第8章光電效應(yīng)及光電器件

1、主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：概述概述光信號(hào)光信號(hào)光電傳感器光電傳感器電信號(hào)電信號(hào)光柵光柵光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)光敏電阻光敏電阻光敏管光敏管 8. 1 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 光電器件工作原理主要利用各種光電器件工作原理主要利用各種光電效應(yīng)光電效應(yīng)J 光電效應(yīng)可分為：光電效應(yīng)可分為： 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 在光線作用下電子逸出物體表面向外發(fā)射稱在光線作用下電子逸出物體表面向外發(fā)射稱外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)。 Ehh 普朗克常數(shù)普朗克常數(shù) ( ) 光的頻率（光的頻率（Hz） 每個(gè)光子具有能量每個(gè)光子具有能量 J.S1/波長(zhǎng)短，頻率

2、高，能量波長(zhǎng)短，頻率高，能量大。式中：式中： 入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電子與光強(qiáng)成正比入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電子與光強(qiáng)成正比 。 光照射物體時(shí)電子吸收入射光子的光照射物體時(shí)電子吸收入射光子的能量能量 ，當(dāng)物體吸入的能量超出物體當(dāng)物體吸入的能量超出物體逸出功逸出功A A 時(shí)，時(shí)，電子就會(huì)逸出物體表面，產(chǎn)生電子就會(huì)逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射光電子發(fā)射。 超出的能量就表現(xiàn)在電子逸出的動(dòng)能上。超出的能量就表現(xiàn)在電子逸出的動(dòng)能上。 能否產(chǎn)生光電效應(yīng)，取決于能否產(chǎn)生光電效應(yīng)，取決于光子的能量是光子的能量是否大于物體表面的電子逸出功。否大于物體表面的電子逸出功。2012EhmvA 光子具

3、有的能量與電子的動(dòng)能可光子具有的能量與電子的動(dòng)能可由能量守恒定律由能量守恒定律表示為表示為2012mv 為一個(gè)電子逸出的動(dòng)能（能量）；為一個(gè)電子逸出的動(dòng)能（能量）； m 為電子質(zhì)量為電子質(zhì)量 ，0電子逸出物體表面時(shí)的速度；電子逸出物體表面時(shí)的速度； A 為電子的逸出功。為電子的逸出功。 ( (愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程) )光電子光電子光照射光照射e入射光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱入射光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)。這種效應(yīng)幾乎所有高電阻率半導(dǎo)體都有，在入射光作用下這種效應(yīng)幾乎所有高電阻率半導(dǎo)體都有，在入射光作用下電子吸收光子能量電子吸收光子能量，電子從價(jià)

4、帶激發(fā)到導(dǎo)帶過(guò)度到自由狀，電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶過(guò)度到自由狀態(tài)，同時(shí)價(jià)帶也因此形成自由空穴，使導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空態(tài)，同時(shí)價(jià)帶也因此形成自由空穴，使導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴濃度增大引起穴濃度增大引起電阻率減小電阻率減小。8.1.2 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 為使電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，為使電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，入射光子的能量應(yīng)大于禁帶入射光子的能量應(yīng)大于禁帶 寬度的能量寬度的能量 E0Eg基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件有基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻光敏電阻。1 1）光電導(dǎo)效應(yīng)）光電導(dǎo)效應(yīng) 為什么為什么PN結(jié)會(huì)因光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)呢？結(jié)會(huì)因光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)呢？PN- - - -+ + + +- -+ +光源

5、下面分兩種情況討論：下面分兩種情況討論：2 2） 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料吸收光能后，在料吸收光能后，在PN結(jié)上結(jié)上 產(chǎn)生產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。的效應(yīng)。 當(dāng)光照射在當(dāng)光照射在P-N結(jié)時(shí)，如果光電子能量足夠大，就可結(jié)時(shí)，如果光電子能量足夠大，就可激發(fā)出電子激發(fā)出電子空穴對(duì)，在空穴對(duì)，在P-N結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下空穴結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下空穴移向移向P區(qū)，而電子移向區(qū)，而電子移向N區(qū)，使區(qū)，使P區(qū)和區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生電區(qū)之間產(chǎn)生電壓，這個(gè)電壓就是壓，這個(gè)電壓就是光生電動(dòng)勢(shì)光生電動(dòng)勢(shì). 基于這種效應(yīng)的器件有基于這種效應(yīng)的器件有光電池。光電池。PN電子電子空穴空穴- -

