傳感器應(yīng)用技術(shù) 課件 項(xiàng)目八 基于光電式傳感器倒車(chē)?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)與制作

傳感器應(yīng)用技術(shù)項(xiàng)目八基于光電式傳感器倒車(chē)?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)與制作光電效應(yīng)1.引入1860年英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋建立了電磁理論，認(rèn)識(shí)到光是一種電磁波，光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)有效地證明了光的反射、折射、干涉、衍射等現(xiàn)象。1900年德國(guó)物理學(xué)家普朗克提出了量子學(xué)說(shuō)，他認(rèn)為任何物質(zhì)反射或吸收的能量是一個(gè)最小能量單位（量子）的整數(shù)倍。1905年德國(guó)物理學(xué)家愛(ài)因斯坦用光量子學(xué)說(shuō)解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，并因此而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1.引入2.光電效應(yīng)—定義、分類(lèi)用光照射某一物體，可以看做物體受到一連串光子所襲擊，組成這種物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)。1、外光電效應(yīng)2、內(nèi)光電效應(yīng)3、光生伏特效應(yīng)2.光電效應(yīng)—外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)：

在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng)。

當(dāng)物體在光線照射作用下，一個(gè)電子吸收了一個(gè)光子的能量后，其中的一部分能量消耗于電子由物體內(nèi)逸出表面時(shí)所做的溢出功，另一部分則轉(zhuǎn)化為逸出電子的動(dòng)能。

根據(jù)能量守恒定律可得：h

=mv02/2+A0

式中，m—電子質(zhì)量；v0—逸出電子的初速度；

A0—電子溢出物體表面所需的功（或物體表面束縛能）。這也是著名的愛(ài)因斯坦光電方程式，它闡明了光電效應(yīng)的基本規(guī)律。2.光電效應(yīng)—內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)：在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱(chēng)為內(nèi)光電效應(yīng)。用光照射半導(dǎo)體時(shí)，若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，則禁帶中的電子吸收一個(gè)光子就足以躍遷到導(dǎo)帶，使被激發(fā)出來(lái)的電子成為一個(gè)自由電子，同時(shí)也產(chǎn)生一個(gè)空穴，從而增強(qiáng)了材料的導(dǎo)電性能，使材料的電阻值降低。一般來(lái)說(shuō)，照射的光線愈強(qiáng)，阻值變得愈低，半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電能力愈強(qiáng)。光照停止后，自由電子與空穴逐漸復(fù)合，電阻值又恢復(fù)到原值?；趦?nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管等。2.光電效應(yīng)—光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)：在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱(chēng)為光生伏特效應(yīng)。1）勢(shì)壘光電效應(yīng)。以PN結(jié)為例，當(dāng)光照射PN結(jié)時(shí)，若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，則使價(jià)帶的電子躍遷為導(dǎo)帶，產(chǎn)生自由電子-空穴對(duì)。在PN結(jié)阻擋層內(nèi)電場(chǎng)的作用下，被激發(fā)的電子移向N區(qū)的外側(cè)，被激發(fā)的空穴移向P區(qū)的外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動(dòng)勢(shì)。2.光電效應(yīng)—光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(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(shí)，有載流子濃度梯度將會(huì)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(duì)時(shí)，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(kuò)散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴(kuò)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，未被光照射部分帶負(fù)電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)?；诠馍匦?yīng)的光電元件有光電池。3.光電效應(yīng)—總結(jié)傳感器應(yīng)用技術(shù)項(xiàng)目八基于光電式傳感器倒車(chē)?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)與制作光電管引入光電效應(yīng)現(xiàn)象光電效應(yīng)的分類(lèi)如何利用這些現(xiàn)象來(lái)為人類(lèi)服務(wù)呢？結(jié)構(gòu)：陰極，陽(yáng)極和玻璃殼原理：當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí)，陰極就會(huì)發(fā)射電子，由于陽(yáng)極的電位高于陰極，在電場(chǎng)力的作用下，陽(yáng)極便收集到由陰極發(fā)射出來(lái)的電子，因此，在光電管組成的回路中形成了光電流I，并在負(fù)載電阻上輸出電壓。1.光電管的結(jié)構(gòu)及工作原理光電管是一種基于外光電效應(yīng)的基本光電轉(zhuǎn)換器件。光電管的結(jié)構(gòu)及工作原理1.光電管的結(jié)構(gòu)及工作原理

