光電轉換的工作原理及應用

劉佳月

（石家莊市第一中學 河北省石家莊 050000）

光電轉換的工作原理及應用

劉佳月

（石家莊市第一中學 河北省石家莊 050000）

在現(xiàn)代社會科學技術快速發(fā)展的背景下，為了能夠更加全面深入的挖掘對光能的利用價值，便需要不斷強化對光電轉換原理的理解。本文具體分析光電轉換的工作原理，并分析光電轉換的具體應用。

光電轉換；工作原理；應用實例

光電器件是將光能轉換為電能的一種傳感器件，它是構成光電傳感器的主要部件。光電器件工作的物理基礎是光電效應。在光線作用下，物體的電導性能改變的現(xiàn)象稱為內光電效應，如光敏電阻、光敏二極管等就屬于這類光電器件。在光線作用下，能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應，如光電管、光電倍增管就屬于這類光電器件。在光線作用下，能使物體產生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應，即阻擋層光電效應，如光電池、光敏晶體管等就屬于這類光電器件[1]。

光電檢測技術及系統(tǒng)，也是國際、國內前沿的應用課題。主要應用于光電信息與圖像檢測技術及系統(tǒng)、光衍射檢測技術及系統(tǒng)、光學掃描檢測技術及系統(tǒng)、嵌入式圖像檢測技術及系統(tǒng)、光纖傳感檢測技術及系統(tǒng)等。本文主要介紹光敏晶體管的原理及應用，并介紹相應器件的選型比較。

1 原理分析

對于光敏二極管而言，其結構與一般二極管相似。它裝在透明玻璃外殼中，其PN結裝在管的頂部，可以直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流。當光照射在PN結上時，光子打在PN結附近，使PN結附近產生光生電子和光生空穴對。它們在PN結處的內電場作用下作定向運動，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。因此光敏二極管在不受光照射時，處于截止狀態(tài)，受光照射時，處于導通狀態(tài)[2]。

在美國DARPA（Defense Advanced Research Projects Agency）支持下，KeithJ.Williams等從20世紀90年代開始進行大量研究，實現(xiàn)了高速大功率的光電探測器，在300MHz時可以實現(xiàn)700mA小信號壓縮電流，3MHz～6GHz時可輸出+26dBm的射頻功率。作為高速光纖通信的基本組成部分，1550nm、1310nm等紅外通信波段的光電轉換技術在寬帶性能上已經取得了很大的突破，3dB帶寬已經突破100GHz，商用的高速光探測器的3dB帶寬也已經超過70GHz。A.Beling于2005年報道的p-i-n光電二極管-3dB帶寬為120GHz，響應度0.5A/W。

微波低噪聲寬帶放大器作為高速光電探測技術后續(xù)信號處理的主要部分之一，對高速光電轉換模塊的發(fā)展具有很大的推動作用，現(xiàn)已經發(fā)展到比較高的水平，如Hideyuki Suzuki等于1998報道的特征頻率為147GHz，帶寬為0.5～50GHz，Hisao Shigematsu等2001年報道的特征頻率為147GHz，帶寬為0.1～49GHz。電子工業(yè)部13所的郭文椹等于1995年也報道了一種2～18GHz超寬帶射頻放大器，其主要技術參數(shù)為：2～18GHz，Gp〉30dB，AGP〈±3dB，F(xiàn)n≤7dBm，P-l〉+10dB，VSWR〈2.5：1。

然而目前市面上的從能響應DC信號的高速光電轉換模塊基本都是由國外壟斷，如 New Focus已有 DC-12GHz，DC-15GHz，DC-45GHz等一系列的成型產品，因為含有增益級，所以具有較尚的探測靈敏度。而國內的相關產品幾乎都有低頻截止不能響應DC信號，或者沒有增益級不帶放大電路，響應度有限，如北京`康冠世紀光電科技有限公司KG-PR-lOG系列DC-10GHz的光電模塊，在1550nm響應度為45A/W，噪聲等效功率NEP為15.7pw/VHz，在弱光檢測時受到限制。

2 光電轉換的實際應用

光電轉化的應用非常廣泛，本文就內光電效應的應用略做總結。被測物發(fā)出的光投射到光電器件上，光電器件輸出反映光源的參數(shù)（如光照度計）；恒光源穿過，部分吸收，部分由光電器件吸收，吸收量反應被測物參數(shù)；恒光源投射到被測物體，反射被接受（粗糙程度的檢測）；恒光源照射過程中部分被遮，光電器件的接受情況反映尺寸。

光電轉換最根本的工作原理是光生伏特效應，它是由法國物理學家Becquerel A.E.在1839年發(fā)現(xiàn)的。雖然對于有機太陽能電池研究的起步距今已經五十年，早在1958年，世界上第一個光電轉換電池便出自M.Calvin與D.Kearns之手，他們在J.Chem.Phys.上發(fā)表的文章中提到，選用酞菁鎂有機材料作為有機功能層，將其夾在兩個不同的功函數(shù)的電極之間，形成單層的太陽能電池器件，但是光電轉換效率非常低，結果不盡如人意，此后的進展也幾乎停滯不前。而真正使人們對有機太陽能電池有所改觀并認為其具有較高的發(fā)展?jié)摿?，?986年C.W.Tang教授在Appl.Phys.Lett.上發(fā)表的文章之后。他獨創(chuàng)性地提出了給體、受體異質結的雙層結構，使用Cu Pc為受體，PV為給體，將光電轉換效率提升至0.95％。這種雙層結構成為此后有機太陽能電池結構的基礎，為有機小分子薄膜太陽能電池的發(fā)展奠定了一個很好的基礎。

3 結語

光電信息技術是將光學技術、電子技術、計算機技術以及材料技術相結合而形成的一門高新技術。光電信息技術的發(fā)展不僅改變了人們的工作、學習和生活方式，也推動了新的產業(yè)革命和新興學科的形成。光電檢測技術及系統(tǒng)是光電信息技術的主要技術之一，它以其非接觸、高精度、高速度、實時等特點成為現(xiàn)代檢測技術最重要的手段和方法之一，在工業(yè)、農業(yè)、軍事、航空航天以及日常生活中皆有著具有良好的應用前景。

[1]陳晨.石墨烯復合材料的制備及其在光電轉換中的應用[D].上海交通大學，2013.

[2]程輝.染料敏化太陽能電池光陽極的制備、性質和光電轉換機理研究[D].南開大學，2012.

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2016-11-2