4.1 光電效應(yīng)和光電器件120.ppt

4 1光電效應(yīng)和光電器件 光電效應(yīng)和光電器件 外光電效應(yīng) 在光線作用下使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象 如光電管 光電倍增管內(nèi)光電效應(yīng) 在光線作用下能使物體電阻率改變的現(xiàn)象 如光敏電阻等屬于這類光電器件 阻擋層光電效應(yīng) 光生伏特效應(yīng) 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 如光電池 光敏晶體管等 一 光譜光波 波長為10 106nm的電磁波可見光 波長380 780nm紫外線 波長10 380nm 波長300 380nm稱為近紫外線波長200 300nm稱為遠(yuǎn)紫外線波長10 200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線紅外線 波長780 106nm波長3 m 即3000nm 以下的稱近紅外線波長超過3 m的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線 光譜分布如圖所示 光譜 遠(yuǎn)紫外 近紫外 可見光 近紅外 遠(yuǎn)紅外 極遠(yuǎn)紫外 0 01 0 1 1 10 0 05 0 5 5 波長 m 頻率 Hz 光子能量 eV 1015 5 1014 1014 5 1013 100 10 1 50 5 0 5 5 1015 1016 3 1018 光的波長與頻率的關(guān)系由光速確定 真空中的光速c 2 99793 1010cm s 通常c 3 1010cm s 光的波長 和頻率 的關(guān)系為 的單位為Hz 的單位為cm 3 1010cm s 光電效應(yīng)1 外光電效應(yīng) 光子是具有能量的粒子 每個光子的能量 E h h 普朗克常數(shù) 6 626 10 34J s 光的頻率 s 1 根據(jù)愛因斯坦假設(shè) 一個電子只能接受一個光子的能量 所以要使一個電子從物體表面逸出 必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功 超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能 外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物 從光開始照射至金屬釋放電子所需時間不超過10 9s 根據(jù)能量守恒定理式中m 電子質(zhì)量 v0 電子逸出速度 光電子能否產(chǎn)生 取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0 不同的物質(zhì)具有不同的逸出功 即每一個物體都有一個對應(yīng)的光頻閾值 稱為紅限頻率或波長限 當(dāng)入射光的頻譜成分不變時 產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比 即光強(qiáng)愈大 意味著入射光子數(shù)目越多 逸出的電子數(shù)也就越多 光電子逸出物體表面具有初始動能mv02 2 因此外光電效應(yīng)器件 如光電管 即使沒有加陽極電壓 也會有光電子產(chǎn)生 為了使光電流為零 必須加負(fù)的截止電壓 而且截止電壓與入射光的頻率成正比 在光線作用 電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài) 而引起材料電導(dǎo)率的變化 這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng) 基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻 常存在于高電阻率的半導(dǎo)體中 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性 2 光電導(dǎo)效應(yīng) q是電子電荷 Nn Np是自由電子和自由空穴的濃度 n p是自由電子和自由空穴的遷移率 為碰撞時間 過程 當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時 價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊 并使其由價帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶 如圖 使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價帶內(nèi)的空穴濃度增加 從而使電導(dǎo)率變大 導(dǎo)帶 價帶 禁帶 自由電子所占能帶 不存在電子所占能帶 價電子所占能帶 Eg 3 光生伏特效應(yīng)在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng) 勢壘效應(yīng) 結(jié)光電效應(yīng) 