光电传感器简介及应用前景

张金晶

摘 要：社会的日益进步，人类已然进入了日新月异的信息时代，同时高效率的生产是不可缺少的环节。在生产过程中，对于产品的筛选以及传送更是提高效率的根本手段之一，在此，光电传感器发挥了至关重要的作用，我国已将光电子检测技术列入了优先发展的科学技术之一。光电效应是光敏传感器的原理，即光敏材料在光照的条件下，部分电特性相应发生变化。这种传感器结构相对简单，可靠性高，可测参数较多，反应敏捷，是一种由光电材料构成的器件。

关键字：光电效应 光电传感器 光敏材料

中图分类号：TP212.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（c）-0235-02

20 世纪以来，随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，对光电传感器的的需求也不断增长。光子的响应速度快，信息容量大，极快地吸引了科学家们的眼球，光子技术与微电子技术结合做成的光电传感器精度高，反应敏捷，使得光电传感器占领了越来越多的市场，有着巨大的发展潜力。

光电传感器的理论基础是光电效应，采用光电元件作为检测器件的传感器。它把被测量的物理量转化为光信号，再通过光电元件转化为电信号输出。

1 理论基础——光电效应

光电效应一般可分为外光电效应和内光电效应两类。外光电效应是在高于某种频率的电磁波的照射下，某些物质中的电子会被光子激发出来而形成电流，即光电子发射。如光电管、光电倍增管等。内光电效应是指光照射改变物体的电导率，称为光电导效应。如硅光电池、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等等。

根据光电子效应理论，光子可看做高速运动的粒子，每种光子的能量为：

1/2mv^2=hv-w

（v为光波频率，h为普朗克常数），可见光子的能量随着频率的增加而增大。如果光子之间能量的传递无损耗，电子能量将会进一步增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。

2 光电器件及其特性

2.1 光敏电阻

光敏电阻是利用光电导效应的一种特殊的电阻，简称光电阻，又名光导管。它的电阻和光线的强弱有直接关系。光强度增加，则电阻减小；光强度减小，则电阻增大。

当有光线照射时，电阻内原本稳定的电子受到激发，成为自由电子。所以光线越强，产生的自由电子也越多，电阻就越小。

据图1可得，光强一定时，光敏电阻的光电流与光电压成正相关，光强越大，光电压增长也越快。

2.2 光敏二极管

光电二极管是一种能够将光根据使用方式，换成电流或者电压信号的光探测器。常见的传统太阳能电池就是通过大面积的光电二极管来产生电能。

一个光电二极管的基础结构通常是一个PN结或者PIN结。当光照射在结上时，具有能量的光子将激发出一个点子，与其他电子不同，被激发的电子可以自由运动，因此称为自由电子，于此同时产生一个带正电的空穴，形成电子—空穴对。这样的机制也被称作是内光电效应。

由图2可见，在一定光强的照射下，光电流趋于一恒定值，并不会随光照的增强而变大。

2.3 光敏三极管

与普通三极管结构相比，光敏三极管的结构差异不大。不同之处是在于光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此，光敏三极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通三极管。与三极管一样，光敏三极管也具有电流放大作用，不同在于它的集电流不仅仅由基区控制，还受光辐射强度来控制。

由图3可见，在光强很微弱的情况下，光电流并不发生改变，随着光强的进一步增强，其光电流在一定范围内逐渐增加，直至饱和。

2.4 硅光电池

硅光电池能将光能直接转化成电能。它具有十分简单的结构，在一块N型硅片上采用扩散的方法掺入一些P型杂质，形成一个大面积的PN结，P层十分薄，光线能穿透到P-N结上。当有光照射时，半导体内产生电子-空穴对，这样P型层中的电子扩散到PN结附近，被电场的吸引力拉向N型层，N型层中的空穴扩散到PN结附近，被排斥力推向P区，因此正负极之间产生电场，进而产生电流；若停止光照，则少数载流子寿命结束后不会自发产生，电流就会消失。

据图4可得，当光强固定不变时，电池的光电流先保持不变，后逐渐减小，且减小速度越来越快。

3 光电传感器的应用

条形码扫描笔应该说是生活中最最常见的光电传感器应用了，扫描探头在条形码上移动遇到黑色不透光线条时，发光二极管发射的光被黑线吸收得不到反射，呈现高阻态，即截止状态。相反，遇到白色区域时，二极管发出的光线被白色区域反射倒光敏三极管的基极，产生电流从而到导通。光敏三极管将接收到的信号转化为脉冲信号，经过计算机处理，就可以还原从而识别对应的信息。

在军事领域，光电传感器主要应用在激光武器。光电传感器对红外辐射和可见光非常灵敏，很轻易能变成激光攻击的目标。再者，电子系统极其容易受噪声的干扰而出现故障。

结语：光电传感器应用广泛，生活中有着许多应用前景。比如，可以通过光电传感器调节室内亮度，根据室内亮度进而调节电脑（手机）屏幕亮度；另外，人体辐射的红外线也是一种特殊的光，可以通过光电传感器来感知人体温度，并作出相应反应。随着在光电传感器上投入的精力越来越多，科技越来越发达，光电传感器会使我们的生活更加方便。

参考文献

[1] 叶伟国.大学物理[M].北京：清华大学出版社，2012.

[2] 李科杰.现代传感技术[M].北京：电子工业出版社，2005.

[3] 刘爱华，满宝元.传感器原理及应用[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[4] 维基百科.