光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)快速發(fā)展的背景下，為了能夠更加全面深入的挖掘?qū)饽艿睦脙r值，便需要不斷強化對光電轉(zhuǎn)換原理的理解。本文具體分析光電轉(zhuǎn)換的工作原理，并分析光電轉(zhuǎn)換的具體應用。

光電轉(zhuǎn)換；工作原理；應用實例

光電器件是將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種傳感器件，它是構(gòu)成光電傳感器的主要部件。光電器件工作的物理基礎(chǔ)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(nèi)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(chǎn)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(shù)及系統(tǒng)，也是國際、國內(nèi)前沿的應用課題。主要應用于光電信息與圖像檢測技術(shù)及系統(tǒng)、光衍射檢測技術(shù)及系統(tǒng)、光學掃描檢測技術(shù)及系統(tǒng)、嵌入式圖像檢測技術(shù)及系統(tǒng)、光纖傳感檢測技術(shù)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(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(jié)上時，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對。它們在PN結(jié)處的內(nèi)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(zhuǎn)換技術(shù)在寬帶性能上已經(jīng)取得了很大的突破，3dB帶寬已經(jīng)突破100GHz，商用的高速光探測器的3dB帶寬也已經(jīng)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(shù)后續(xù)信號處理的主要部分之一，對高速光電轉(zhuǎn)換模塊的發(fā)展具有很大的推動作用，現(xiàn)已經(jīng)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(shù)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(zhuǎn)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(chǎn)品，因為含有增益級，所以具有較尚的探測靈敏度。而國內(nèi)的相關(guān)產(chǎn)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(zhuǎn)換的實際應用

光電轉(zhuǎn)化的應用非常廣泛，本文就內(nèi)光電效應的應用略做總結(jié)。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(zhuǎn)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(jīng)五十年，早在1958年，世界上第一個光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率非常低，結(jié)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Γ?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(zhì)結(jié)的雙層結(jié)構(gòu)，使用Cu Pc為受體，PV為給體，將光電轉(zhuǎn)換效率提升至0.95％。這種雙層結(jié)構(gòu)成為此后有機太陽能電池結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，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(chǔ)。

3 結(jié)語

光電信息技術(shù)是將光學技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)以及材料技術(shù)相結(jié)合而形成的一門高新技術(shù)。光電信息技術(shù)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(chǎn)業(yè)革命和新興學科的形成。光電檢測技術(shù)及系統(tǒng)是光電信息技術(shù)的主要技術(shù)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(shù)最重要的手段和方法之一，在工業(yè)、農(nóng)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(zhuǎn)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(zhì)和光電轉(zhuǎn)換機理研究[D].南開大學，2012.

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2016-11-2