光電式傳感器

1、 光電傳感器是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置。使用它測量非電量時(shí)，首先將這些非電物理量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，再由光電傳感器將光信號的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕淖兓９怆妭鞲衅鞯倪@種測量方法具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸、高可靠、高精度和反應(yīng)速度快等特點(diǎn)。光電傳感器是目前產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的一種傳感器，它在自動控制和非電量測試中占有非常重要的地位。 光電元件的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。自然界的一切物質(zhì)在環(huán)境溫度高于0K以上時(shí)，都會產(chǎn)生光波輻射，光是波長約在1000.01m之間的電磁輻射，其光譜如圖7-1所示。光也可以被看作是由一連串具有一定能量的粒子（稱為光子）所構(gòu)成，每個(gè)光子具有的能量正比于光的頻率。所以

2、，用光照射某一物體時(shí)，就可以看作這物體受到一連串能量為的光子所轟擊，而光電效應(yīng)就是由于這物體吸收光子能量為的光后產(chǎn)生的電效應(yīng)。通常把光線照射到物體后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為兩類，即外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。.紫外線射線近紅外可見光(um)中紅外遠(yuǎn)紅外綠近紫外藍(lán)紫近紅外黃 橙紅(nm) 圖7-1 光譜范圍7.1.1 外光電效應(yīng) 在光線作用下，電子獲得光子的能量從而脫離正電荷的束縛，使電子逸出物體表面，這種效應(yīng)稱為外光電效應(yīng)，這種現(xiàn)象稱為光電發(fā)射。 已知每個(gè)光子具有的能量為：式中 h 普朗克常數(shù) 光的頻率 ( )hv) sJ (10626. 634h1s 當(dāng)物體在光線照射作用下，一個(gè)電子吸收了一個(gè)光子的能

3、量后，其中的一部分能量消耗于電子由物體內(nèi)逸出表面時(shí)所作的逸出功，另一部分則轉(zhuǎn)化為逸出電子的動能。根據(jù)能量守恒定律，可得式中 A0 電子逸出物體表面所需的功 m 電子的質(zhì)量， v0 電子逸出物體表面時(shí)的初速度20021mVAhvkg10109. 931m(7.2) 式（7.2）即為著名的愛因斯坦光電方程式，它闡明了光電效應(yīng)的基本規(guī)律。由上式可知：（1）電子能否逸出物體表面取決于光子具有的能量是否大于，而只與光的頻率有關(guān)，因此電子能否逸出物體表面取決于光的頻率，與光強(qiáng)無關(guān)，光強(qiáng)再大也不會產(chǎn)生光電發(fā)射。（2）如果產(chǎn)生了光電發(fā)射，在入射光頻率不變的情況下，逸出的電子數(shù)目與光強(qiáng)成正比。光強(qiáng)愈強(qiáng)意味著入射

4、的光子數(shù)目愈多，受轟擊逸出的電子數(shù)目也愈多。 基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管等。7.1.2 內(nèi)光電效應(yīng) 物體受光照射后，其內(nèi)部的原子釋放出電子，這些電子仍留在物體內(nèi)部，使物體的電阻率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動勢的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。1光電導(dǎo)效應(yīng) 在光線的作用下，半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)，簡稱光導(dǎo)效應(yīng)。從半導(dǎo)體物理學(xué)可知，半導(dǎo)體材料導(dǎo)電能力的大小取決于半導(dǎo)體內(nèi)載流子的數(shù)目，載流子數(shù)目愈多，導(dǎo)電愈容易，即半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率愈大。 通常半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子是處于穩(wěn)定（束縛）狀態(tài)的，當(dāng)價(jià)電子從外界獲得足夠能量后，就能從束縛狀態(tài)變成自