光電管的性能指標(biāo)主要有伏安特性、光電特性、光譜特性、響應(yīng)特性、響應(yīng)時(shí)間、峰值探測(cè)率、溫度特性等。

（1）光電管的伏安特性光電管的伏安特性是指在一定的光通量照射下，其陽(yáng)極與陰極之間的電壓與光電流I之間的關(guān)系。2.光電管的主要性能指標(biāo)

（2）光電管的光譜特性光電管的光譜特性通常是指陽(yáng)極和陰極之間所加電壓不變時(shí)，入射光的波長(zhǎng)（或頻率）與其絕對(duì)靈敏度的關(guān)系。它主要取決于陰極材料，不同陰極材料的光電管適用于不同的光譜范圍。

（3）光電管的光照（電）特性光照（電）特性是指光電管陽(yáng)極電壓和入射光頻譜不變的條件下，入射光的光通量與光電流之間的關(guān)系。2.光電管的主要性能指標(biāo)2.光電管的主要性能指標(biāo)光電管的光電特性曲線1表示氧銫陰極光電管的光照特性，光電流與光通量成線性關(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(chēng)為光電管的靈敏度。（4）光電管的暗電流

如果將光電管置于無(wú)光的黑暗環(huán)境中，當(dāng)施加正常的使用電壓時(shí)，光電管將產(chǎn)生微弱的電流，此電流稱(chēng)為暗電流。光電管的暗電流主要是由漏電流引起的。2.光電管的主要性能指標(biāo)3.光電管的應(yīng)用舉例3.光電管的應(yīng)用舉例4.光電管—總結(jié)光電管的結(jié)構(gòu)、工作原理光電管的主要性能指標(biāo)光電管的應(yīng)用傳感器應(yīng)用技術(shù)項(xiàng)目八基于光電式傳感器倒車(chē)?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)與制作光電倍增管（PMT）（1）結(jié)構(gòu)：

側(cè)窗式端窗式

光電倍增管由光陰極、次陰極（倍電極）以及陽(yáng)極三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖7-5（a）所示。光陰極由半導(dǎo)體材料銻銫制成；次陰極是在鎳或銅-鈹襯底上涂銻銫材料而形成的，通常為12～14級(jí)，多者達(dá)30級(jí)；陽(yáng)極是最后用來(lái)收集電子的，它輸出的是電壓脈沖。1.光電倍增管的結(jié)構(gòu)及工作原理1.光電倍增管的結(jié)構(gòu)及工作原理1.光電倍增管的結(jié)構(gòu)及工作原理（2）工作原理1）光子透過(guò)入射窗口射在光電陰極上；2）光電陰極上的電子受光子激發(fā)，離開(kāi)表面發(fā)射到真空中；3）光電子通過(guò)電場(chǎng)加速和電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增級(jí)上，倍增級(jí)將發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次電子，入射電子經(jīng)N級(jí)倍增級(jí)倍增后，光電子就放大N次；4）經(jīng)過(guò)倍增后的二次電子由陽(yáng)極收集，形成陽(yáng)極光電流。2.光電倍增管的主要參數(shù)和特性（1）光電倍增管的倍增系數(shù)與工作電壓的關(guān)系光電倍增管若倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù)為，則具有n個(gè)相同倍增極的光電倍增管的倍增系數(shù)為

