【正文】 在測量溶液濃度 、 物體色度、 紙張的灰度等場合 ， 可用該電路作前置級 ， 把微弱光電信號進(jìn)行線性放大 ， 然后帶動指示機構(gòu)或二次儀表進(jìn)行讀數(shù)或記錄 。當(dāng)光電池受光照射時 ， 產(chǎn)生較高的電動勢 ， 只要光強大于某一設(shè)定的閾值 ， 系統(tǒng)就改變工作狀態(tài) ， 達(dá)到開關(guān)目的 。 當(dāng)入射光通量相同時 ， 執(zhí)行機構(gòu)按預(yù)定的方式工作或進(jìn)行跟蹤 。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。 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 。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接收光的反射信號，轉(zhuǎn)換為電脈沖信號。 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(dá)光檢測器的光減少 ， 因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化 。 該形式采用功能器件構(gòu)成的高速、高傳輸效率的光電耦合器。 2. 光電耦合器的組合形式 光電耦合器的組合形式有多種 ， 如圖 。 三、光電耦合器 光電耦合器是由一發(fā)光元件和一光電傳感器同時封裝在一個外殼內(nèi)組合而成的轉(zhuǎn)換元件 。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。它將圖 (b)中感光元件與存儲元件相隔排列。 在水平消隱周期內(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 。這種結(jié)構(gòu)易于引起圖像模糊。 轉(zhuǎn)移柵 光積分單元 不透光的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu) 光積分區(qū) 輸出 轉(zhuǎn)移柵 (a) (b) 線型 CCD圖像傳感器 輸出 3．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 。 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 。 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(jìn)行光積分 ,光電荷與光照強度和光積分時間成正比 。 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 。 CCD電荷的注入通常有光注入 、電注入和熱注入等方式 。 如何實現(xiàn)電荷定向轉(zhuǎn)移呢 ？ 電荷轉(zhuǎn)移的控制方法 ，非常類似于步進(jìn)電極的步進(jìn)控制方式 。 將 MOS陣列加上輸入 、輸出端 ， 便構(gòu)成了 CCD。 它的核心是 電荷轉(zhuǎn)移器件 CTD(Charge Transfer Device),最常用的是電荷耦合器件 CCD(Charge Coupled Device)。 具體使用時，首先對該色敏器件進(jìn)行標(biāo)定，也就是測定在不同波長光照射下，深結(jié)的短路電流 ISD2與淺結(jié)的短路電流 ISD1的比值 ISD2 / ISD1 。而紅外光部分吸收系數(shù)小，光子主要在深結(jié)處被吸收；因此，深結(jié)對紅外光有較高的靈敏度。 它是兩只結(jié)深不同的的光電二極管組合體 ， 其結(jié)構(gòu)和工作原理的等效電路如圖所示 。 一般來說 ， 光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差 。C 光敏晶體管的溫度特性 （ 4）溫度特性 光敏三極管的溫度特性曲線反映的是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。它們之間呈現(xiàn)了近似線性關(guān)系。 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 。由于鍺管的暗電流比硅管大 ， 因此鍺管的性能較差 。 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)的電子空穴對不能到達(dá) PN結(jié) ， 因而使相對靈敏度下降 。 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 ,在內(nèi)電場的作用下 ,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 β倍。但由于 APD的響應(yīng)時間極短，靈敏度很高，它在光通信中應(yīng)用前景廣闊。 當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時 ， 電流增益可達(dá) 106， 即產(chǎn)生所謂的雪崩 。 （ 2） 雪崩光電二極管 (APD) 雪崩光電二極管是利用 PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管 。另一個特點是，因為 I層很厚，在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。它的結(jié)構(gòu)特點是，在 P型半導(dǎo)體和 N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導(dǎo)體。當(dāng)光不照射時，光敏二極管處于載止?fàn)顟B(tài)，這時只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流即暗電流； 受光照射時， PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子 空穴對，從而使 P區(qū)和 N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下， P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入 N區(qū)， N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入 P區(qū)，從而使通過 PN結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流 。 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 。 2CU系列以 NSi為襯底， 2DU系列以 PSi為襯底。 按材料分 ， 光電二極管有硅 、 砷化鎵 、 銻化銦光電二極管等許多種 。 20 0 40 60 90 40 60 UOC/ mV T / 186。 圖示為光電池的頻率響應(yīng)曲線 。