5、由狀態(tài)，成為一個(gè)自由電子，同時(shí)在原來的位置上形成一個(gè)空穴，自由電子和空穴都能夠參與導(dǎo)電，這樣就增加了半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率。用光照射半導(dǎo)體時(shí)，若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，則禁帶中的電子吸收一個(gè)光子就足以躍遷到導(dǎo)帶，使被激發(fā)出來的電子成為一個(gè)自由電子，同時(shí)也產(chǎn)生一個(gè)空穴，從而增強(qiáng)了材料的導(dǎo)電性能，使材料的電阻值降低。一般來說，照射的光線愈強(qiáng)，阻值變得愈低，半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電能力愈強(qiáng)。光照停止后，自由電子與空穴逐漸復(fù)合，電阻值又恢復(fù)到原值。 具有光導(dǎo)效應(yīng)的材料稱為光導(dǎo)體，除金屬外，大多數(shù)半導(dǎo)體和絕緣體都具有光導(dǎo)效應(yīng)，但都很小。實(shí)際上只有少數(shù)幾種材料能制造光敏元件。 基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件有

6、光敏電阻，以及由光敏電阻制成的光導(dǎo)管等。2光生伏特效應(yīng) 在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)可分為兩類：（1）結(jié)光電效應(yīng)。 以PN結(jié)為例，當(dāng)光照射PN結(jié)時(shí)，若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，則使價(jià)帶的電子躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生自由電子空穴對。在PN結(jié)阻擋層內(nèi)電場的作用下，被激發(fā)的電子移向N區(qū)的外側(cè)，被激發(fā)的空穴移向P區(qū)的外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動勢。 基于結(jié)光電效應(yīng)的光電元件有光電池和光電晶體管等。（2）側(cè)向光電效應(yīng)。 當(dāng)光照射半導(dǎo)體光電器件的靈敏面時(shí)，光照部分吸收了能量便產(chǎn)生自由電子空穴對，光照部分的載流子濃度比未被光照部分的載流子濃

7、度高，因此在半導(dǎo)體材料中就產(chǎn)生了濃度梯度，這樣由光照部分和未被光照部分的載流子濃度的不同而產(chǎn)生了電動勢，這種效應(yīng)被稱為側(cè)向光電效應(yīng)。 基于側(cè)向光電效應(yīng)的光電元件有位置光敏元件等。7.2.1光電管1光電管的結(jié)構(gòu)及工作原理 光電管有真空光電管和充氣光電管兩類，二者結(jié)構(gòu)相似，它們由一個(gè)涂有光電材料的陰極K和一個(gè)陽極A封裝在玻璃殼內(nèi)，如圖7-2（a）所示。當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí)，陰極就會發(fā)射電子，由于陽極的電位高于陰極，在電場力的作用下，陽極便收集到由陰極發(fā)射出來的電子，因此，在光電管組成的回路中形成了光電流I，并在負(fù)載電阻RL上輸出電壓UO。如圖7-2（b）所示。在入射光的頻譜成分和光電管電壓不變的

8、條件下，輸出電壓 UO與入射 光通量成正比。.圖7-2 光電管的結(jié)構(gòu)及工作原理2光電管的主要性能指標(biāo) 光電管的性能指標(biāo)主要有伏安特性、光照特性、光譜特性、響應(yīng)特性、響應(yīng)時(shí)間、峰值探測率和溫度特性等。下面僅對其中的主要性能指標(biāo)作一簡單介紹。（1）光電管的伏安特性 光電管的伏安特性是指在一定的光通量照射下，其陽極與陰極之間的電壓UA與光電流I之間的關(guān)系。 在一定光通量照射下，光電管陰極在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射一定數(shù)量的光電子，這些光電子分散在陽極與陰極之間的空間，若在陽極上施加電壓，則光電子被陽極吸引而收集，形成回路中的光電流。 當(dāng)陽極電壓較小時(shí)，陰極發(fā)射的光電子只有一部分被陽極收集，其余部分仍返回陰極。