6、 - -+ + + +- -+ +光源 無(wú)光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很??；無(wú)光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小； 有光照時(shí)，產(chǎn)生光生電子有光照時(shí)，產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)，在外電場(chǎng)作用下，空穴對(duì)，在外電場(chǎng)作用下，光生電子光生電子N，空穴，空穴P 運(yùn)動(dòng)，形成光電流運(yùn)動(dòng)，形成光電流Ig。- -+ + 處于反偏時(shí)的處于反偏時(shí)的P-N結(jié)結(jié)（給（給P-N結(jié)加電場(chǎng)）結(jié)加電場(chǎng)） 電流方向與反向電流一致，電流方向與反向電流一致， 光照強(qiáng)光電流越大。光照強(qiáng)光電流越大。 具有這種性能的器件有：具有這種性能的器件有： 光敏二極管光敏二極管、光敏晶體管光敏晶體管 從原理上講，不加偏壓的光從原理上講，不加偏壓的光 電二極

7、管就是光電池。電二極管就是光電池。 光敏二極管通常光敏二極管通常加反向電壓。加反向電壓。PN電子電子空穴空穴- - - -+ + + +光源IgIgE E8.2 光電器件光電器件 8.2.1 光電管光電管RLUI 光強(qiáng) 光電管是一個(gè)抽真空或充惰性氣體的玻璃管，內(nèi)部有光光電管是一個(gè)抽真空或充惰性氣體的玻璃管，內(nèi)部有光陰極陰極K、陽(yáng)極、陽(yáng)極A，光陰極涂有光敏材料；，光陰極涂有光敏材料； 當(dāng)光線照射在光敏材料上時(shí)，如果光子的能量當(dāng)光線照射在光敏材料上時(shí)，如果光子的能量E大于電大于電子的逸出功子的逸出功A（EA），會(huì)有電子逸出產(chǎn)生光電子發(fā)射），會(huì)有電子逸出產(chǎn)生光電子發(fā)射. 電子被帶有正電的陽(yáng)極電子被帶

8、有正電的陽(yáng)極吸引在光電管內(nèi)形成電吸引在光電管內(nèi)形成電子流，電流在回路電子流，電流在回路電阻阻 RL上產(chǎn)生正比于電流大上產(chǎn)生正比于電流大小的壓降。小的壓降。 光照很弱時(shí)，光電管產(chǎn)生的電流很小，為提高靈敏度常光照很弱時(shí)，光電管產(chǎn)生的電流很小，為提高靈敏度常常使用光電倍增管。常使用光電倍增管。 光電倍增管是利用光電倍增管是利用二次電子釋放二次電子釋放效應(yīng)，高速電子撞擊固效應(yīng)，高速電子撞擊固體表面，發(fā)出二次電子，將光電流在管內(nèi)進(jìn)行放大。體表面，發(fā)出二次電子，將光電流在管內(nèi)進(jìn)行放大。8.2.2 光電倍增管光電倍增管光電倍增管與普通光電管不同光電倍增管與普通光電管不同,在光陰極和陽(yáng)極之間加了在光陰極和陽(yáng)極

9、之間加了許多許多倍增極倍增極（10級(jí)左右），在陽(yáng)極和陰極之間加有幾級(jí)左右），在陽(yáng)極和陰極之間加有幾百上千伏的高壓，每個(gè)倍增極間分壓有百上千伏的高壓，每個(gè)倍增極間分壓有100200V；光電倍增管的電流增益很大在光電倍增管的電流增益很大在105106之間。倍增極外加之間。倍增極外加電壓電壓Ud與與增益增益G的關(guān)系近似為：的關(guān)系近似為：NdGKUKN光電倍增管不能直接受強(qiáng)光照光電倍增管不能直接受強(qiáng)光照射射,否則會(huì)損壞否則會(huì)損壞.通常密封使用。通常密封使用。式中：式中： 常數(shù)常數(shù) 倍增極數(shù)倍增極數(shù) 光敏電阻的工作原理是光敏電阻的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)基于光電導(dǎo)效應(yīng) 光敏電阻結(jié)構(gòu)光敏電阻結(jié)構(gòu) 是在玻璃