接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中 當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時 便引起光電動勢 這就是結(jié)光電效應(yīng) 以PN結(jié)為例 光線照射PN結(jié)時 設(shè)光子能量大于禁帶寬度Eg 使價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶 而產(chǎn)生電子空穴對 在阻擋層內(nèi)電場的作用下 被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè) 被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè) 從而使P區(qū)帶正電 N區(qū)帶負(fù)電 形成光電動勢 4 1光電效應(yīng)和光電器件 4 1 1光電管4 1 2光電倍增管4 1 3光敏電阻4 1 4光敏二極管和光敏晶體管4 1 5光電池4 1 6光電式傳感器的應(yīng)用 4 1 1光電管 當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長的光線照射時便發(fā)射電子 電子被帶正電位的陽極所吸引 在光電管內(nèi)就有電子流 在外電路中便產(chǎn)生了電流 上一頁 下一頁 返回 真空光電管的伏安特性充氣光電管的伏安特性 充氣光電管 構(gòu)造和真空光電管基本相同 優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高 所不同的僅僅是在玻璃泡內(nèi)充以少量的惰性氣體其靈敏度隨電壓變化的穩(wěn)定性 頻率特性等都比真空光電管差 上一頁 下一頁 返回 4 1 2光電倍增管 在入射光極為微弱時 光電管能產(chǎn)生的光電流就很小 光電倍增管 放大光電流組成 光電陰極 若干倍增極 陽極 上一頁 下一頁 返回 光電倍增管的結(jié)構(gòu)與工作原理 光電陰極光電倍增極陽極倍增極上涂有Sb Cs或Ag Mg等光敏材料 并且電位逐級升高 陰極發(fā)射的光電子以高速射到倍增極上 引起二次電子發(fā)射 二次電子發(fā)射系數(shù) 二次發(fā)射電子數(shù) 入射電子數(shù)若倍增極有n 則倍增率為 n 上一頁 下一頁 返回 4 1 3光敏電阻 1 光敏電阻的工作原理及結(jié)構(gòu)2 光敏電阻的主要參數(shù)3 光敏電阻的基本特性 上一頁 下一頁 返回 1 光敏電阻的工作原理及結(jié)構(gòu) 當(dāng)無光照時 光敏電阻值 暗電阻 很大 電路中電流很小當(dāng)有光照時 光敏電阻值 亮電阻 急劇減少 電流迅速增加 上一頁 下一頁 返回 光敏電阻的結(jié)構(gòu) 1 玻璃2 光電導(dǎo)層3 電極4 絕緣襯底5 金屬殼6 黑色絕緣玻璃7 引線 光敏電阻的靈敏度易受潮濕的影響 因此要將光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在帶有玻璃的殼體中 上一頁 下一頁 返回 半導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng) 只限于光照的表面薄層 光敏電阻的電極一般采用梳狀 提高了光敏電阻的靈敏度 靈敏度高 光譜特性好 光譜響應(yīng)從紫外區(qū)一直到紅外區(qū) 而且體積小 重量輕 性能穩(wěn)定 梳狀電極 上一頁 下一頁 返回 2 光敏電阻的主要參數(shù) 1 暗電阻和暗電流光敏電阻在室溫條件下 在全暗后經(jīng)過一定時間測量的電阻值 稱為暗電阻 一般在兆歐數(shù)量級 此時流過的電流 稱為暗電流 2 亮電阻光敏電阻在某一光照下的阻值 稱為該光照下的亮電阻 一般在幾千歐以下 此時流過的電流稱為亮電流 3 光電流亮電流與暗電流之差 稱為光電流 上一頁 下一頁 返回 3 光敏電阻的基本特性 1 伏安特性 2 光照特性 3 光譜特性 4 響應(yīng)時間和頻率特性 5 溫度特性 上一頁 下一頁 返回 1 伏安特性 在一定照度下 光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系 在給定的偏壓情況下 光照度越大 光電流也就越大 在一定光照度下 加的電壓越大 光電流越大 沒有飽和現(xiàn)象 光敏電阻的最高工作電壓是由耗散功率決定的 耗散功率又和面積以及散熱條件等因素有關(guān) 上一頁 下一頁 返回 2 光照特性 光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系 由于光敏電阻的光照特性呈非線性 因此不宜作為測量元件 一般在自動控制系統(tǒng)中常用作開關(guān)式光電信號傳感元件 上一頁 下一頁 返回 3 光譜特性 光敏電阻對不同波長的光 靈敏度是不同的 上一頁 下一頁 返回 4 響應(yīng)時間和頻率特性 光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象 光電流的變化對于光的變化 