9、 隨著陽極電壓的升高，陽極在單位時(shí)間內(nèi)收集到的光電子數(shù)目增多，光電流I也增加。如果陽極電壓升高到一定數(shù)值時(shí)，陰極在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子全部被陽極收集，這種狀態(tài)稱為飽和狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到飽和時(shí)，陽極電壓再升高，光電流I也不會增加。圖7-3繪出了光電管在不同光通量下的伏安特性曲線。 . 圖7-3 光電管的伏安特性 （2）光電管的光譜特性 光電管的光譜特性通常是指陽極和陰極之間所加電壓不變時(shí)，入射光的波長（或頻率）與其絕對靈敏度的關(guān)系。它主要取決于陰極材料，不同陰極材料的光電管適用于不同的光譜范圍，另一方面，不同光電管對于不同頻率（即使光強(qiáng)度相同）的入射光，其靈敏度也不同，常用的光電陰極有銀氧銫光電陰極

10、、銻銫光電陰極等。（3）光電管的光照（電）特性 光照（電）特性是指光電管陽極電壓和入射光頻譜不變的條件下，入射光的光通量與光電流之間的關(guān)系，其特性曲線如圖7-4所示。在光電管陽極電壓足夠大，使光電管工作在飽和電流狀態(tài)條件下，入射光通量和光電流呈線性關(guān)系。圖7-4中曲線1表示銀氧銫光電管的光照特性，曲線2為銻銫陰極光電管的光照特性。光照特性曲線的斜率即光電流對入射光通量的變化率稱為光電管的靈敏度。.圖7-4 光電管的光照特性 7.2.2光電倍增管 當(dāng)入射光很微弱時(shí)，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點(diǎn)幾個(gè)微安，造成的測量誤差將很大，甚至無法檢測。為了提高光電管的靈敏度，在光電管的陰極和陽極之間安

11、裝一些倍增極，就構(gòu)成了光電倍增管。光電倍增管實(shí)際上是光電陰極和二次電子倍增器的結(jié)合。當(dāng)電子或光子以足夠大的速度轟擊金屬表面而使內(nèi)部的電子逸出金屬表面時(shí)，這種逸出金屬表面的電子叫做二次電子。二次電子的數(shù)目不僅取決于入射光粒子的數(shù)目，還與入射光粒子的速度、金屬的性質(zhì)等有關(guān)。1光電倍增管的結(jié)構(gòu)和工作原理 光電倍增管由光陰極、次陰極（倍電極）以及陽極三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖7-5（a）所示。光陰極由半導(dǎo)體材料銻銫制成；次陰極是在鎳或銅-鈹襯底上涂銻銫材料而形成的，通常為1214級，多者達(dá)30級；陽極是最后用來收集電子的，它輸出的是電壓脈沖。.圖7-5光電倍增管的結(jié)構(gòu)及電路 使用光電倍增管時(shí)，在各個(gè)倍增電

12、極上均加電壓，陰極電位最低，各個(gè)倍增電極的電位依次升高，陽極電位最高。由于相鄰兩個(gè)倍增電極之間有電位差，因此，存在加速電場，對電子加速。從陰極發(fā)出的電子，在電場的加速下，打在電位比陰極高的第一倍增電極上，產(chǎn)生36倍的二次電子，被打出來的二次電子再經(jīng)過加速電場的加速，又打在比第一倍增電極電位高的第二倍增電極上，電子數(shù)目又增加36倍，如此不斷連續(xù)倍增，直到最后一級的 倍增極產(chǎn)生的二次電子被更高電位的陽極收集為止，其電子數(shù)將到達(dá)陰極發(fā)射電 子數(shù)的105106倍.從而在整個(gè)回路里形成光電流IA，見圖7-5（b）所示。光電倍增管的放大倍數(shù)很高，一般可達(dá)106，它的靈敏度比普通光電管高幾萬到幾百萬倍，因此