10、底版上涂一層對(duì)光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，兩端是在玻璃底版上涂一層對(duì)光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，兩端 有梳狀金屬電極，然后在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜。有梳狀金屬電極，然后在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜。光敏電阻結(jié)構(gòu)光敏電阻結(jié)構(gòu)8.2.3 光敏電阻光敏電阻光敏電阻符號(hào)光敏電阻符號(hào)光導(dǎo)體光導(dǎo)體8.2.3 光敏電阻光敏電阻 光敏電阻光照特性光敏電阻光照特性 無(wú)無(wú)光照光照時(shí)，內(nèi)部電子被原子束縛，具有很高的電阻值；時(shí)，內(nèi)部電子被原子束縛，具有很高的電阻值； 有光照有光照時(shí)，電阻值隨光強(qiáng)增加而降低；時(shí)，電阻值隨光強(qiáng)增加而降低； 光照停止光照停止時(shí)，自由電子與空穴復(fù)合，電阻恢復(fù)原值。時(shí)，自由電子與空穴復(fù)合，電阻恢復(fù)原值。1.1.伏安特

11、性伏安特性 給定光照度給定光照度，電壓越大光電流越大；，電壓越大光電流越大； 給定偏壓給定偏壓，光照越大光電流越大；，光照越大光電流越大； 光敏電阻的伏安特性曲線不彎曲、光敏電阻的伏安特性曲線不彎曲、 無(wú)飽和，但受最大功耗限制。無(wú)飽和，但受最大功耗限制。 基本特性基本特性 光照度為單位面積的光通量光照度為單位面積的光通量 Lx = lm（流明）（流明）/s 光敏電阻光敏電阻靈敏度靈敏度與入射與入射波長(zhǎng)波長(zhǎng)有關(guān)有關(guān); 靈敏度與半導(dǎo)體靈敏度與半導(dǎo)體摻雜摻雜的材料有關(guān)，的材料有關(guān)，圖例中材料與相對(duì)靈敏度峰位波長(zhǎng)圖例中材料與相對(duì)靈敏度峰位波長(zhǎng)硫化鎘（硫化鎘（CdS）0.30.8 (m)硫化鉛（硫化鉛（

12、PbS）1.03.5 (m)硫化鉈（硫化鉈（TlS）1.07.3 (m) 光敏電阻的光譜特性光敏電阻的光譜特性與波長(zhǎng)和材料有關(guān)與波長(zhǎng)和材料有關(guān)2.光譜特性光譜特性溫度變化影響光敏電阻的靈敏度、暗電流和光譜響應(yīng)。溫度變化影響光敏電阻的靈敏度、暗電流和光譜響應(yīng)。溫度溫度T上升上升，波長(zhǎng)波長(zhǎng)變短，曲線向左移動(dòng)。變短，曲線向左移動(dòng)。 光敏電阻溫度特性光敏電阻溫度特性3.溫度特性溫度特性 光敏晶體管包括光敏晶體管包括光敏二極管光敏二極管和和光敏三極管光敏三極管，其工作，其工作原理主要基于原理主要基于光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)。 光敏晶體管特點(diǎn)：光敏晶體管特點(diǎn)： 響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)好、靈敏度高、可靠性高響

13、應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)好、靈敏度高、可靠性高; ; 廣泛應(yīng)用于可見(jiàn)光和遠(yuǎn)紅外探測(cè)，以及自動(dòng)控制、廣泛應(yīng)用于可見(jiàn)光和遠(yuǎn)紅外探測(cè)，以及自動(dòng)控制、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)計(jì)數(shù)等領(lǐng)域和裝置。自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)計(jì)數(shù)等領(lǐng)域和裝置。8.2.4 光敏晶體管光敏晶體管 結(jié)構(gòu)：與一般二極管相似，它們都有一個(gè)結(jié)構(gòu)：與一般二極管相似，它們都有一個(gè)PN結(jié)，結(jié)，并且都是單向?qū)щ姷姆蔷€性元件。并且都是單向?qū)щ姷姆蔷€性元件。 為了提高轉(zhuǎn)換效率有大面積受光，為了提高轉(zhuǎn)換效率有大面積受光，光敏二極管光敏二極管P-N結(jié)結(jié)面積面積比一般二極管大。比一般二極管大。硅光敏二極管結(jié)構(gòu)硅光敏二極管結(jié)構(gòu) + -+ -+ -光敏二極管光敏二極管電路符號(hào)電路符號(hào)1