因此陽(yáng)極電流為式中，

——光陰極的光電流此光電倍增管電流放大倍數(shù)為2.光電倍增管的主要參數(shù)和特性（2）光電倍增管的伏安特性陰極伏安特性：在入射到光電倍增管陰極面上的光通量一定時(shí)，陰極電流與陰極和第一倍增極之間的電壓（稱(chēng)陰極電壓）的關(guān)系曲線叫陰極伏安特性，經(jīng)研究，在陰極電壓較小時(shí)，陰極電流隨著陰極電壓的增大而增加，直到陰極電壓大于一定值后，陰極電流才趨向飽和，且與入射光通量成線性關(guān)系。陽(yáng)極伏安特性：在入射到光電倍增管陽(yáng)極面上的光通量一定時(shí)，陽(yáng)極電流與陽(yáng)極和末級(jí)倍增極之間的電壓（稱(chēng)陽(yáng)極電壓）的關(guān)系曲線叫陽(yáng)極伏安特性。性質(zhì)同陰極伏安特性。2.光電倍增管的主要參數(shù)和特性（3）光電倍增管的光電特性陽(yáng)極光電流與入射于光電陰極的光通量之間的函數(shù)關(guān)系，稱(chēng)為倍增管的光電特性。

對(duì)于較好的管子，在很寬的光通量范圍之內(nèi)，這個(gè)關(guān)系是線性的，即入射光通量小于10-4lm時(shí)，有較好的線性關(guān)系。光通量大，開(kāi)始出現(xiàn)非線性。2.光電倍增管的主要參數(shù)和特性（4）光電倍增管的暗電流如果將光電倍增管置于無(wú)光的黑暗環(huán)境中，當(dāng)施加正常的使用電壓時(shí)，光電倍增管將產(chǎn)生微弱的電流，此電流稱(chēng)為暗電流。實(shí)際上，很多物質(zhì)的參數(shù)都不會(huì)存在絕對(duì)的0值，就像世界上沒(méi)有完美的導(dǎo)體、沒(méi)有完美的絕緣體、沒(méi)有完美的圓、沒(méi)有完美的直線、沒(méi)有完美的對(duì)稱(chēng)、沒(méi)有完美的人生，我們只能追求相對(duì)完美，在一定范圍內(nèi)滿足要求即可接受。3.光電倍增管的應(yīng)用舉例光電倍增管用在光學(xué)測(cè)量?jī)x器和光譜分析儀器中。它能在低能級(jí)光度學(xué)和光譜學(xué)方面測(cè)量波長(zhǎng)200~1200納米的極微弱輻射功率。閃爍計(jì)數(shù)器的出現(xiàn)，擴(kuò)大了光電倍增管的應(yīng)用范圍。激光檢測(cè)儀器的發(fā)展與采用光電倍增管作為有效接收器密切有關(guān)。電視電影的發(fā)射和圖象傳送也離不開(kāi)光電倍增管。光電倍增管廣泛地應(yīng)用在冶金、電子、機(jī)械、化工、地質(zhì)、醫(yī)療、核工業(yè)、天文和宇宙空間研究等領(lǐng)域。PET-CT影像系統(tǒng)PMT陣列4.光電倍增管—總結(jié)謝謝！傳感器應(yīng)用技術(shù)光敏電阻（LDR）項(xiàng)目八基于光電式傳感器倒車(chē)?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)與制作1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)光敏電阻是采用半導(dǎo)體材料制作，利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的光電元件。它在光線的作用下其阻值往往變小，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光導(dǎo)效應(yīng)，因此，光敏電阻又稱(chēng)光導(dǎo)管。1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)2.光敏電阻的主要技術(shù)特性參數(shù)、特性暗電阻、暗電流