13、，在很微弱的光照時(shí)，它能夠產(chǎn)生很大的光電流。2光電倍增管的主要參數(shù)和特性（1）光電倍增管的倍增系數(shù)與工作電壓的關(guān)系 光電倍增管若倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù)為，則具有n個(gè)相同倍增極的光電倍增管的倍增系數(shù)為nM因此陽極電流為nKAII式中， 光陰極的光電流此光電倍增管的電流放大倍數(shù)為 KInKAII 光電倍增系數(shù)與工作電壓的關(guān)系是光電倍增管的重要特性。隨著工作電壓的增加，倍增系數(shù)也相應(yīng)增加，如圖7-6所示。一般在 105106 之間，如果電壓有波動，倍增系數(shù)也要波動，因此，M具有一定的統(tǒng)計(jì)漲落。 .圖7-6 倍增系數(shù)與工作電壓的關(guān)系（2）光電倍增管的伏安特性 光電倍增管的伏安特性也叫陽極特性，它是指

14、陰極與各倍增極之間電壓保持恒定條件下，陽極電流IA（光電流）與最后一級倍增極和陽極間電壓UAD的關(guān)系，典型光電倍增管伏安特性如圖7-7所示。它是在不同光通量下的一組曲線族。象光電管一樣，光電倍增管的伏安特性曲線也有飽和區(qū)，照射在光電陰極上的光通量越大，飽和陽極電壓越高，當(dāng)陽極電壓非常大時(shí)，由于陽極電位過高，使倒數(shù)第二級倍增極發(fā)出的電子直接奔向陽極，造成最后一級倍增極的入射電子數(shù)減少，影響了光電倍增管的倍增系數(shù)，因此，伏安特性曲線過飽和區(qū)段后略有降。 .圖7-7 光電倍增管的伏安特性 （3）光電倍增管的光電特性 光電倍增管的光電特性是指陽極電流（光電流）與光電陰極接收到的光通量之間的關(guān)系. 典型

15、光電倍增管的光電特性如圖7-8所示。圖中當(dāng)光通量在10-1310-4lm（流明）之間，光電特性曲線具有較好的線性關(guān)系，當(dāng)光通量超過10-4lm時(shí)曲線就明顯向下彎曲，其主要原因是強(qiáng)光照射下，較大的光電流使后幾級倍增極疲勞，靈敏度下降，因此，使用時(shí)光電流不要超過1毫安。 . 圖7-8 光電倍增管的光電特性（4）光電倍增管的暗電流 光電倍增管暗電流的定義和產(chǎn)生的原因與光電管一樣，只是多了倍增極二次發(fā)射的影響。光電倍增管中光電陰極和各倍增極都有熱電子發(fā)射，由于光電倍增管中電流是逐級倍增的，所以在熱電子發(fā)射中，光電陰極和第一倍增極的熱電子發(fā)射是主要的。為了減少由管座各極之間漏電流形成的暗電流，有時(shí)將陽極

16、單獨(dú)引出來，此外，管內(nèi)電子將殘余氣體和銫原子電離，正離子將奔向陰極并轟擊產(chǎn)生二次電子發(fā)射，這些電子再經(jīng)倍增極放大輸出，增加了暗電流。 總之，影響暗電流的因素很多。在實(shí)際應(yīng)用中要具體問題，分別處理，以達(dá)到實(shí)用要求。7.2.3光敏電阻1光敏電阻的結(jié)構(gòu)和工作原理 光敏電阻是利用光導(dǎo)材料的內(nèi)光電效應(yīng)制成的沒有極性的電阻器件。 結(jié)構(gòu): 光敏電阻的結(jié)構(gòu)比較簡單，如圖7-9（a）所示。它是在玻璃底板上均勻地涂上薄薄的一層半導(dǎo)體物質(zhì)，半導(dǎo)體的兩端裝上金屬電極，使電極與半導(dǎo)體層可靠地電接觸，然后將它們壓入塑料封裝體內(nèi).為了防止周圍介質(zhì)的污染， . (a) (b) 圖7-9 光敏電阻的結(jié)構(gòu)和原理 在半導(dǎo)體光敏層上