14、）光敏二極管）光敏二極管 光敏二極管光敏二極管工作原理工作原理： 光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)，光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)， 無(wú)光照無(wú)光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很??；時(shí)，反向電阻很大，反向電流很??； 有光照有光照時(shí)，時(shí)，P-NP-N結(jié)處產(chǎn)生光生電子結(jié)處產(chǎn)生光生電子- -空穴對(duì)；空穴對(duì)； 在電場(chǎng)作用下形成光電流，在電場(chǎng)作用下形成光電流， 光照越強(qiáng)光電流越大；光照越強(qiáng)光電流越大； 光電流方向與反向電流一致光電流方向與反向電流一致。 光敏二極管基本電路光敏二極管基本電路 RE EDgDgI+ -發(fā)光二極管與光敏二極管工作原理不同，發(fā)光二極管是利用發(fā)光二極管與光敏二極管工作原

15、理不同，發(fā)光二極管是利用固體材料發(fā)光（電致發(fā)光），加正向電壓時(shí)，固體材料發(fā)光（電致發(fā)光），加正向電壓時(shí)，P-N結(jié)的電子和結(jié)的電子和空穴在結(jié)合過(guò)程中發(fā)射一定頻率的光信號(hào)?？昭ㄔ诮Y(jié)合過(guò)程中發(fā)射一定頻率的光信號(hào)。 材料不同發(fā)光顏色不同，是一種將材料不同發(fā)光顏色不同，是一種將電能電能光能光能的器件；的器件； + +- - -+ +光敏二極管符號(hào)光敏二極管符號(hào) 發(fā)光二極管符號(hào)發(fā)光二極管符號(hào) 發(fā)光二極管發(fā)光二極管（LED ）與）與光敏二極管光敏二極管發(fā)光二極管工作時(shí)加發(fā)光二極管工作時(shí)加正向電壓，正向電壓，光敏二極管工作時(shí)加光敏二極管工作時(shí)加反向電壓反向電壓。 光敏二極管光敏二極管基本特性基本特性1.1.光

16、照特性光照特性 硅光敏二極管在小負(fù)載電阻情況下，硅光敏二極管在小負(fù)載電阻情況下， 光電流與照度成線性關(guān)系。光電流與照度成線性關(guān)系。 2.2.光譜特性（硅光敏管為例光譜特性（硅光敏管為例) )當(dāng)入射當(dāng)入射波長(zhǎng)波長(zhǎng)0.9m時(shí)，響應(yīng)逐漸時(shí)，響應(yīng)逐漸下降，雖光波長(zhǎng)短能量大，但光下降，雖光波長(zhǎng)短能量大，但光穿穿透深度小透深度小，使光電流減?。?，使光電流減小；當(dāng)入射當(dāng)入射波長(zhǎng)波長(zhǎng)0.9m時(shí)，響應(yīng)下降時(shí)，響應(yīng)下降是因波長(zhǎng)長(zhǎng)光子能量小，當(dāng)小于禁是因波長(zhǎng)長(zhǎng)光子能量小，當(dāng)小于禁帶寬度時(shí)帶寬度時(shí) 不產(chǎn)生電子、空穴對(duì)。不產(chǎn)生電子、空穴對(duì)。/Ehh3.3.伏安特性伏安特性 當(dāng)反向偏壓較低時(shí)，光電流隨電壓變化比較敏感，隨

17、反當(dāng)反向偏壓較低時(shí)，光電流隨電壓變化比較敏感，隨反向偏壓的加大，反向電流趨于飽和，這時(shí)光生電流與所加偏向偏壓的加大，反向電流趨于飽和，這時(shí)光生電流與所加偏壓幾乎無(wú)關(guān)，只取決于光照強(qiáng)度。壓幾乎無(wú)關(guān)，只取決于光照強(qiáng)度。4.4.溫度特性溫度特性 由于反向飽和電流與溫度密切有關(guān)，因此光敏二極管的由于反向飽和電流與溫度密切有關(guān)，因此光敏二極管的暗電流對(duì)溫度變化很敏感。暗電流對(duì)溫度變化很敏感。 5.5.頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)光敏管的頻率響應(yīng)是指光敏管輸出的光電流隨頻率的變化光敏管的頻率響應(yīng)是指光敏管輸出的光電流隨頻率的變化關(guān)系。關(guān)系。光敏管的頻率響應(yīng)與本身的物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負(fù)載以光敏管的頻率響應(yīng)與本身的物理

