光電轉(zhuǎn)換的原理說(shuō)明

光電轉(zhuǎn)換原理

光電轉(zhuǎn)換是通過(guò)光伏效應(yīng)把太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程。這一過(guò)程的原理是光子將能量傳遞給電子使其運(yùn)動(dòng)從而形成電流。這一過(guò)程有兩種解決途徑，最常見的一種是使用以硅為主要材料的固體裝置，另一種則是使用光敏染料分子來(lái)捕獲光子的能量。染料分子吸收光子能量后將使半導(dǎo)體中的帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴分離。

被攝景物通過(guò)攝像機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)在光電靶上成像，由于光像各點(diǎn)亮度不同，因而使靶面各單元受光照的強(qiáng)度不同，導(dǎo)致靶面各單元的電阻值不同。與較亮像素對(duì)應(yīng)的靶單元阻值較小，與較暗像素對(duì)應(yīng)的靶單元阻值較大，這樣一幅圖像上各像素的不同亮度就表現(xiàn)為靶面上各單元的不同電阻值，原來(lái)按照明暗分布的“光像”就變成了相應(yīng)的“電像”。

從電子槍陰極發(fā)出的電子，在電子槍電場(chǎng)作用下高速射向靶面，并在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下按照掃描規(guī)律掃過(guò)靶面上的各個(gè)單元。當(dāng)電子束接觸到靶面某個(gè)單元時(shí)，使陰極、光電靶、負(fù)載電阻RL及電源E構(gòu)成一個(gè)回路。在負(fù)載RL中有電流流過(guò)，其電流大小取決于光電靶在該單元的電阻值大小。光照強(qiáng)處對(duì)應(yīng)阻值較小，流過(guò)負(fù)載RL的電流就較大，因而RL兩端產(chǎn)生的壓降也就較大。負(fù)載電阻RL上形成電壓就是攝像管輸出的圖像信號(hào)。

光電轉(zhuǎn)換過(guò)程（圖像的攝取過(guò)程）：被攝景物通過(guò)攝像機(jī)的光學(xué)鏡頭在光電靶上成像，被電子束將這幅圖像分解為像素，同時(shí)把各個(gè)像素的亮度轉(zhuǎn)變?yōu)樵谪?fù)載電阻RL上大小不同的電壓降，從而形成攝像管輸出信號(hào)。

光電轉(zhuǎn)換材料

是通過(guò)光生伏特效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的材料。主要用于制作太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)是一個(gè)巨大的能源庫(kù)，地球上一年中接收到的太陽(yáng)能高達(dá)1.8×10 （18次方） 千瓦時(shí)。研究和發(fā)展光電轉(zhuǎn)換材料的目的是為了利用太陽(yáng)能。光電轉(zhuǎn)換材料的工作原理是：將相同的材料或兩種不同的半導(dǎo)體材料做成PN結(jié)電池結(jié)構(gòu)，當(dāng)太陽(yáng)光照射到PN結(jié)電池結(jié)構(gòu)材料表面時(shí)，通過(guò)PN結(jié)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。太陽(yáng)能電池對(duì)光電轉(zhuǎn)換材料的要求是轉(zhuǎn)換效率高、能制成大面積的器件，以便更好地吸收太陽(yáng)光。已使用的光電轉(zhuǎn)換材料以單晶硅、多晶硅和非晶硅為主。用單晶硅制作的太陽(yáng)能電池，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)20%，但其成本高，主要用于空間技術(shù)。多晶硅薄片制成的太陽(yáng)能電池，雖然光電轉(zhuǎn)換效率不高（約10%），但價(jià)格低廉，已獲得大量應(yīng)用。此外，化合物半導(dǎo)體材料、非晶硅薄膜作為光電轉(zhuǎn)換材料，也得到研究和應(yīng)用。

半導(dǎo)體光電器件是把光和電這兩種物理量聯(lián)系起來(lái)，使光和電互相轉(zhuǎn)化的新型半導(dǎo)體器件。光電器件主要有：利用半導(dǎo)體光敏特性工作的光電導(dǎo)器件、利用半導(dǎo)體光伏打效應(yīng)工作的光電池和半導(dǎo)體發(fā)光器件等。

一、 光電導(dǎo)器件

半導(dǎo)體材料的光敏特性，即當(dāng)半導(dǎo)體材料受到一定波長(zhǎng)光線的照射時(shí)，其電阻率明顯減小，或說(shuō)電導(dǎo)率增大的特性。這個(gè)現(xiàn)象也叫半導(dǎo)體的光電導(dǎo)特性。利用這個(gè)特性制作的半導(dǎo)體器件叫光電導(dǎo)器件。半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率是由載流子濃度決定的。載流子就是由半導(dǎo)體原子 逸出來(lái)的電子及其留下的空位----- 空穴。電從原子中逃逸出來(lái)，必須吉兇服原子的束縛而做功，而光照正是向電子提供能量，使它有能力逃逸出來(lái)的一種形式。因此，光照可以改變載流子的濃度，從而必變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。光電導(dǎo)器件主要有光敏電阻、光電二極管光電三極管等。

1、光敏電阻

這是一種半導(dǎo)體電阻。在沒有光照時(shí)，電阻很大;在一定波長(zhǎng)范圍的光照下，電阻值明顯變小。制作光敏電阻的材料主要有硅、鍺、硫化鎘、銻化銦、硫化鉛、硒化鎘、硒化鉛等。硫化鎘光敏電阻對(duì)可見光敏感，用硫化鎘單晶制造的光敏電阻對(duì)X射線、γ射線也敏感；硫化鉛和銻化銦對(duì)紅線外線光敏感。利用這些光敏電阻可以制成各種光探測(cè)器。感光面積大的光敏電阻，可以獲得較大的明暗電阻差。如國(guó)產(chǎn)625-A型硫化鎘光敏電阻，其光照電阻小于50千歐，暗電阻大于50兆歐。