暗電阻、暗電流

溫度特性頻率特性光譜特性光電特性2.光敏電阻的主要技術(shù)特性（1）暗電阻、暗電流若將光敏電阻置于無(wú)光照的黑暗條件下，測(cè)得光敏電阻的阻值稱(chēng)為暗電阻，這時(shí)，在給定工作電壓下測(cè)得光敏電阻中的電流值稱(chēng)為暗電流。（2）亮電阻、光電流光敏電阻在光照下，測(cè)得的光敏電阻的阻值稱(chēng)為亮電阻，亮電阻一般在幾千歐姆。這時(shí)在工作電壓下測(cè)得的電流為亮電流。亮電流和暗電流之差稱(chēng)為光電阻的光電流。（3）光譜特性對(duì)于不同波長(zhǎng)的入射光，光敏電阻的相對(duì)靈敏度是不相同的。各種材料的光譜特性如圖所示，從圖中看出，每種光敏電阻對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光有著不同的靈敏度，硫化鎘的峰值在可見(jiàn)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(shí)應(yīng)當(dāng)把元件和光源的種類(lèi)結(jié)合起來(lái)考慮，才能獲得滿意的結(jié)果。2.光敏電阻的主要技術(shù)特性（4）光電特性光敏電阻的光電流與光照度之間的關(guān)系稱(chēng)為光電特性。如圖所示，光敏電阻的光電特性呈非線性。做檢測(cè)元件時(shí)，要對(duì)其值進(jìn)行曲線擬合，響應(yīng)曲線不連續(xù)，這是光敏電阻的缺點(diǎn)之一，在自動(dòng)控制中它常用作開(kāi)關(guān)式光電傳感器。2.光敏電阻的主要技術(shù)特性（5）頻率特性當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照時(shí)，光電流要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，光照突然消失時(shí)，光電流也不立刻為零，這說(shuō)明光敏電阻有時(shí)延特性。由于不同材料的光敏電阻時(shí)延特性不同，所以它們的頻率特性也不相同。2.光敏電阻的主要技術(shù)特性光敏電阻的頻率特性（6）溫度特性硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線如圖所示，從圖中可以看出，它的峰值隨著溫度上升向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。因此，在使用光敏電阻檢測(cè)時(shí)，為了能接受遠(yuǎn)紅外光，或?yàn)榱颂岣哽`敏度，要采取控制溫度的措施。2.光敏電阻的主要技術(shù)特性硫化鉛的光譜溫度特性3.光敏電阻的應(yīng)用

光敏電阻屬半導(dǎo)體光敏器件，除具靈敏度高，反應(yīng)速度快，光譜特性及r值一致性好等特點(diǎn)外，在高溫，多濕的惡劣環(huán)境下，還能保持高度的穩(wěn)定性和可靠性，可廣泛應(yīng)用于照相機(jī)，太陽(yáng)能庭院燈，草坪燈，驗(yàn)鈔機(jī)，石英鐘，音樂(lè)杯，禮品盒，迷你小夜燈，光聲控開(kāi)關(guān)，路燈自動(dòng)開(kāi)關(guān)以及各種光控玩具，光控?zé)麸棧瑹艟叩裙庾詣?dòng)開(kāi)關(guān)控制領(lǐng)域。3.光敏電阻的應(yīng)用（1）調(diào)光電路工作原理：

當(dāng)周?chē)饩€變?nèi)鯐r(shí)引起光敏電阻RG的阻值增加，使加在電容C上的分壓上升，進(jìn)而使可控硅的導(dǎo)通角增大，達(dá)到增大照明燈兩端電壓的目的。反之，若周?chē)墓饩€變亮，則RG的阻值下降，導(dǎo)致可控硅的導(dǎo)通角變小，照明燈兩端電壓也同時(shí)下降，使燈光變暗，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光照度的控制。3.光敏電阻的應(yīng)用（2）光控開(kāi)關(guān)電路工作原理：

當(dāng)照度下降到設(shè)置值時(shí)由于光敏電阻阻值上升激發(fā)VT1導(dǎo)通，進(jìn)而使得VT2也導(dǎo)通，VT2的激勵(lì)電流使繼電器工作，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外電路的控制。4.光敏電阻—總結(jié)謝謝！傳感器應(yīng)用技術(shù)光敏晶體管（光敏二極管、光敏三極管）項(xiàng)目八基于光電式傳感器倒車(chē)?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)與制作1.光敏二極管