18、結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負(fù)載以及入射光波長(zhǎng)等因素有關(guān)。及入射光波長(zhǎng)等因素有關(guān)。光敏二極管頻率響應(yīng)曲線光敏二極管頻率響應(yīng)曲線 圖中圖中硅硅光敏二極管頻率響應(yīng)曲線光敏二極管頻率響應(yīng)曲線說(shuō)明，說(shuō)明，調(diào)制頻率高于調(diào)制頻率高于1000Hz1000Hz時(shí)，時(shí)，光敏晶體管靈敏度急劇下降。光敏晶體管靈敏度急劇下降。 結(jié)構(gòu)：與普通晶體管不同的是，光敏晶體管是將結(jié)構(gòu)：與普通晶體管不同的是，光敏晶體管是將基極基極集電極集電極(集電結(jié)集電結(jié))作為光敏二極管（控制結(jié)）。作為光敏二極管（控制結(jié)）。 大多數(shù)光敏晶體管的基極無(wú)引線，無(wú)論大多數(shù)光敏晶體管的基極無(wú)引線，無(wú)論NPN、PNP一般一般集電結(jié)加反偏。玻璃封裝上有個(gè)小孔，讓光照射

19、到基區(qū)。集電結(jié)加反偏。玻璃封裝上有個(gè)小孔，讓光照射到基區(qū)。光光敏敏三三極極管管結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) NNPc cb be e電路電路符號(hào)符號(hào)2）光敏三極管）光敏三極管 硅（硅（Si Si）光敏三極管）光敏三極管 工作原理工作原理0gCLLUI Ri R晶體管電流放大系數(shù)；電流晶體管電流放大系數(shù)；電流ig與光強(qiáng)有關(guān)與光強(qiáng)有關(guān)NNPc cb be e+ +- -光敏三極管光敏三極管等效電路等效電路 在負(fù)載電阻上的輸出電壓為在負(fù)載電阻上的輸出電壓為光敏晶體極管一般是光敏晶體極管一般是NPN結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)；光照射在集電結(jié)的基區(qū)產(chǎn)生光生電子光照射在集電結(jié)的基區(qū)產(chǎn)生光生電子-空穴，空穴，在電場(chǎng)作用下，光生電子被拉向集電極，

20、在電場(chǎng)作用下，光生電子被拉向集電極，基區(qū)留下正電荷（空穴），使基極與發(fā)射極之間的電壓升高；基區(qū)留下正電荷（空穴），使基極與發(fā)射極之間的電壓升高；同時(shí)發(fā)射極大量電子經(jīng)基極流向集電極，形成三極管輸出電流，同時(shí)發(fā)射極大量電子經(jīng)基極流向集電極，形成三極管輸出電流，使晶體管具有電流增益。使晶體管具有電流增益。光敏晶體管對(duì)光電流具有放大作用光敏晶體管對(duì)光電流具有放大作用光敏晶體管伏安特性曲線光敏晶體管伏安特性曲線 光敏晶體管伏安特性光敏晶體管伏安特性光敏晶體管的光譜特性光敏晶體管的光譜特性 硅材料的光敏管峰值波長(zhǎng)在硅材料的光敏管峰值波長(zhǎng)在0.9m附近（可見(jiàn)光）附近（可見(jiàn)光） 靈敏度最大；靈敏度最大； 探測(cè)

21、探測(cè)可見(jiàn)光可見(jiàn)光或或赤熱狀赤熱狀物體時(shí)波長(zhǎng)短，一般物體時(shí)波長(zhǎng)短，一般用用硅管硅管 0.9 m； 鍺管的峰值波長(zhǎng)約為鍺管的峰值波長(zhǎng)約為1.5 m（紅外光紅外光）對(duì)紅外進(jìn)行探測(cè)時(shí)用對(duì)紅外進(jìn)行探測(cè)時(shí)用鍺管鍺管較適宜。較適宜。光敏晶體管光譜特性光敏晶體管光譜特性 光電池工作原理也是基于光電池工作原理也是基于光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)，是直接將，是直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。 有光線作用時(shí)就是電源有光線作用時(shí)就是電源( (太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池) )，所以廣泛，所以廣泛用于宇航用于宇航電源電源，另一類用，另一類用于檢測(cè)和于檢測(cè)和自動(dòng)控制自動(dòng)控制等。等。8.2.5 光電池光電池光信號(hào)光信

