【正文】 光電池的溫度特性是指開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。 20 0 40 60 90 40 60 UOC/ mV T / 186。 它和光電池相比 ， 重要的不同點(diǎn)是 結(jié)面積小 ， 因此它的頻率特性特別好 。 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 。 其中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管 。 2CU系列以 NSi為襯底， 2DU系列以 PSi為襯底。 1. 光敏二極管 光敏二極管符號(hào)如圖 。 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 。 P N 光 光敏二極管符號(hào) RL 光 P N 光敏二極管接線 光敏二極管在沒(méi)有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小。當(dāng)光不照射時(shí)，光敏二極管處于載止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)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(shí)， PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子 空穴對(duì)，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(chǎng)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(guò) PN結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流 。光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測(cè)等方面的應(yīng)用。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在 P型半導(dǎo)體和 N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對(duì)）很厚的本征半導(dǎo)體。 由式 τ = CjRL與 f = 1/2πτ知， Cj小， τ則小，頻帶將變寬。另一個(gè)特點(diǎn)是，因?yàn)?I層很厚，在反偏壓下運(yùn)用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。 不足： I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。 （ 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(lái)工作的一種二極管 。 結(jié)區(qū)內(nèi)電場(chǎng)極強(qiáng) ， 光生電子在這種強(qiáng)電場(chǎng)中可得到極大的加速 ， 同時(shí)與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng) 。 當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時(shí) ， 電流增益可達(dá) 106， 即產(chǎn)生所謂的雪崩 。 噪聲大是這種管子目前的一個(gè)主要缺點(diǎn)。但由于 APD的響應(yīng)時(shí)間極短，靈敏度很高，它在光通信中應(yīng)用前景廣闊。其結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，具有電流增益 ,只是它的發(fā)射極一邊做的很大 ,以擴(kuò)大光的照射面積 ,且其基極不接引線。 當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時(shí) ,會(huì)產(chǎn)生電子 空穴對(duì) ,在內(nèi)電場(chǎng)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。 當(dāng)入射光的波長(zhǎng)增加時(shí) ， 相對(duì)靈敏度要下降 。 當(dāng)入射光的波長(zhǎng)縮短時(shí) ， 相對(duì)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(duì)不能到達(dá) PN結(jié) ， 因而使相對(duì)靈敏度下降 。 4000 8000 12022 16000 100 80 60 40 20 0 硅的峰值波長(zhǎng)為 9000197。由于鍺管的暗電流比硅管大 ， 因此鍺管的性能較差 。 0 500lx 1000lx 1500lx 2022lx 2500lx I/mA 2 4 6 20 40 60 80 光敏晶體管的伏安特性 （ 2）伏安特性 光敏三極管的伏安特性曲線如圖所示 。 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 。 U/V 光敏晶體管的光照特性 I / μA L/lx 200 400 600 800 1000 0 （ 3）光照特性 光敏三極管的光照特性如圖所示。它們之間呈現(xiàn)了近似線性關(guān)系。 暗電流 /mA 光電流 /mA 10 20 30 40 50 60 70 T /186。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。 （ 5）光敏三極管的頻率特性 光敏三極管的頻率特性曲線如圖所示 。 一般來(lái)說(shuō) ， 光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差 。硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好 。 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 。當(dāng)光照射時(shí)， P+， N， P三個(gè)區(qū)域及其間的勢(shì)壘區(qū)均有光子吸收，但是吸收的效率不同。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(duì)紅外光有較高的靈敏度。這一特性為識(shí)別顏色提供了可能性。 具體使用時(shí)，首先對(duì)該色敏器件進(jìn)行標(biāo)定，也就是測(cè)定在不同波長(zhǎng)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 。根據(jù)標(biāo)定曲線，實(shí)測(cè)出某一單色光的短路電流比值，即可確定該單色光的波長(zhǎng)。 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)。 1． CCD的結(jié)構(gòu)和基本原理 P型 Si 耗盡區(qū) 電荷轉(zhuǎn)移方向 Ф1 Ф2 Ф3 輸出柵 輸入柵 輸入二極管 輸出二極管 SiO2 CCD的 MOS結(jié)構(gòu) CCD是由若干個(gè)電荷耦合單元組成 ， 該單元的結(jié)構(gòu)如圖所示 。 將 MOS陣列加上輸入 、輸出端 ， 便構(gòu)成了 CCD。 其中的少數(shù)載流子 （ 電子 ）被吸收到最高正偏壓電極下的區(qū)域內(nèi) （ 如圖中Ф1極下 ） ， 形成電荷包 （ 勢(shì)阱 ） 。 如何實(shí)現(xiàn)電荷定向轉(zhuǎn)移呢 ？ 電荷轉(zhuǎn)移的控制方法 ，非常類(lèi)似于步進(jìn)電極的步進(jìn)控制方式 。 下面以三相控制方式為例說(shuō)明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過(guò)程 。 CCD電荷的注入通常有光注入 、電注入和熱注入等方式 。 