硅光電池應(yīng)用的范圍 400nm— 1100nm，峰值波長在 850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。 下圖表示硒光電池在不同負(fù)載電阻時的光照特性。 1. 光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理 + 光 P N － SiO2 RL (a) 光電池的結(jié)構(gòu)圖 I 光 (b) 光電池的工作原理示意圖 P N 光電池的表示符號 、 基本電路及等效電路如圖所示 。 它是在一塊 N型硅片上用擴散的辦法摻入一些 P型雜質(zhì) (如硼 )形成 PN結(jié) 。 ?砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高 ， 光譜響應(yīng)特性則與太陽光譜最吻合 。 如 ， 硒光電池 、 砷化鎵光電池 、 硅光電池等 。 由于它可把太陽能直接變電能 ， 因此又稱為太陽能電池 。 I / μA 100 150 200 50 10 30 50 10 30 T / 186。 隨著溫度的升高 ， 其暗電阻和靈敏度下降 ， 光譜特性曲線的峰值向波長短的方向移動 。 光敏電阻在開始一段時間的老化過程中 ， 有些樣品阻值上 I / % 40 80 120 160 2 1 T/h 0 400 800 1200 1600 升，有些樣品阻值下降，但最后達(dá)到一個穩(wěn)定值后就不再變了。 硫化鉛 的使用頻率比 硫化鎘 高得多，但多數(shù)光敏電阻的 時延都比較大，所以，它不能用在要求快速響應(yīng)的場合。 但是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 。 20 40 60 80 100 40 80 120 160 200 240 λ/μm 3 1 2 相對靈敏度 1—— 硫化鎘 2—— 硒化鎘 3—— 硫化鉛 （ 4） 伏安特性 在一定照度下 ， 加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特性 。 一般在自動控制系統(tǒng)中用作光電開關(guān) 。 （ 2）光照特性 下圖表示 CdS光敏電阻的光照特性 。 光電流： 亮電流與暗電流之差 。 RG RL E I 2. 光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性 （ 1）暗電阻、亮電阻、光電流 暗電流： 光敏電阻在室溫條件下 ， 全暗 （ 無光照射 ）后經(jīng)過一定時間測量的電阻值 ， 稱為暗電阻 。 CdS光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號 光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響 ， 因此要將導(dǎo)光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在玻璃殼體中 。 7電阻引線 。 3金屬外殼 。 光導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng) ， 只限于光照的表面薄層 ， 雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴散到內(nèi)部去 ， 但擴散深度有 A 金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu)圖 光導(dǎo)電材料 絕緣襯低 引線 電極 引線 光電導(dǎo)體 限 ， 因此光電導(dǎo)體一般都做成薄層 。 為實現(xiàn)能級的躍遷 ，入射光的能量必須大于光導(dǎo)體材料的禁帶寬度 Eg， 即 hν= = ≥Eg(eV) 式中 ν和 λ— 入射光的頻率和波長 。 一、光敏電阻 光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強而減小。 光電倍增管的光照特性 與直線最大偏離是 3% 10－ 13 10－ 10 10－ 9 10－ 7 10－ 5 10－ 3 10－ 1 在 45mA處飽和 10－ 14 10－ 10 10－ 6 10－ 2 光通量 /1m 陽極電流/ A （ 4） 光電倍增管的光譜特性 光譜特性反應(yīng)了光電倍增管的陽極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間的函數(shù)關(guān)系。 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。對所加電壓越穩(wěn)越好，這樣可以減小統(tǒng)計漲落，從而減小測量誤差。 如果 n個倍增電極的 δ都相同 ，則 M= 因此 ， 陽極電流 I 為 I = i 即光電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)幾萬倍到幾百萬倍。 二、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 μA， 很不容易探測 。對 紫外光源 ，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。其紅限 λ0=7000197。 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 υ0，因此它們可用于不同的光譜范圍。曲線 2為 銻銫陰極的光電管光照特性，它成非線性關(guān)系。 它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù) 。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。 一、光電管及其基本特性 光電管的結(jié)構(gòu)示意圖 光 陽極 光電陰極 光窗 1. 結(jié)構(gòu)與工作原理 光電管有真空光電管和充氣光電管或稱電子光電管和離子光電管兩類。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，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴散。 接觸的半導(dǎo)體和 PN結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時，便引起光電動勢， 這就是結(jié)光電效應(yīng)。 式中 ν、 λ分別為入射光的頻率和波長。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為 光電導(dǎo)效應(yīng) 和 光生伏特效應(yīng) 兩類： （ 1） 光電導(dǎo)效應(yīng) 在光線作用，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，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng) 。即光強愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。 ?光電子能否產(chǎn)生 ， 取決于光電子的能量是否大于該物