17、覆蓋一層漆膜，漆膜成分的選擇應(yīng)該使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，光照就能改變電路中電流的大小。工作原理: 光敏電阻既可在直流電壓下工作，也可在交流電壓下工作。如圖7-9（b）所示為光敏電阻在直流電路中的工作情況，具體如下: (1)當(dāng)無光照時(shí)，雖然不同的材料光敏電阻的數(shù)據(jù)不大相同，但它們的阻值一般可在1100M之間，由于其阻值 太大，使得流過電路中的電流很??；(2)當(dāng)有光照射時(shí)，光敏電阻的阻值變小，電路中的電流增大。根據(jù)電路中電流的變化值，便可測出照射光線的強(qiáng)弱。當(dāng)光照停止時(shí)，光電效應(yīng)自動消失，電阻又恢復(fù)到原值 說明: 光敏電阻靈敏度高

18、、光譜特性好、使用壽命長、穩(wěn)定性能高、體積小以及制造工藝簡單，所以，被廣泛地應(yīng)用于照相機(jī)、防盜報(bào)警器、火災(zāi)報(bào)警器以及自動化控制技術(shù)中。 2光敏電阻的技術(shù)特性和主要參數(shù)（1）暗電阻、暗電流 將光敏電阻置于室溫、無光照射的全暗條件下，經(jīng)過一定穩(wěn)定時(shí)間之后，測得的阻值稱為暗電阻。此時(shí)，在給定工作電壓下測得光敏電阻中的電流稱為暗電流。（2）亮電阻、光電流 光敏電阻在受到光照射時(shí)，測得的電阻值稱為亮電阻。這時(shí)在給定工作電下測得光敏電阻中的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差稱為光敏電阻的光電流。 實(shí)用中光敏電阻的暗電阻值一般在1100M之間，而亮電阻通常在幾k以下。暗電阻與亮電阻之差越大，光敏電阻性能越好

19、，靈敏度也越高。（3）光敏電阻的光電特性 在一定電壓作用下，光敏電阻的光電流I（A）與照射光通量的關(guān)系，稱為光電特性，如圖7-10所示。不同材料的光敏電阻其光電特性是不同的，絕大多數(shù)光敏電阻的光電特性是非線性的，當(dāng)光照強(qiáng)度較大時(shí)有飽和趨向，因此，光敏電阻不宜作測量元件，只能作光電導(dǎo)開關(guān)元件使用。（4）光譜特性 每種半導(dǎo)體材料的內(nèi)光電效應(yīng)對入射光的光譜都具有選擇作用，因此，不同材料制成的光敏電阻都有自己的光譜特性，即每種光敏電阻對不同波長的入射光有不同的靈敏度，而且對應(yīng)最大靈敏度的光波長也不同，圖7-11給出了硫化鎘等材料的光敏電阻的光譜特性。. 圖7.10 硒光敏電阻的光電特性 圖7.11光敏

20、電阻的光譜特性（5）伏安特性 伏安特性是指在恒定光通量照射下，光敏電阻的電壓與光電流之間的關(guān)系，如圖7-12所示是硫化鎘光敏電阻的伏安特性。由圖看出，光敏電阻的電壓與電流之間的關(guān)系服從歐姆定律，但在不同照度下，曲線的斜率是不同的，這表明光敏電阻的阻值是隨光照度的變化而變化的。 同一般電阻一樣，光敏電阻兩端的電壓有個(gè)限制，電壓過高會失去線性關(guān)系，此外，光敏電阻也有最大額定功率（耗散功率）的限制，超過最高工作電壓和最大工作電流都能導(dǎo)致光敏電阻永久性的破壞。.圖7-12 硫化鎘光敏電阻的伏安特性 圖7-13 光敏電阻的頻率特性6）頻率特性 這里所說的頻率不是入射光的頻率，而是指入射光強(qiáng)度變化的頻率。