光敏二極管結(jié)構(gòu)和普通二極管結(jié)構(gòu)相似，都有一個(gè)PN結(jié)，兩根電極引線，而且都是非線性器件，具有單向?qū)щ娦?。不同之處在于光敏二極管的PN結(jié)裝在管的頂部，可以直接受到光照射。1.光敏二極管

光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)，在無(wú)光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流也叫暗電流。當(dāng)光照射電敏二極管時(shí)，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子－空穴時(shí)，它們?cè)赑N結(jié)處的內(nèi)電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)，形成光電流。可見(jiàn)，光敏二極管能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。2.光敏三極管光敏三極管的靈敏度比光敏二極管高，但頻率特性較差，光敏三極管有兩個(gè)PN結(jié)，從而可以獲得電流增益，有PNP、NPN兩種類(lèi)型，與一般三極管很相似，不同之處是光敏晶體管的基極往往不接引線。實(shí)際上許多光敏晶體管僅集電極和發(fā)射機(jī)兩端有引線，尤其是硅平面光敏晶體管，因?yàn)槠湫孤╇娏骱苄?，因此一般不備基極外接點(diǎn)。2.光敏三極管當(dāng)入射光入射光使集電結(jié)附近產(chǎn)生光生電子－空穴對(duì)，它們?cè)赑N結(jié)處于內(nèi)電場(chǎng)的作用下，做定向運(yùn)動(dòng)形成光電流。因此，PN結(jié)的反向電流大大增加，由于光照射集電結(jié)，產(chǎn)生的光電流相當(dāng)于三極管的基極電流，因此集電極電流是光電流的β倍。因此，光敏三極管比光敏二極管具有更高的靈敏度。（1）光譜特性光敏晶體管的光譜特性是指在一定照度下，光敏管輸出的相對(duì)靈敏度與入射波長(zhǎng)之間的關(guān)系曲線。3.光敏晶體管的特性

一種晶體管只對(duì)一定波長(zhǎng)的入射光敏感，不管是硅管還是鍺管，當(dāng)入射光波長(zhǎng)超過(guò)一定值時(shí)，波長(zhǎng)增加，相對(duì)靈敏度下降。不同材料的光敏晶體管，其光譜響應(yīng)峰值波長(zhǎng)也不相同。硅管峰值波長(zhǎng)1.0μm左右，鍺管峰值波長(zhǎng)1.5μm左右。由于鍺管的暗電流大于硅管的暗電流，所以鍺管的性能比硅管性能差。故在探測(cè)可見(jiàn)光或赤熱物體時(shí)，都用硅管；而在紅外光探測(cè)時(shí)，采用鍺管較為管合適。（2）伏安特性改變光照就相當(dāng)于改變普通三極管的基極電流，從而得到一簇曲線。由圖可見(jiàn)，光敏晶體管的光電流比相同管型的二極管大上百倍。3.光敏晶體管的特性光敏晶體管的伏安特性（3）光照特性

光照特性曲線是指輸出電流與照度之間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出它們輸出電流與照度近似為線性關(guān)系。3.光敏晶體管的特性光敏晶體管的光照特性（4）溫度特性

光敏晶體管的溫度特性是指其暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。由曲線知：溫度變化對(duì)亮電流影響較??；對(duì)暗電流的影響很大，所以在應(yīng)用時(shí)在線路上采取措施進(jìn)行溫度補(bǔ)償，如果采用調(diào)制光信號(hào)放大，由于隔直電容的作用，可是暗電流隔斷，消除溫度影響。3.光敏晶體管的特性光敏晶體管的溫度特性

