何海鴻　張旭東　何　歡

[摘要]介紹光電器件的定義、工作原理，講解探索光電效應(yīng)影響因素的實(shí)驗(yàn)方法，得出光照對(duì)LED光電效應(yīng)的影響方式，著重探討LED可作為監(jiān)測(cè)設(shè)備探測(cè)太陽(yáng)光線的原理及優(yōu)勢(shì)。

[關(guān)鍵詞]LED 光電器件 光電效應(yīng) 太陽(yáng)探測(cè)器

中圖分類號(hào)：O59 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2009）0110041-02

一、定義

（一）光電器件

光電器件是把光和電這兩種物理量聯(lián)系起來(lái)，使光和電互相轉(zhuǎn)化的新型半導(dǎo)體器件。

（二）光電效應(yīng)

在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面，向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。

我們知道，光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子具有的能力由下式確定。當(dāng)入射光子使電子由價(jià)帶躍升到導(dǎo)帶時(shí)，導(dǎo)帶中的電阻和價(jià)帶中的空穴二者均參與導(dǎo)電，形成光電流。該現(xiàn)象被稱為光電效應(yīng)，其外在表現(xiàn)形式主要有兩種：

1．產(chǎn)生電阻的變化，如光敏電阻；

2．產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，如光伏電池。

根據(jù)光電效應(yīng)表現(xiàn)形式的不同，光電器件可分為：利用光敏特性工作的光電導(dǎo)器件及利用光伏打效應(yīng)工作的光電池和半導(dǎo)體發(fā)光器件等。LED太陽(yáng)探測(cè)器屬于光電導(dǎo)器件，其工作原理將會(huì)在后文詳細(xì)論述。[1]

二、LED的光電特性

光電器件的工作原理可由其具有的光電效應(yīng)解釋。下面是以發(fā)光二極管（LED）為例，驗(yàn)證到光電效應(yīng)有如下特征：[2]

（一）LED的光電效應(yīng)

在實(shí)驗(yàn)中，我們觀測(cè)到LED在受光條件下在其兩端會(huì)產(chǎn)生電壓。

見(jiàn)圖1a：

如圖所示，在圖1a中，發(fā)光二極管（LED）在光照條件下，在其（＋）端和（－）端之間會(huì)產(chǎn)生電壓。圖1b是其對(duì)應(yīng)的電路符號(hào)，其中A端是（＋）端，K端是（－）端。

（二）LED光電效應(yīng)的探索實(shí)驗(yàn)

1．光照強(qiáng)度的影響

為探索光照強(qiáng)度對(duì)LED光電效應(yīng)的影響，我們?cè)O(shè)計(jì)以下對(duì)比實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)圖2。

如圖所示，在圖2中，LED-A的受光量大于LED-B的受光量，因此他們所產(chǎn)生的電壓UA＞UB。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們得出：隨著光照的增強(qiáng)，發(fā)光二極管（LED）的光照致電效應(yīng)也越強(qiáng)烈，產(chǎn)生的電壓越高。

2．入射光線角度的影響

入射角光線從一種媒質(zhì)入射到與另一種媒質(zhì)的交界面時(shí)，與界面法線的夾角（小于90°）。通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)發(fā)光二極管（LED）的光照致電效應(yīng)不僅同光照強(qiáng)度正相關(guān)，同時(shí)與入射光的入射角也密切相關(guān)。見(jiàn)圖3：

如圖所示，在圖3中，LED-B的受光面垂直于入射光線，而LED-A的受光面同入射光線成一夾角，在相同光照強(qiáng)度下，UB＞UA。

由此我們得出：在同樣實(shí)驗(yàn)條件下，發(fā)光二極管（LED）的光照致電效應(yīng)隨著太陽(yáng)光入射角的增加而減弱。

3．其他特性

除了上面討論的性能，發(fā)光二極管（LED）作為電壓型器件，具有良好的信號(hào)匹配能力，在實(shí)測(cè)中LED在強(qiáng)光下產(chǎn)生的電壓可以高達(dá)1.7v。同時(shí)，LED工作電壓很低（1.5-3伏），工作電流很小（10-30毫安），耗電極??；且壽命長(zhǎng)、成本低及防護(hù)性能良好，實(shí)在是低成本太陽(yáng)檢測(cè)器的首選探測(cè)器件。

三、LED探測(cè)太陽(yáng)方位的原理

（一）LED光電作用原理

一些半導(dǎo)體材料具有獨(dú)特的光敏特性，即當(dāng)半導(dǎo)體材料受到一定波長(zhǎng)光線的照射時(shí)，其電阻率明顯減小，或說(shuō)電導(dǎo)率增大的特性。這個(gè)現(xiàn)象也叫半導(dǎo)體的光電導(dǎo)特性。利用這個(gè)特性制作的半導(dǎo)體器件叫光電導(dǎo)器件。

半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率是由載流子濃度決定的。載流子就是由半導(dǎo)體原子逸出來(lái)的電子及其留下的空位空穴所形成的。電從原子中逃逸出來(lái)，必須克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(lái)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(dǎo)體的電導(dǎo)率。