21、當(dāng)光敏電阻受到脈沖光的作用時(shí)，光電流并不立即上升到穩(wěn)態(tài)值，這個(gè)上升過程要經(jīng)歷一段時(shí)間，同樣，光照停止后光電流也不立刻從穩(wěn)態(tài)值下降到暗電流，也需要一段時(shí)間。這表明，光敏電阻中光電流隨光強(qiáng)度的變化具有一定的慣性，通常用時(shí)間常數(shù)表示。 若入射光照射時(shí)間較短，光電流還未上升到穩(wěn)態(tài)值，入射光就消失了，光敏電阻來不及作出應(yīng)有的反映，光電流就降低了，靈敏度當(dāng)然也要降低，所以，隨著入射光強(qiáng)度變化的加快，即頻率的增加，光敏電阻靈敏度隨著降低。不同材料的光敏電阻具有不同的時(shí)間常數(shù)，即響應(yīng)的快慢不同，圖7-13給出了幾種光敏電阻的頻率特性。其中硫化鉛光敏電阻有較好的頻率特性，即它對光強(qiáng)的變化反應(yīng)快，動態(tài)特性好。光敏

22、電阻的響應(yīng)時(shí)間還與光強(qiáng)有關(guān)，光強(qiáng)越大，響應(yīng)時(shí)間越短。 總之，光敏電阻的慣性比較大，如鉈氧硫光敏電阻的靈敏度在100HZ時(shí)已經(jīng)比恒光通量下的靈敏度下降了1/22/3，硫化鉛光敏電阻的靈敏度一直到5000HZ幾乎不變，但與光電管相比還是比較差的，因此，盡管光敏電阻靈敏度比光電管高得多，但在許多地方仍然選用光電管。（7） 溫度特性 光敏電阻與其它半導(dǎo)體器件一樣，它的特性受溫度的影響較大。溫度升高將導(dǎo)致光敏電阻的暗電阻值變小，靈敏度下降。其光譜特性也向短波方向移動，硫化鉛光敏電阻光譜溫度特性曲線如圖7-14所示。溫度特性可用溫度系數(shù)來表示，溫度系數(shù)越小越好。 表7-1列出了幾種國產(chǎn)光敏電阻的參數(shù)，使用

23、時(shí)，僅供參考。. 圖7-14 硫化鉛光敏電阻光譜溫度特性曲線.表7-1 幾種國產(chǎn)光敏電阻參數(shù)7.2.4光電二極管和光電三極管1光電二極管 (1)光電二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理 結(jié)構(gòu): 光電二極管的材料和結(jié)構(gòu)與普通二極管類似。它的 管芯是一個(gè)具有光敏特性的PN結(jié)，封裝在透明玻璃殼內(nèi)。PN結(jié)裝在管子的頂部，并有一個(gè)透明窗口，可使入射光集中照射在PN結(jié)的敏感面上。 工作原理: 光電二極管在電路中一般處于反向工作狀態(tài)，光電二極管的結(jié)構(gòu)和電路連接如圖7-15所示。當(dāng)無光照時(shí)光電二極管的反向電阻很大，電路中只有很小的反向電流（稱為暗電流），一般為10-810-9A，此時(shí)相當(dāng)于光電二極管截止；當(dāng)有光照時(shí)，PN結(jié)

24、附近受光子的轟擊，半導(dǎo)體內(nèi)被束縛的價(jià)電子吸收光子能量，產(chǎn)生電子空穴對，并在PN結(jié)所形成的內(nèi)電場作用下作定向運(yùn)動而形成光電流，光照強(qiáng)度越大，光電流就越大，故光電二極管不受光照射時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)。光電流流過負(fù)載電阻RL時(shí)，在電阻兩端將得到隨入射光變化的電壓信號，光電二極管就是這樣完成光電功能轉(zhuǎn)換的。.圖7-15 光敏二極管的結(jié)構(gòu)及電路（2）光電二極管的主要技術(shù)參數(shù)（a）最高反向工作電壓 是指光電二極管在無光照條件下，反向漏電流不大于0.1A時(shí)所能承受的最高反向電壓值。（b）暗電流 指光電二極管在無光照、最高反向工作電壓條件下的漏電流。暗電流越小，光電二極管的性能越穩(wěn)定，檢測弱