22、號(hào)光電池光電池電信號(hào)電信號(hào) 光電池結(jié)構(gòu)：光電池結(jié)構(gòu)：光電池實(shí)質(zhì)是一個(gè)大面積光電池實(shí)質(zhì)是一個(gè)大面積PN結(jié)，上電極為柵狀結(jié)，上電極為柵狀受光電極，下面有一抗反射膜，下電極是一層襯底鋁。受光電極，下面有一抗反射膜，下電極是一層襯底鋁。 原理：原理：當(dāng)光照射當(dāng)光照射PN結(jié)的一個(gè)面時(shí)，電子結(jié)的一個(gè)面時(shí)，電子空穴對(duì)迅速擴(kuò)散，空穴對(duì)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場(chǎng)作用下建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。一般普在結(jié)電場(chǎng)作用下建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。一般普通光電池可產(chǎn)生通光電池可產(chǎn)生0.2V0.6V電壓，電壓，50mA電流電流。 光電池結(jié)構(gòu)光電池結(jié)構(gòu) 電路符號(hào)電路符號(hào) 開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間關(guān)系；光生電動(dòng)

23、勢(shì)與照度之間關(guān)系；開(kāi)路電壓與光照度關(guān)系是非線性關(guān)系，開(kāi)開(kāi)路電壓與光照度關(guān)系是非線性關(guān)系，開(kāi)路電壓在照度路電壓在照度2000lx 趨于飽和。趨于飽和。短路電流短路電流光電流與照度之間關(guān)系稱短路光電流與照度之間關(guān)系稱短路電流曲線，短路電流是指外接負(fù)載相對(duì)內(nèi)電流曲線，短路電流是指外接負(fù)載相對(duì)內(nèi)阻很小時(shí)的光電流。阻很小時(shí)的光電流。光電池光照特性光電池光照特性 1）光電池光照特性）光電池光照特性PN電子電子空穴空穴- - - -+ + + +- -+ +光源光電池工作原理示意圖光電池工作原理示意圖 2 2）光譜特性）光譜特性硅光電池硅光電池的光譜響應(yīng)峰值的光譜響應(yīng)峰值在在0.8m附近，波長(zhǎng)范圍附近，波長(zhǎng)

24、范圍0.41.2m。硅光電池可。硅光電池可在很寬的波長(zhǎng)范圍應(yīng)用。在很寬的波長(zhǎng)范圍應(yīng)用。硒光電池硒光電池光譜響應(yīng)峰值在光譜響應(yīng)峰值在0.5m附近，波長(zhǎng)范圍附近，波長(zhǎng)范圍0.380.75m。光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光靈敏度不同，不同材料光靈光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光靈敏度不同，不同材料光靈敏度峰值不同。敏度峰值不同。3 3）頻率特性）頻率特性 指光電池相對(duì)輸出電流與光的調(diào)制指光電池相對(duì)輸出電流與光的調(diào)制頻率之間關(guān)系。頻率之間關(guān)系。硅光電池頻率響應(yīng)較好，硅光電池頻率響應(yīng)較好，硒光電池硒光電池較差較差。所以。所以高速計(jì)數(shù)器高速計(jì)數(shù)器的轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換電路一般采用硅光電池作為傳感器元件。一般采用硅光電池作為傳感器元件

25、。 光電池作為光電池作為控制元件，控制元件，通常接非線性負(fù)載，若控制鍺管，通常接非線性負(fù)載，若控制鍺管，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為0.2V0.3V；若控制硅管，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通；若控制硅管，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為電壓為0.6V0.7V，光電池的，光電池的0.5V電壓不能起到控制作用。電壓不能起到控制作用。 光電池電路連接光電池電路連接 光電池做電源時(shí)當(dāng)光電池做電源時(shí)當(dāng)電壓源電壓源使用使用; 用做控制元件時(shí)當(dāng)用做控制元件時(shí)當(dāng)電流源電流源使用。使用。光電池光電池電路符號(hào)電路符號(hào)光電池電路連接光電池電路連接 可將兩個(gè)光電池串聯(lián)后接入基極，或用偏壓電阻、二極管產(chǎn)可將兩個(gè)光電池串聯(lián)后接入基極，或用偏壓電阻、二