在時間上有一個滯后 通常用響應(yīng)時間t表示 上一頁 下一頁 返回 ms 光敏電阻的頻率特性 不同材料的光敏電阻具有不同的響應(yīng)時間 所以它們的頻率特性也就不盡相同 上一頁 下一頁 返回 5 溫度特性 光敏電阻受溫度的影響較大 當(dāng)溫度升高時 它的暗電阻和靈敏度都下降 硫化鎘光敏電阻的溫度特性 溫度系數(shù) 在一定光照下 溫度每變化1 光敏電阻阻值的平均變化率 上一頁 下一頁 返回 溫度對光譜特性影響 隨著溫度升高 光譜響應(yīng)峰值向短波方向移動 因此 采取降溫措施 可以提高光敏電阻對長波光的響應(yīng) 硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性 上一頁 下一頁 返回 一 應(yīng)用于電路的分析與計(jì)算 U I RG RL 通常從等效電路和伏安特性曲線進(jìn)行基本的分析 如左圖所示 所以很明顯應(yīng)用光敏電阻可以在低速 由響應(yīng)時間和頻率特性決定 用作開關(guān)電路 如果要合理設(shè)計(jì) 那么就要綜合考慮前面介紹的光敏電阻的各種特性 基本分析電路 二 應(yīng)用于器件的選取 如 應(yīng)用它的光譜特性 對不同波長的光選用不同的器件 等等 4 1 4光敏二極管和光敏晶體管 1 工作原理2 基本特性 上一頁 下一頁 返回 1 工作原理 結(jié)構(gòu)與一般二極管相似 裝在透明玻璃外殼中在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)的 光敏二極管 上一頁 下一頁 返回 光敏晶體管 與一般晶體管很相似 具有兩個pn結(jié) 把光信號轉(zhuǎn)換為電信號同時 又將信號電流加以放大 上一頁 下一頁 返回 2 基本特性 1 光譜特性 2 伏安特性 3 光照特性 4 溫度特性 5 頻率響應(yīng) 上一頁 下一頁 返回 1 光譜特性 入射光的波長增加時 相對靈敏度要下降 硅和鍺光敏二極 晶體 管的光譜特性 可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時 一般都用硅管 在紅外光進(jìn)行探測時 則鍺管較為適宜 上一頁 下一頁 返回 2 伏安特性 上一頁 下一頁 返回 硅光敏管的伏安特性 3 光照特性 硅光敏管的光照特性 光敏二極管的光照特性曲線的線性較好 上一頁 下一頁 返回 4 溫度特性 其暗電流及光電流與溫度的關(guān)系 溫度變化對光電流影響很小 而對暗電流影響很大 上一頁 下一頁 返回 5 頻率響應(yīng) 具有一定頻率的調(diào)制光照射時 光敏管輸出的光電流 或負(fù)載上的電壓 隨頻率的變化關(guān)系 硅光敏晶體管的頻率響應(yīng) 上一頁 下一頁 返回 例1光敏二極管GG的聯(lián)結(jié)和伏安特性如圖所示 若光敏二極管上的照度發(fā)生變化 L 100 100 sin t lx 為使光敏二極管上有10V的電壓變化 求所需的負(fù)載電阻RL和電源電壓E 解 根據(jù)曲線 最大電壓與最大光照對應(yīng) 并使它工作在線性區(qū)域 我們?nèi)?00lx的拐點(diǎn)對應(yīng)2V 則電源電壓為 伏安特性 連接電路 在電壓軸上找到12V的點(diǎn) 連接拐點(diǎn)與該點(diǎn)的直線為負(fù)載線 拐點(diǎn)對應(yīng)的電流為10微安 負(fù)載電阻為 4 1 5光電池 有光線作用下實(shí)質(zhì)上就是電源 電路中有了這種器件就不再需要外加電源 1 工作原理2 基本特性 上一頁 下一頁 返回 1 工作原理 直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件 是一個大面積的pn結(jié) 當(dāng)光照射到pn結(jié)上時 便在pn結(jié)的兩端產(chǎn)生電動勢 p區(qū)為正 n區(qū)為負(fù) 用導(dǎo)線將pn結(jié)兩端用導(dǎo)線連接起來 就有電流流過 電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至n區(qū) 若將電路斷開 就可以測出光生電動勢 上一頁 下一頁 返回 2 基本特性 1 光譜特性 2 光照特性 3 頻率響應(yīng) 4 溫度特性 5 穩(wěn)定性 上一頁 下一頁 返回 1 光譜特性 光電池對不同波長的光 靈敏度是不同的 上一頁 下一頁 返回 2 光照特性 不同光照度下 光電流和光生電動勢是不同的 短路電流與光照度成線性關(guān)系 開路電壓與光照度是非線性的光電池作為測量元件使用時 應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來使用 上一頁 下一頁 返回 光電池的短路電流 外接負(fù)載電阻相對于它的內(nèi)阻來說很小情況下的電流值 負(fù)載越小 光電流與照度之間的線性關(guān)系越好 而且線性范圍越寬 上一頁 下一頁 返回 3 頻率響應(yīng) 指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系 