25、光的能力越強(qiáng)。一般鍺光電二極管的暗電流較大，約為幾個(gè)A，硅光電二極管的暗電流則小于0.1A。 （c） 光電流 指光電二極管受一定光照，在最高反向電壓下產(chǎn)生的電流，其值越大越好。 （d） 靈敏度 反映光電二極管對光的敏感程度的一個(gè)參數(shù)，通常用在每微瓦的入射光能量下而產(chǎn)生的光電流來表示。其值越高，說明光電二極管對光的反應(yīng)越靈敏。 （e）響應(yīng)時(shí)間 表示光電二極管將光信號轉(zhuǎn)換成電信號所需的時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間越短， 說明其光電轉(zhuǎn)換的速度越快，即工作頻率就越高。 除此之外，光電二極管的參數(shù)還有結(jié)電容、正向壓降、光譜范圍和峰值波長等。本書從略，請參閱有關(guān)資料。2光電三極管（1）三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理圖7-16

26、光電三極管的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用電路 工作原理: 將光電三極管接在如圖7-16（b）所示的電路中，在正常情況下，集電結(jié)為受光結(jié)（相當(dāng)于一個(gè)二極管）。集電極相對于發(fā)射極為正電壓，而基極開路，則集電結(jié)處于反向偏置。 無光照射時(shí)，在外電路中有暗電流（此電流即為光電三極管集電極與發(fā)射級之間的穿透電流） cboceo)1 (II 當(dāng)光照射在光敏面（集電結(jié)）上時(shí)，光照激發(fā)產(chǎn)生的光生電子空穴對增加了少數(shù)載流子的濃度，由于集電結(jié)處于反向偏置，使內(nèi)電場增強(qiáng)。在內(nèi)電場的作用下，光生電子漂移到集電區(qū)，在基區(qū)留下空穴，使基極電位升高，促使發(fā)射區(qū)有大量電子經(jīng)基區(qū)被集電區(qū)收集而形成放大的集電極光電流 .SCII（2）光電三極管的基

27、本特性（a）光譜特性 圖7-17 光電三極管光譜特性（b）伏安特性 圖7-18 光電三極管伏安特性 （c）光電特性 圖 7-19 光電三極管光電特性（d）溫度特性 圖7-20 光電三極管的溫度特性（e）時(shí)間常數(shù) 光電三極管由于存在發(fā)射結(jié)電容，加之載流子通過面積較大的基區(qū)時(shí)間較長，因此，它的時(shí)間常數(shù)比光電二極管要長，一般在10-510-4（s）之間。（f）頻率特性 指在恒定電壓和光強(qiáng)幅度恒定條件下，入射光強(qiáng)度變化的頻率與光電流（或相對靈敏度）的關(guān)系 . 圖7-21 頻率特性 光電池是在光照下，能直接將光通量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱觿莸囊环N光電元件。在光照作用下，光電池實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)電壓源。光電池的種類很多，有

28、硒光電池、鍺光電池、硅光電池、氧化鉈光電池、硫化鎘光電池、砷化鎵光電池等。其中最受重視的是硅光電池和硒光電池，下面著重以這兩種光電池為例加以介紹。1光電池的結(jié)構(gòu)與工作原理 圖7-22 光電池結(jié)構(gòu)示意圖原理: 當(dāng)入射光子的能量足夠大時(shí)，P區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對光生電子空穴對，在表面對光子的吸收最多，激發(fā)出的電子空穴對也最多，越向內(nèi)部越小，因此，光生電子空穴對的濃度由表面向內(nèi)部迅速下降，形成由表及里擴(kuò)散的自然趨勢。在PN結(jié)內(nèi)電場的作用下，使擴(kuò)散到PN結(jié)附近的電子空穴對分離，電子被拉到N型區(qū)，空穴則留在P型區(qū)，使N區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時(shí)間，新的平衡狀態(tài)建立后，PN結(jié)兩