當(dāng) P1極施加高電壓時(shí) ， 在 P1下方產(chǎn)生電荷包 （ t=t0） ；當(dāng) P2極加上同樣的電壓時(shí) ， 由于兩電勢(shì)下面勢(shì)阱間的耦合 ， 原來(lái)在 P1下的電荷將在 P P2兩電極下分布 （ t=t1） ；當(dāng) P1回到低電位時(shí) ， 電荷包全部流入 P2下的勢(shì)阱中 （ t=t2） 。 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 。 2．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并行且對(duì)應(yīng)的構(gòu)成一個(gè)主體 ,在它們之間設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵 ,如圖 (a)所示 。 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(shí) ,光敏元件聚集光電荷 ,進(jìn)行光積分 ,光電荷與光照強(qiáng)度和光積分時(shí)間成正比 。 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 。 同時(shí) ,在電荷耦合移位寄存器上加上時(shí)鐘脈沖 ,將存儲(chǔ)的電荷從 CCD中轉(zhuǎn)移 ,由輸出端輸出 。 目前 ， 實(shí)用的線型 CCD圖像傳感器為雙行結(jié)構(gòu) ， 如圖 （ b） 所示 。 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(hào)存儲(chǔ)區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移部分組成 。 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。這種結(jié)構(gòu)易于引起圖像模糊。 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(chǔ)區(qū) 。 在水平消隱周期內(nèi) ， 存儲(chǔ)區(qū)的整個(gè)電荷圖像向下移動(dòng) ， 每次總是將存儲(chǔ)區(qū)最底部一行的電荷信號(hào)移到水平讀出器 ，該行電荷在讀出移位寄存器中向右移動(dòng)以視頻信號(hào)輸出 。 該 CCD結(jié)構(gòu)具有單元密度高 、電極簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn) ， 但增加了存儲(chǔ)器 。它將圖 (b)中感光元件與存儲(chǔ)元件相隔排列。在感光區(qū)光敏元件積分結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)移控制柵打開(kāi)，電荷信號(hào)進(jìn)入存儲(chǔ)區(qū)。接著這一行電荷信號(hào)在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件，形成視頻信號(hào)輸出。 目前，面型 CCD圖像傳感器使用得越來(lái)越多，所能生產(chǎn)的產(chǎn)品的單元數(shù)也越來(lái)越多，最多已達(dá) 1024 1024像元。 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(shí)封裝在一個(gè)外殼內(nèi)組合而成的轉(zhuǎn)換元件 。 (a)金屬密封型 (b)塑料密封型 采用雙列直插式用塑料封裝的結(jié)構(gòu) 。 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 。 該形式采用高速開(kāi)關(guān)管構(gòu)成的高速光電耦合器 ,適用于較高頻率的裝置中。 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。為了消除工業(yè)煙塵污染 ， 首先要知道煙塵排放量 ，因此必須對(duì)煙塵源進(jìn)行監(jiān)測(cè) 、 自動(dòng)顯示和超標(biāo)報(bào)警 。 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(cè)器的光減少 ， 因而光檢測(cè)器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化 。 圖 (a)是在待測(cè)轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)置盤(pán)，在調(diào)置盤(pán)一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過(guò)盤(pán)上小孔到達(dá)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(hào)，經(jīng)過(guò)放大整形電路輸出整齊的脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(hào)，轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。 這是全世界范圍內(nèi)人們所追求 、 探索新能源的一個(gè)重要研究課題 。 目前太陽(yáng)電池發(fā)電成本尚不能與常規(guī)能源競(jìng)爭(zhēng) ， 但是隨著太陽(yáng)電池技術(shù)不斷發(fā)展 ， 成本會(huì)逐漸下降 ， 太陽(yáng)電池定將獲得更廣泛的應(yīng)用 。 這一類(lèi)光電池需要特殊的制造工藝 ， 主要用于光電檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中 。如果還需要向交流負(fù)載供電，則加一個(gè)直流－交流變換器，太陽(yáng)電池電源系統(tǒng)框圖如圖。 由于光電池工作時(shí)不需要外加電壓；光電轉(zhuǎn)換效率高 ， 光譜范圍寬 ， 頻率特性好 ， 噪聲低等 ， 它已廣泛地用于光電讀出 、光電耦合 、 光柵測(cè)距 、 激光準(zhǔn)直 、 電影還音 、紫外光監(jiān)視器和燃?xì)廨啓C(jī)的熄火保護(hù)裝置等 。 當(dāng)入射光通量相同時(shí) ， 執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定的方式工作或進(jìn)行跟蹤 。 光電池在檢測(cè)和控制方面應(yīng)用中的幾種基本電路 BG2 BG1 +12V C J R1 R2 (b) 光電開(kāi)關(guān) 圖 (b)所示電路為光電開(kāi)關(guān) ， 多用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中 。當(dāng)光電池受光照射時(shí) ， 產(chǎn)生較高的電動(dòng)勢(shì) ， 只要光強(qiáng)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(kāi)關(guān)目的 。 當(dāng)光電池受光照射時(shí) ， 使單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)翻轉(zhuǎn) ，改變其工作狀態(tài)或觸發(fā)器件 (如可控硅 )導(dǎo)通 。 在測(cè)量溶液濃度 、 物體色度、 紙張的灰度等場(chǎng)合 ， 可用該電路作前置級(jí) ， 把微弱光電信號(hào)進(jìn)行線性放大 ， 然后帶動(dòng)指示機(jī)構(gòu)或二次儀表進(jìn)行讀數(shù)或記錄 。 220V C1 路燈 CJD10 8V 200μ F 200μ F C2 C3 100μ F R1 R3 R5 R7 R4 R6 R7 R2 J 470kΩ 200kΩ 10kΩ BG1 280kΩ 25kΩ 57kΩ 10kΩ 路燈自動(dòng)控制器 BG2 BG3 BG4 2CR