（5）頻率特性光敏晶體管的頻率響應(yīng)是指具有一定頻率的調(diào)制光照射時(shí)，光敏管輸出的光電流隨頻率的變化關(guān)系。減少負(fù)載電阻能提高響應(yīng)頻率，輸出降低。一般來(lái)說(shuō)，光敏三極管的頻率響應(yīng)要比光敏二極管差很多，鍺光敏三極管的頻率響應(yīng)比硅管小一個(gè)數(shù)量級(jí)。3.光敏晶體管的特性光敏晶體管的頻率特性（6）響應(yīng)時(shí)間工業(yè)用的硅光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間為10－5～10－7s左右。光敏三極管的頻率響應(yīng)比響應(yīng)的二極管月慢一個(gè)數(shù)量級(jí)。由此可知，要求快速響應(yīng)或入射光調(diào)制頻率比較高的時(shí)候，應(yīng)選擇時(shí)間常數(shù)較小的光敏二極管。3.光敏晶體管的特性光敏晶體管的頻率特性4.光敏晶體管的應(yīng)用光敏二極管主要用于自動(dòng)控制。如光耦合、光電讀出裝置、紅外線遙控裝置、紅外防盜、路燈的自動(dòng)控制、過(guò)程控制、編碼器、譯碼器等。由于光敏三極管具有電流放大作用，因此廣泛應(yīng)用于亮度測(cè)量、測(cè)速、光電開(kāi)關(guān)電路、光電隔離場(chǎng)合，例如對(duì)于光電耦合器就是利用光敏三極管和發(fā)光二極管結(jié)合，構(gòu)成光耦合器，簡(jiǎn)稱(chēng)光耦。光耦合器以光為媒介傳輸信號(hào)，它對(duì)輸入、輸出的電信號(hào)有良好的隔離作用。值得注意：光敏三極管通?；鶚O不引出，但一些光敏三極管的基極有引出，這種一般用于溫度補(bǔ)償和附加控制等場(chǎng)合。

一般要求靈敏度高，工作頻率低的開(kāi)關(guān)電路，選用光敏三極管，而要求光電流與照度成線性關(guān)系或要求在高頻率下工作時(shí)，應(yīng)采用光敏二極管。5.光敏晶體管—總結(jié)光敏晶體管光敏二極管、光敏三極管結(jié)構(gòu)工作原理特性光譜特性溫度特性伏安特性光照特性頻率特性響應(yīng)時(shí)間應(yīng)用謝謝！傳感器應(yīng)用技術(shù)光電池項(xiàng)目八基于光電式傳感器倒車(chē)?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)與制作引入一年內(nèi)到達(dá)地球表面的太陽(yáng)能總量約為1.892×10^24噸標(biāo)準(zhǔn)煤，是目前世界主要能源探明儲(chǔ)量的10,000倍。太陽(yáng)的壽命至少為40億年。與人類(lèi)歷史相比，太陽(yáng)能可以持續(xù)為地球供電的時(shí)間可以說(shuō)是無(wú)限的。這就決定了太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用將是人類(lèi)解決傳統(tǒng)能源短缺和枯竭的最有效途徑。單晶硅光電池稱(chēng)為硅光電池，非晶硅光電池稱(chēng)為太陽(yáng)能電池。以硅光電池為例：結(jié)構(gòu)：硅光電池是在一塊N型硅片上，用擴(kuò)散的方法摻入一些P型雜質(zhì)（如硼）形成一個(gè)大面積的PN結(jié)。原理：當(dāng)入射光子的能量足夠大時(shí)，P區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)光生電子—空穴對(duì)，在表面對(duì)光子的吸收最多，激發(fā)出的電子—空穴對(duì)也最多，越向內(nèi)部越小，因此，光生電子—空穴對(duì)的濃度由表面向內(nèi)部迅速下降，形成由表及里擴(kuò)散的自然趨勢(shì)。在PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的作用下，使擴(kuò)散到PN結(jié)附近的電子—空穴對(duì)分離，電子被拉到N型區(qū)，空穴則留在P型區(qū)，使N區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時(shí)間，新的平衡狀態(tài)建立后，PN結(jié)兩側(cè)就有一個(gè)穩(wěn)定的光電流或光生電動(dòng)勢(shì)輸出。1.光電池的結(jié)構(gòu)與工作原理1.光電池的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）光照特性下圖曲線指出了光生電勢(shì)和光生電流與光照度之間的關(guān)系。光電勢(shì)即開(kāi)路電壓UOC與照度E成非線性關(guān)系。光電池的短路電流ISC與照度成線性關(guān)系，而且受照面積越大，短路電流也越大。負(fù)載電阻RL越小，光電流與照度的線性關(guān)系越好，線性范圍越廣。所以光電池作為探測(cè)元件時(shí)，所用負(fù)載電阻的大小，應(yīng)根據(jù)照度或光強(qiáng)而定，當(dāng)照度較大時(shí)，為保證測(cè)量有線性關(guān)系，負(fù)載電阻應(yīng)較小。2.光電池的基本特性2.光電池的基本特性（2）光譜特性光電池的光譜特性決定于所用的材料。下圖的曲線1和2分別表示硒和硅光電池的光譜特性。從曲線可以看出，硒光電池在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長(zhǎng)在540nm附近，它適宜于探測(cè)可見(jiàn)光。如果硒光電池與適當(dāng)?shù)臑V光片配合，它的光譜靈敏度與人的眼睛很接近，可用它客觀地決定照度。硅光電池可以應(yīng)用的范圍為400~1100nm，峰值波長(zhǎng)在850nm附近，因此，對(duì)色溫為2854K的鎢絲燈光源，能得到很好的光譜響應(yīng)。光電池的光譜峰值位置不僅與制造光電池的材料有關(guān)，并且隨使用溫度的不同而有所移動(dòng)。2.光電池的基本特性（3）伏安特性負(fù)載電阻短接或很小時(shí)，負(fù)載線垂直或接近與垂直，它與伏安特性的交點(diǎn)為等距離，電流正比與照度，數(shù)值也較大。負(fù)載電阻增大時(shí)，交點(diǎn)的距離不等，例如3kΩ，這條負(fù)載線與伏安特性的交點(diǎn)相互間距離不等，即電流不與照度成正比。2.光電池的基本特性（4）頻率特性