29、側(cè)就有一個(gè)穩(wěn)定的光電流或光生電動勢輸出。2光電池的主要特性（1） 光譜特性 圖7-23 硒和硅光電池的光譜特性（2）光電池的頻率特性 由于光電池受光照射產(chǎn)生電子空穴對，光照 消失后電子空穴對的復(fù)合，都需要一定的時(shí)間，因此，當(dāng)入射光的調(diào)制頻率太高時(shí)，光電池輸出的光電流將下降。圖7-24示出光的調(diào)制頻率f和光電池相對輸出電流I關(guān)系曲線。由圖可看出，硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，硅光電池的工作頻率上限約為數(shù)十kHZ，而硒光電池的頻率特性較差，上限頻率只有幾kHZ。圖7-24 光電池的頻率特性 （3） 光電池的伏安特性 圖7-25 硅光電池的伏安特性（4）光電池的光電特性 圖7-26 硅光電池的光電特性

30、 （5）硅光電池的溫度特性 圖7-27 硅光電池的溫度特性 光電耦合器件是將發(fā)光元件與受光器件組合在同一個(gè)密封體內(nèi)的組合器件，即將發(fā)光元件、受光器件及信號處理電路集成在一塊芯片上。工作時(shí)，將信號加到輸入端，使發(fā)光元件發(fā)光，照射到受光器件使之輸出光電流，從而實(shí)現(xiàn)電光電兩次轉(zhuǎn)換，通過光實(shí)現(xiàn)了輸入端和輸出端之間的耦合。 由于光電耦合器件是以光為傳輸信號的媒介，因此，它具有下列特點(diǎn)： （1）光電耦合器件實(shí)現(xiàn)了以光為媒介的傳輸，因而，保證了輸入端和輸出端之間的隔離，使輸入端和輸出端之間的絕緣電阻很高，一般都大于，耐壓也很高，具有良好的隔離性。 （2）具有信號的單向傳輸和不可逆性。信號只能從發(fā)光源單向傳輸

31、到受光器件，而不會可逆?zhèn)鬏敚瑐鬏斝盘柌粫绊戄斎攵恕?（3）發(fā)光源使用砷化鎵發(fā)光二極管，它具有低電阻的特點(diǎn)，可以抑制干擾，消除噪聲。 （4）響應(yīng)速度快，可用于高頻電路。 （5）結(jié)構(gòu)簡單，無觸點(diǎn)，體積小，壽命長。 由于上述特點(diǎn)，光電耦合器件廣泛用于電路隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制、無觸點(diǎn)開關(guān)及固態(tài)繼電器等場合。 圖7-28為4N28光電耦合器件的外型結(jié)構(gòu)和常用符號，它的外型結(jié)構(gòu)為雙列直插式，其中3腳為空腳，6腳為三極管的基極引線，但在實(shí)際應(yīng)用中很少使用。表7-3為4N28光電耦合器件的主要技術(shù)數(shù)據(jù)。圖7-28 4N28光電耦合器7.3.1 燈光亮度自動控制器圖7-29 燈光亮度自動控制器原理圖 燈光亮度自動控制器的電路框圖如圖7-29所示。它主要由環(huán)境光照檢測電橋、放大器、積分器、比較器、過零比較器、鋸齒波形發(fā)生器、雙向晶閘管等組成。過零比較器對50Hz市電電壓的每次過零點(diǎn)進(jìn)行檢測，并控制鋸齒波發(fā)生器使其產(chǎn)生與市電同步的鋸齒波電壓，加在比較器的同相輸入端。由光敏電阻與電阻構(gòu)成的電橋?qū)h(huán)境光照的變化轉(zhuǎn)換成直流電壓的變化，該電壓經(jīng)放大并由積分電路積分后加到比較器的反相端，其數(shù)值隨環(huán)境光照的變化而緩慢地成比例的變化。上述兩個(gè)電壓經(jīng)比較器比較后，由比較器輸出端得到脈沖寬度隨環(huán)境光照度變化而變化的與市電頻率不同步的