)之一。光電效應(yīng)是光敏傳感器的原理，即光敏材料在光照的條件下，部分電特性相應(yīng)發(fā)生變化。這種傳感器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，可靠性高，可測參數(shù)較多，反應(yīng)敏捷，是一種由光電材料構(gòu)成的器件。

關(guān)鍵字：光電效應(yīng) 光電傳感器 光敏材料

中圖分類號(hào)：TP212.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）07（c）-0235-02

20 世紀(jì)以來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，對(duì)光電傳感器的的需求也不斷增長。光子的響應(yīng)速度快，信息容量大，極快地吸引了科學(xué)家們的眼球，光子技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合做成的光電傳感器精度高，反應(yīng)敏捷，使得光電傳感器占領(lǐng)了越來越多的市場，有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

光電傳感器的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，采用光電元件作為檢測器件的傳感器。它把被測量的物理量轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，再通過光電元件轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。

1 理論基礎(chǔ)——光電效應(yīng)

光電效應(yīng)一般可分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩類。外光電效應(yīng)是在高于某種頻率的電磁波的照射下，某些物質(zhì)中的電子會(huì)被光子激發(fā)出來而形成電流，即光電子發(fā)射。如光電管、光電倍增管等。內(nèi)光電效應(yīng)是指光照射改變物體的電導(dǎo)率，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。如硅光電池、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等等。

根據(jù)光電子效應(yīng)理論，光子可看做高速運(yùn)動(dòng)的粒子，每種光子的能量為：

1/2mv^2=hv-w

（v為光波頻率，h為普朗克常數(shù)），可見光子的能量隨著頻率的增加而增大。如果光子之間能量的傳遞無損耗，電子能量將會(huì)進(jìn)一步增加，增加的能量一部分用于克服正離子的束縛，另一部分轉(zhuǎn)換成電子能量。

2 光電器件及其特性

2.1 光敏電阻

光敏電阻是利用光電導(dǎo)效應(yīng)的一種特殊的電阻，簡稱光電阻，又名光導(dǎo)管。它的電阻和光線的強(qiáng)弱有直接關(guān)系。光強(qiáng)度增加，則電阻減小；光強(qiáng)度減小，則電阻增大。

當(dāng)有光線照射時(shí)，電阻內(nèi)原本穩(wěn)定的電子受到激發(fā)，成為自由電子。所以光線越強(qiáng)，產(chǎn)生的自由電子也越多，電阻就越小。

據(jù)圖1可得，光強(qiáng)一定時(shí)，光敏電阻的光電流與光電壓成正相關(guān)，光強(qiáng)越大，光電壓增長也越快。

2.2 光敏二極管

光電二極管是一種能夠?qū)⒐飧鶕?jù)使用方式，換成電流或者電壓信號(hào)的光探測器。常見的傳統(tǒng)太陽能電池就是通過大面積的光電二極管來產(chǎn)生電能。

一個(gè)光電二極管的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)通常是一個(gè)PN結(jié)或者PIN結(jié)。當(dāng)光照射在結(jié)上時(shí)，具有能量的光子將激發(fā)出一個(gè)點(diǎn)子，與其他電子不同，被激發(fā)的電子可以自由運(yùn)動(dòng)，因此稱為自由電子，于此同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)帶正電的空穴，形成電子—空穴對(duì)。這樣的機(jī)制也被稱作是內(nèi)光電效應(yīng)。

由圖2可見，在一定光強(qiáng)的照射下，光電流趨于一恒定值，并不會(huì)隨光照的增強(qiáng)而變大。

2.3 光敏三極管

與普通三極管結(jié)構(gòu)相比，光敏三極管的結(jié)構(gòu)差異不大。不同之處是在于光敏三極管必須有一個(gè)對(duì)光敏感的PN結(jié)作為感光面，一般用集電結(jié)作為受光結(jié)，因此，光敏三極管實(shí)質(zhì)上是一種相當(dāng)于在基極和集電極之間接有光敏二極管的普通三極管。與三極管一樣，光敏三極管也具有電流放大作用，不同在于它的集電流不僅僅由基區(qū)控制，還受光輻射強(qiáng)度來控制。

由圖3可見，在光強(qiáng)很微弱的情況下，光電流并不發(fā)生改變，隨著光強(qiáng)的進(jìn)一步增強(qiáng)，其光電流在一定范圍內(nèi)逐漸增加，直至飽和。

2.4 硅光電池

硅光電池能將光能直接轉(zhuǎn)化成電能。它具有十分簡單的結(jié)構(gòu)，在一塊N型硅片上采用擴(kuò)散的方法摻入一些P型雜質(zhì)，形成一個(gè)大面積的PN結(jié)，P層十分薄，光線能穿透到P-N結(jié)上。當(dāng)有光照射時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這樣P型層中的電子擴(kuò)散到PN結(jié)附近，被電場的吸引力拉向N型層，N型層中的空穴擴(kuò)散到PN結(jié)附近，被排斥力推向P區(qū)，因此正負(fù)極之間產(chǎn)生電場，進(jìn)而產(chǎn)生電流；若停止光照，則少數(shù)載流子壽命結(jié)束后不會(huì)自發(fā)產(chǎn)生，電流就會(huì)消失。

據(jù)圖4可得，當(dāng)光強(qiáng)固定不變時(shí)，電池的光電流先保持不變，后逐漸減小，且減小速度越來越快。

3 光電傳感器的應(yīng)用

條形碼掃描筆應(yīng)該說是生活中最最常見的光電傳感器應(yīng)用了，掃描探頭在條形碼上移動(dòng)遇到黑色不透光線條時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)射的光被黑線吸收得不到反射，呈現(xiàn)高阻態(tài)，即截止?fàn)顟B(tài)。相反，遇到白色區(qū)域時(shí)，二極管發(fā)出的光線被白色區(qū)域反射倒光敏三極管的基極，產(chǎn)生電流從而到導(dǎo)通。光敏三極管將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理，就可以還原從而識(shí)別對(duì)應(yīng)的信息。

在軍事領(lǐng)域，光電傳感器主要應(yīng)用在激光武器。光電傳感器對(duì)紅外輻射和可見光非常靈敏，很輕易能變成激光攻擊的目標(biāo)。再者，電子系統(tǒng)極其容易受噪聲的干擾而出現(xiàn)故障。

結(jié)語：光電傳感器應(yīng)用廣泛，生活中有著許多應(yīng)用前景。比如，可以通過光電傳感器調(diào)節(jié)室內(nèi)亮度，根據(jù)室內(nèi)亮度進(jìn)而調(diào)節(jié)電腦（手機(jī)）屏幕亮度；另外，人體輻射的紅外線也是一種特殊的光，可以通過光電傳感器來感知人體溫度，并作出相應(yīng)反應(yīng)。隨著在光電傳感器上投入的精力越來越多，科技越來越發(fā)達(dá)，光電傳感器會(huì)使我們的生活更加方便。

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