頻率特性是指輸出電流和入射光的調(diào)制頻率之間的關(guān)系。當(dāng)光電池受到入射光照射時(shí)，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)需要一定的時(shí)間，入射光消失，電子-空穴對(duì)的復(fù)合也需要一定的時(shí)間，因此，當(dāng)入射光的調(diào)制頻率太高時(shí)，光電池的輸出光電流將下降。硅光電池的頻率特性要好一些，工作調(diào)制頻率可達(dá)數(shù)十千赫至數(shù)兆赫。而硒光電池的頻率特性較差，目前已經(jīng)很少使用。2.光電池的基本特性（5）溫度特性

光電池的光電壓隨溫度變化有較大的變化，溫度越高，電壓越低，溫度每升高1℃，電壓下降2~3mv，而光電流隨溫度變化很小。當(dāng)一起設(shè)備中的光電池作為檢測(cè)元件時(shí)，應(yīng)該考慮溫度漂移的影響，要采用各種溫度補(bǔ)償措施。光電池在強(qiáng)光光照下性能比較穩(wěn)定，但還與使用情況有關(guān)，應(yīng)該考慮光電池的工作溫度和散熱措施。如果硒光電池的結(jié)溫超過(guò)50℃，硅光電池的結(jié)溫超過(guò)200℃，就要破壞它們的晶體結(jié)構(gòu)，造成損壞。通常硅光電池使用的結(jié)溫不允許超過(guò)125℃。3.光電池的應(yīng)用光電池主要有兩方面的應(yīng)用：一是太陽(yáng)能電池，二是光電轉(zhuǎn)換器件。目前，光電池的應(yīng)用范圍進(jìn)一步被擴(kuò)展至機(jī)械儀表、自動(dòng)化遙測(cè)、遠(yuǎn)程遙控等領(lǐng)域。此外，光電池還被應(yīng)用在家庭生活當(dāng)中，并且逐漸成為家用電器的“能源中心”。太陽(yáng)能供電不受到季節(jié)、天氣、白晝等因素影響，可