2、光電二極管

光電二極管的管芯也是一個(gè)PN結(jié)，只是結(jié)面積比普通二極管大，便于接收光線。但和普通二極管不同，光電二極管是在反向電壓下工作的。它的暗電流很小，只有0-1微安左右。在光線照射下產(chǎn)生的電子----空穴對(duì)叫光生載流子，它們參加導(dǎo)電會(huì)增大反向飽和電流。光生載流子的數(shù)量與光強(qiáng)度有關(guān)，因此，反向飽和電流會(huì)隨著光強(qiáng)的變化而變化，從而可以把光信號(hào)的變化轉(zhuǎn)為電流及電壓的變化。光電二極管主要用于近紅外探測(cè)器及光電轉(zhuǎn)換的自動(dòng)控制儀器中，還可以作為光導(dǎo)纖維通信的接收器件。

3、光電三極度管

光電三極管的結(jié)構(gòu)與普通三極度管相同，但基區(qū)面積較大，便函于接收更多的入射光線。入射光在基區(qū)激發(fā)出電子----空穴時(shí)，形成基極電流，而集電極電流是基極電流β倍，因此光照便能有效地控制集電極電流。光電三極管比光電二極管有更高的靈敏度。

二、光伏打器件----硅光電池

半導(dǎo)體PN結(jié)在受到光照射時(shí)能產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)，叫光伏打效應(yīng)。硅光電池就是利用光伏打效應(yīng)將光能直接換成電能的半導(dǎo)體器件。

硅光電池就是一個(gè)大面積PN結(jié)。光照可以使薄薄的P型區(qū)產(chǎn)生大量的光生載流子。這些光生電子和空穴，會(huì)向PN結(jié)方向擴(kuò)散。擴(kuò)散過(guò)程中，一部分電子和空穴復(fù)合消失，大部分?jǐn)U散到PN結(jié)邊緣。在結(jié)電場(chǎng)的作用下，大部分光生空穴被電場(chǎng)推回P型區(qū)而不能穿越PN結(jié)；大部分光生電阻卻受到結(jié)電場(chǎng)的加速作用穿越PN結(jié)，到達(dá)N型區(qū)。隨著光生電子在N型區(qū)的積累及光生空穴在P型號(hào)區(qū)的積累，會(huì)在在PN對(duì)的兩側(cè)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的電位差，這就是光生電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)光電池兩端接有負(fù)載時(shí)，將有電流流過(guò)負(fù)載，起著電池的作用。

硅光電池的用途極度為廣泛。主要用于下述幾個(gè)方面：

能源----硅光電池串聯(lián)或并聯(lián)組成電池組與鎳鎘電池配合、可作為人造成衛(wèi)星、宇宙飛船、航標(biāo)燈、無(wú)人氣象站等設(shè)備的電源；也可做電子手表、電子計(jì)算器、小型號(hào)汽車、游艇等的電源。

光電檢測(cè)器件----用作近紅外探測(cè)器、光電讀出、光電耦合、激光準(zhǔn)直、電影還音等設(shè)備的光感受器。

光電控制器件----用作光電開關(guān)等光電控制設(shè)備的轉(zhuǎn)換器件。

三、半導(dǎo)體發(fā)光器件

半導(dǎo)體發(fā)光器件是一種將電能轉(zhuǎn)換成光能的器件。它包括發(fā)光二極管、紅外光源、半導(dǎo)體發(fā)光數(shù)字管等。

1、發(fā)光二極管

發(fā)光二極管的管芯也是一個(gè)PN結(jié)，并具有單向?qū)щ娦浴N結(jié)加上正向電壓時(shí)，電子由N區(qū)渡越（擴(kuò)散）到空間電荷區(qū)與空穴復(fù)合而釋放出能量。這些能量大部分以發(fā)光的形式出現(xiàn)，因此，可以直接將電能轉(zhuǎn)換成光能。發(fā)光二極管的發(fā)光顏色（波長(zhǎng)），困半導(dǎo)體材料及摻雜成分不同而不同。常用的有黃、綠、紅等顏色的發(fā)光二極管。

發(fā)光二極管工作電壓很低（1 5-3伏），工作電流很小（10-30毫安），耗電極省?？勺鳠艄庑盘?hào)顯示、快速光源，也呆同時(shí)起整流和發(fā)光兩種作用。

2、發(fā)光數(shù)字管

把磷化鎵發(fā)光管或磷化鎵發(fā)光管的管芯制成條狀，用七條發(fā)光管組成七段式數(shù)字顯示管，可以顯示從0到9的十個(gè)數(shù)字。這種半導(dǎo)體數(shù)字顯示管的優(yōu)點(diǎn)是體積小、耗電省、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快。它可以作為各種小型計(jì)算器及數(shù)字顯示儀表的數(shù)字顯示用。

3、光電耦合器

把半導(dǎo)體發(fā)光器件和光敏器件組合封閉裝在一起就組成了具有電---光---電轉(zhuǎn)換功能的光電耦合器。顯然，給耦合器輸入一個(gè)電信號(hào)，發(fā)光器件就發(fā)光，光被光接收器件接收后，又轉(zhuǎn)成換成電信號(hào)輸出。因?yàn)檩斎胫鬏敵鲋g用光進(jìn)行耦合。所以輸出端對(duì)輸入端沒有反饋，具有優(yōu)良的隔離性能和抗干擾性能。光電耦合器又是光電開關(guān)，這種光電開關(guān)不存在繼電器中機(jī)械點(diǎn)易疲勞的問(wèn)題，可靠性很高。

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