發(fā)光二極管（LED）的管芯也是一個(gè)PN結(jié)，只是結(jié)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(chǎn)生的“電子－空穴對(duì)”叫光生載流子，它們參加導(dǎo)電會(huì)增大反向飽和電流。光生載流子的數(shù)量與光強(qiáng)度有關(guān)，因此，反向飽和電流會(huì)隨著光強(qiáng)的變化而變化，如果在外電路上接上負(fù)載，負(fù)載上就獲得了電信號(hào)，而且這個(gè)電信號(hào)隨著光的變化而相應(yīng)變化，即把光信號(hào)的變化轉(zhuǎn)為電壓的變化。

（二）LED太陽(yáng)探測(cè)器工作原理

由前文介紹可知，發(fā)光二極管（LED）在光照下會(huì)產(chǎn)生電壓，其電壓的大小不僅同光照強(qiáng)度有關(guān)，與光線的入射角也密切相關(guān)。于是我們將兩個(gè)發(fā)光二極管（LED）緊鄰放置。觀察太陽(yáng)在角平分線不同位置時(shí)，兩個(gè)發(fā)光二極管（LED）產(chǎn)生電壓的情況。[3]見(jiàn)圖4a：

如圖所示，圖4a中，角平分線正對(duì)太陽(yáng)，此時(shí)兩只LED管的電壓相等即UA＝UB。

那么，太陽(yáng)在角平分線的左側(cè)及右側(cè)的情況又如何呢？見(jiàn)圖4b及圖4c：

在圖4b中，太陽(yáng)在角平分線的右側(cè)，此時(shí)LED-B的入射角較LED-A小，因此LED-B的電壓大于LED-A的電壓，即UA＜UB。

在圖4c中，太陽(yáng)在角平分線的左側(cè)，此時(shí)LED-A的入射角較LED-B小，因此LED-A的電壓大于LED-B的電壓，即UA＞UB。

于是，我們將兩只發(fā)光二極管（LED）方向并聯(lián)，即一只管子的（＋）端接另一只管子的（－）端；（－）端接另一只管子的（＋）端，如圖5a所示。圖5b是其對(duì)應(yīng)電路圖。

圖中，因?yàn)镈1、D2兩只管子反向并接，所以他們產(chǎn)生的電壓要進(jìn)行疊加。

根據(jù)上面的分析，可以得到：

當(dāng)太陽(yáng)正對(duì)時(shí)：UD1＝UD2所以U＝ UD1－UD2＝0

當(dāng)太陽(yáng)偏左時(shí)：UD1＞UD2所以U＝ UD1－UD2＞0

當(dāng)太陽(yáng)偏右時(shí)：UD1＜UD2所以U＝ UD1－UD2＜0

由于在數(shù)字量處理電路中，只有“0”和“1”兩種狀態(tài)，負(fù)電壓視為“0”。通常，我們將“1”信號(hào)定義為有效，這樣在圖5的電路中只有太陽(yáng)偏左時(shí)有效。于是，我們把兩只反向并接的發(fā)光二極管（LED）定義為探測(cè)組，一個(gè)探測(cè)組負(fù)責(zé)一個(gè)方位的太陽(yáng)探測(cè)，使用兩個(gè)探測(cè)組就可以完成太陽(yáng)方位的探測(cè)了。一個(gè)探測(cè)組負(fù)責(zé)左側(cè)；另一個(gè)探測(cè)組負(fù)責(zé)右側(cè)。重疊區(qū)域（正對(duì)太陽(yáng)）處，兩個(gè)探測(cè)組輸出相同。[4]

后續(xù)電路對(duì)兩個(gè)探測(cè)組的信號(hào)進(jìn)行處理后輸出兩路標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平的太陽(yáng)方位信號(hào)A和B。其真值表如下：

標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平信號(hào)可以直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)模塊，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)，達(dá)到跟蹤太陽(yáng)的目的。

以上述原理制成的太陽(yáng)方位探測(cè)器輸出的信號(hào)與電池板的方位角具有特定數(shù)值關(guān)系，從而提高了太陽(yáng)能電池板角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行調(diào)節(jié)的精度。另外，通過(guò)本設(shè)計(jì)，能得到受外部太陽(yáng)光的強(qiáng)弱變化的影響較小的差分相對(duì)值的處理信號(hào)，從而改進(jìn)太陽(yáng)能電池板角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]顏曉河、董玲嬌、蘇紹興，光電傳感器的發(fā)展及其應(yīng)用[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2006.

[2]Michael Krickl，LED應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品世界，2004年03期.

[3]光電與顯示器件[J].電子產(chǎn)品世界，2004年04期.

[4]劉鳴、劉鐵根，光電二極管弱光特性檢測(cè)儀的研制[A].中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)第五屆青年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].2003年.

作者簡(jiǎn)介：

何海鴻，男，高級(jí)工程師，參與成都市科技局第七批科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“zstaig2000型兆瓦級(jí)超大型聚光光伏（CPV）試用電站關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備”的研發(fā)工作；張旭東，男，高級(jí)工程師，參與成都市科技局第七批科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“zstaig2000型兆瓦級(jí)超大型聚光光伏（CPV）試用電站關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備”的研發(fā)工作。