硅光電池具有較高的頻率響應(yīng) 用于高速計(jì)數(shù)的光電轉(zhuǎn)換 上一頁 下一頁 返回 4 溫度特性 開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系 關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器的溫度漂移 影響到測量精度或控制精度等重要指標(biāo) 硅光電池的溫度特性 照度1000lx 上一頁 下一頁 返回 5 穩(wěn)定性 當(dāng)光電池密封良好 電極引線可靠 應(yīng)用合理時 光電池的性能是相當(dāng)穩(wěn)定的硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定影響性能和壽命因素 光電池的材料及制造工藝使用環(huán)境條件 上一頁 下一頁 返回 BG2 BG1 12V C J R1 R2 圖1 光電開關(guān) 例 圖1所示電路為光電開關(guān) 多用于自動控制系統(tǒng)中 無光照時 系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài) 如通態(tài)或斷態(tài) 當(dāng)光電池受光照射時 產(chǎn)生較高的電動勢 只要光強(qiáng)大于某一設(shè)定的閾值 系統(tǒng)就改變工作狀態(tài) 達(dá)到開關(guān)目的 I U RL 光電池的基本連接電路 光電特性和光照特性曲線 光電特性和光照特性曲線 伏安特性曲線 頻率特性曲線 頻率特性曲線 溫度變化對元件特性的影響 4 1 6光電式傳感器的應(yīng)用 模擬式傳感器脈沖式傳感器 上一頁 下一頁 返回 一 光電式傳感器的基本組成1 光源 被測量X1直接對光源作用 使光通量 1的某一參數(shù)發(fā)生變化 2 光學(xué)通路 被測量X2作用于光學(xué)通路中 對傳播過程中的光通量進(jìn)行調(diào)制 3 光電器件4 測量電路 5 4 3光電傳感器的基本組成和類型 圖5 4 15光電傳感器的基本組成 二 光電傳感器的基本類型1 透射式應(yīng)用 測量透明度和混濁度 2 反射式應(yīng)用 測量表面粗糙度3 輻射式應(yīng)用 光電高溫計(jì)和爐子燃燒監(jiān)視裝置 4 遮擋式應(yīng)用 測量物體面積 尺寸和位移等5 開關(guān)式應(yīng)用 開關(guān) 產(chǎn)品計(jì)數(shù)或測量轉(zhuǎn)速等 編碼 圖5 4 16透射式光電傳感器 圖5 4 17反射式光電傳感器 圖5 4 18輻射式光電傳感器 圖5 4 19遮擋式光電傳感器 1 模擬式光電傳感器 基于光電器件的光電流隨光通量而發(fā)生變化 是光通量的函數(shù) 對于光通量的任意一個選定值 對應(yīng)的光電流就有一個確定的值 而光通量又隨被測非電量的變化而變化 這樣光電流就成為被測非電量的函數(shù) 光電比色高溫計(jì) 1 物鏡 2 平面玻璃 3 光闌 4 光導(dǎo)棒 5 分光鏡 6 濾光片 7 硅光電池 8 濾光片 9 硅光電池 10 瞄準(zhǔn)反射鏡 11 圓柱反射鏡 12 目鏡 13 多夫棱鏡14 15 硅光電池負(fù)載電阻 16 可逆電機(jī) 17 電子電位差計(jì) 2 脈沖式光電傳感器 光電器件的輸出僅有兩個穩(wěn)定狀態(tài) 也就是 通 與 斷 的開關(guān)狀態(tài) 光電器件受光照時 有電信號輸出 光電器件不受光照時 無電信號輸出 屬于這一類的大多是作繼電器和脈沖發(fā)生器應(yīng)用的光電傳感器 如測量線位移 線速度 角位移 角速度 轉(zhuǎn)速 的光電脈沖傳感器等等 光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表 Lighthasanelectromagneticnature Itmaybeconsideredapropagationofeitherquantaofenergyorelectromagneticwaves Differentportionsofthewave frequencyspectrumaregivenspecialnames ultraviolet UV visible near mid andfarinfrared IR microwaves radiowaves andsoforth Thename light wasarbitrarilygiventoelectromagneticradiationwhichoccupieswavelengthsfromapproximately0 1to100 m Lightbelowtheshortestwavelengththatwecansee violet iscalledultraviolet andhigherthanthelongestthatwecansee red iscalledinfrared Theinfraredrangeisarbitrarilysubdividedintothreeregions near infrared fromabout0 9to1