光电转换的工作原理及应用

刘佳月

（石家庄市第一中学 河北省石家庄 050000）

光电转换的工作原理及应用

刘佳月

（石家庄市第一中学 河北省石家庄 050000）

在现代社会科学技术快速发展的背景下，为了能够更加全面深入的挖掘对光能的利用价值，便需要不断强化对光电转换原理的理解。本文具体分析光电转换的工作原理，并分析光电转换的具体应用。

光电转换；工作原理；应用实例

光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件，它是构成光电传感器的主要部件。光电器件工作的物理基础是光电效应。在光线作用下，物体的电导性能改变的现象称为内光电效应，如光敏电阻、光敏二极管等就属于这类光电器件。在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应，即阻挡层光电效应，如光电池、光敏晶体管等就属于这类光电器件[1]。

光电检测技术及系统，也是国际、国内前沿的应用课题。主要应用于光电信息与图像检测技术及系统、光衍射检测技术及系统、光学扫描检测技术及系统、嵌入式图像检测技术及系统、光纤传感检测技术及系统等。本文主要介绍光敏晶体管的原理及应用，并介绍相应器件的选型比较。

1 原理分析

对于光敏二极管而言，其结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流。当光照射在PN结上时，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对。它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时，处于截止状态，受光照射时，处于导通状态[2]。

在美国DARPA（Defense Advanced Research Projects Agency）支持下，KeithJ.Williams等从20世纪90年代开始进行大量研究，实现了高速大功率的光电探测器，在300MHz时可以实现700mA小信号压缩电流，3MHz～6GHz时可输出+26dBm的射频功率。作为高速光纤通信的基本组成部分，1550nm、1310nm等红外通信波段的光电转换技术在宽带性能上已经取得了很大的突破，3dB带宽已经突破100GHz，商用的高速光探测器的3dB带宽也已经超过70GHz。A.Beling于2005年报道的p-i-n光电二极管-3dB带宽为120GHz，响应度0.5A/W。

微波低噪声宽带放大器作为高速光电探测技术后续信号处理的主要部分之一，对高速光电转换模块的发展具有很大的推动作用，现已经发展到比较高的水平，如Hideyuki Suzuki等于1998报道的特征频率为147GHz，带宽为0.5～50GHz，Hisao Shigematsu等2001年报道的特征频率为147GHz，带宽为0.1～49GHz。电子工业部13所的郭文椹等于1995年也报道了一种2～18GHz超宽带射频放大器，其主要技术参数为：2～18GHz，Gp〉30dB，AGP〈±3dB，Fn≤7dBm，P-l〉+10dB，VSWR〈2.5：1。

然而目前市面上的从能响应DC信号的高速光电转换模块基本都是由国外垄断，如 New Focus已有 DC-12GHz，DC-15GHz，DC-45GHz等一系列的成型产品，因为含有增益级，所以具有较尚的探测灵敏度。而国内的相关产品几乎都有低频截止不能响应DC信号，或者没有增益级不带放大电路，响应度有限，如北京`康冠世纪光电科技有限公司KG-PR-lOG系列DC-10GHz的光电模块，在1550nm响应度为45A/W，噪声等效功率NEP为15.7pw/VHz，在弱光检测时受到限制。

2 光电转换的实际应用

光电转化的应用非常广泛，本文就内光电效应的应用略做总结。被测物发出的光投射到光电器件上，光电器件输出反映光源的参数（如光照度计）；恒光源穿过，部分吸收，部分由光电器件吸收，吸收量反应被测物参数；恒光源投射到被测物体，反射被接受（粗糙程度的检测）；恒光源照射过程中部分被遮，光电器件的接受情况反映尺寸。

光电转换最根本的工作原理是光生伏特效应，它是由法国物理学家Becquerel A.E.在1839年发现的。虽然对于有机太阳能电池研究的起步距今已经五十年，早在1958年，世界上第一个光电转换电池便出自M.Calvin与D.Kearns之手，他们在J.Chem.Phys.上发表的文章中提到，选用酞菁镁有机材料作为有机功能层，将其夹在两个不同的功函数的电极之间，形成单层的太阳能电池器件，但是光电转换效率非常低，结果不尽如人意，此后的进展也几乎停滞不前。而真正使人们对有机太阳能电池有所改观并认为其具有较高的发展潜力，是1986年C.W.Tang教授在Appl.Phys.Lett.上发表的文章之后。他独创性地提出了给体、受体异质结的双层结构，使用Cu Pc为受体，PV为给体，将光电转换效率提升至0.95％。这种双层结构成为此后有机太阳能电池结构的基础，为有机小分子薄膜太阳能电池的发展奠定了一个很好的基础。

3 结语

光电信息技术是将光学技术、电子技术、计算机技术以及材料技术相结合而形成的一门高新技术。光电信息技术的发展不仅改变了人们的工作、学习和生活方式，也推动了新的产业革命和新兴学科的形成。光电检测技术及系统是光电信息技术的主要技术之一，它以其非接触、高精度、高速度、实时等特点成为现代检测技术最重要的手段和方法之一，在工业、农业、军事、航空航天以及日常生活中皆有着具有良好的应用前景。

[1]陈晨.石墨烯复合材料的制备及其在光电转换中的应用[D].上海交通大学，2013.

[2]程辉.染料敏化太阳能电池光阳极的制备、性质和光电转换机理研究[D].南开大学，2012.

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1004-7344（2016）36-0247-01

2016-11-2