光電轉換原理

光電轉換是通過光伏效應把太陽輻射能直接轉換成電能的過程。這一過程的原理是光子將能量傳遞給電子使其運動從而形成電流。這一過程有兩種解決途徑，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捕獲光子的能量。染料分子吸收光子能量后將使半導體中的帶負電的電子和帶正電的空穴分離。

被攝景物通過攝像機的光學系統(tǒng)在光電靶上成像，由于光像各點亮度不同，因而使靶面各單元受光照的強度不同，導致靶面各單元的電阻值不同。與較亮像素對應的靶單元阻值較小，與較暗像素對應的靶單元阻值較大，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，原來按照明暗分布的“光像”就變成了相應的“電像”。

從電子槍陰極發(fā)出的電子，在電子槍電場作用下高速射向靶面，并在偏轉磁場作用下按照掃描規(guī)律掃過靶面上的各個單元。當電子束接觸到靶面某個單元時，使陰極、光電靶、負載電阻RL及電源E構成一個回路。在負載RL中有電流流過，其電流大小取決于光電靶在該單元的電阻值大小。光照強處對應阻值較小，流過負載RL的電流就較大，因而RL兩端產生的壓降也就較大。負載電阻RL上形成電壓就是攝像管輸出的圖像信號。

光電轉換過程（圖像的攝取過程）：被攝景物通過攝像機的光學鏡頭在光電靶上成像，被電子束將這幅圖像分解為像素，同時把各個像素的亮度轉變?yōu)樵谪撦d電阻RL上大小不同的電壓降，從而形成攝像管輸出信號。

光電轉換材料

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

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

一、 光電導器件

半導體材料的光敏特性，即當半導體材料受到一定波長光線的照射時，其電阻率明顯減小，或說電導率增大的特性。這個現(xiàn)象也叫半導體的光電導特性。利用這個特性制作的半導體器件叫光電導器件。半導體材料的電導率是由載流子濃度決定的。載流子就是由半導體原子 逸出來的電子及其留下的空位----- 空穴。電從原子中逃逸出來，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，從而必變半導體的電導率。光電導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

這是一種半導體電阻。在沒有光照時，電阻很大;在一定波長范圍的光照下，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。硫化鎘光敏電阻對可見光敏感，用硫化鎘單晶制造的光敏電阻對X射線、γ射線也敏感；硫化鉛和銻化銦對紅線外線光敏感。利用這些光敏電阻可以制成各種光探測器。感光面積大的光敏電阻，可以獲得較大的明暗電阻差。如國產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PN結，只是結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。在光線照射下產生的電子----空穴對叫光生載流子，它們參加導電會增大反向飽和電流。光生載流子的數量與光強度有關，因此，反向飽和電流會隨著光強的變化而變化，從而可以把光信號的變化轉為電流及電壓的變化。光電二極管主要用于近紅外探測器及光電轉換的自動控制儀器中，還可以作為光導纖維通信的接收器件。

3、光電三極度管

光電三極管的結構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，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

半導體PN結在受到光照射時能產生電動勢的效應，叫光伏打效應。硅光電池就是利用光伏打效應將光能直接換成電能的半導體器件。

硅光電池就是一個大面積PN結。光照可以使薄薄的P型區(qū)產生大量的光生載流子。這些光生電子和空穴，會向PN結方向擴散。擴散過程中，一部分電子和空穴復合消失，大部分擴散到PN結邊緣。在結電場的作用下，大部分光生空穴被電場推回P型區(qū)而不能穿越PN結；大部分光生電阻卻受到結電場的加速作用穿越PN結，到達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型號區(qū)的積累，會在在PN對的兩側產生一個穩(wěn)定的電位差，這就是光生電動勢。當光電池兩端接有負載時，將有電流流過負載，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、航標燈、無人氣象站等設備的電源；也可做電子手表、電子計算器、小型號汽車、游艇等的電源。

光電檢測器件----用作近紅外探測器、光電讀出、光電耦合、激光準直、電影還音等設備的光感受器。

光電控制器件----用作光電開關等光電控制設備的轉換器件。

三、半導體發(fā)光器件

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

1、發(fā)光二極管

發(fā)光二極管的管芯也是一個PN結，并具有單向導電性。PN結加上正向電壓時，電子由N區(qū)渡越（擴散）到空間電荷區(qū)與空穴復合而釋放出能量。這些能量大部分以發(fā)光的形式出現(xiàn)，因此，可以直接將電能轉換成光能。發(fā)光二極管的發(fā)光顏色（波長），困半導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。可作燈光信號顯示、快速光源，也呆同時起整流和發(fā)光兩種作用。

2、發(fā)光數字管

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)光管組成七段式數字顯示管，可以顯示從0到9的十個數字。這種半導體數字顯示管的優(yōu)點是體積小、耗電省、壽命長、響應速度快。它可以作為各種小型計算器及數字顯示儀表的數字顯示用。

3、光電耦合器

把半導體發(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---電轉換功能的光電耦合器。顯然，給耦合器輸入一個電信號，發(fā)光器件就發(fā)光，光被光接收器件接收后，又轉成換成電信號輸出。因為輸入主輸出之間用光進行耦合。所以輸出端對輸入端沒有反饋，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，這種光電開關不存在繼電器中機械點易疲勞的問題，可靠性很高。

責任編輯：YYX