26、極管產(chǎn)生附加電壓。有光照度變化時(shí)，引起基極電流生附加電壓。有光照度變化時(shí)，引起基極電流Ib變化，集電變化，集電極電流發(fā)生極電流發(fā)生倍的變化。電流倍的變化。電流Ic與光照近似線性關(guān)系。與光照近似線性關(guān)系。光電池作為光電池作為電源使用電源使用，需要電壓高時(shí)應(yīng)將光電池，需要電壓高時(shí)應(yīng)將光電池串聯(lián)串聯(lián)使用；使用；需要大電流時(shí)應(yīng)將光電池需要大電流時(shí)應(yīng)將光電池并聯(lián)并聯(lián)使用。使用。 光電池電路連接光電池電路連接當(dāng)心臟跳動(dòng)時(shí)，一個(gè)壓力波會(huì)沿著動(dòng)脈血管以每秒幾米的速度傳遞。當(dāng)心臟跳動(dòng)時(shí)，一個(gè)壓力波會(huì)沿著動(dòng)脈血管以每秒幾米的速度傳遞。這個(gè)壓力波會(huì)引起人體組織毛細(xì)血管中血流量的變化，可記錄出脈波。這個(gè)壓力波會(huì)引起人

27、體組織毛細(xì)血管中血流量的變化，可記錄出脈波。光學(xué)測(cè)量法是，在一個(gè)夾子的兩邊分別裝一個(gè)紅外發(fā)光管和一個(gè)光敏光學(xué)測(cè)量法是，在一個(gè)夾子的兩邊分別裝一個(gè)紅外發(fā)光管和一個(gè)光敏電阻，然后夾在耳垂上。電阻，然后夾在耳垂上。心臟壓力波引起的毛細(xì)血管中血流量的變化導(dǎo)致耳垂的透光率不同，心臟壓力波引起的毛細(xì)血管中血流量的變化導(dǎo)致耳垂的透光率不同，使光敏電阻的阻值變化，阻值的變化周期就是每秒心跳的次數(shù)。使光敏電阻的阻值變化，阻值的變化周期就是每秒心跳的次數(shù)。1）心臟跳動(dòng)測(cè)量傳感器（光敏電阻受光）心臟跳動(dòng)測(cè)量傳感器（光敏電阻受光）8.3 光電器件的應(yīng)用光電器件的應(yīng)用2022-4-28402.）煙霧報(bào)警器 無(wú)煙霧時(shí)，光

28、敏元件接收到LED發(fā)射的恒定紅外光。而在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙霧進(jìn)入檢測(cè)室，遮擋了部分紅外光，使光敏三極管的輸出信號(hào)減弱，經(jīng)閥值判斷電路后，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 煙霧煙霧報(bào)警報(bào)警2022-4-2841無(wú)線煙霧報(bào)警器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 可發(fā)出高分貝笛鳴聲的蜂鳴器2022-4-28423）光電自動(dòng)門(mén)自動(dòng)門(mén)光電傳感器自動(dòng)門(mén)光電傳感器放大圖放大圖有效檢測(cè)區(qū)域有效檢測(cè)區(qū)域2022-4-28434）遮斷式光電開(kāi)關(guān)原理 遮斷式光電開(kāi)關(guān)遮斷式光電開(kāi)關(guān)由相互分離且相對(duì)安由相互分離且相對(duì)安裝的光發(fā)射器和光接裝的光發(fā)射器和光接受器組成。當(dāng)被檢測(cè)受器組成。當(dāng)被檢測(cè)物體位于發(fā)射器和接物體位于發(fā)射器和接受器之間時(shí)，光線被受器之間時(shí)，光線被阻斷，

29、接受器接受不阻斷，接受器接受不到紅外線而產(chǎn)生開(kāi)關(guān)到紅外線而產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)。信號(hào)。被檢測(cè)物體被檢測(cè)物體光發(fā)射器光發(fā)射器光接收器光接收器2022-4-2844定區(qū)域反射式光電開(kāi)關(guān)定區(qū)域反射式光電開(kāi)關(guān) 定區(qū)域式光電定區(qū)域式光電開(kāi)關(guān)有一個(gè)非常確定開(kāi)關(guān)有一個(gè)非常確定的檢測(cè)區(qū)域，不經(jīng)過(guò)的檢測(cè)區(qū)域，不經(jīng)過(guò)該區(qū)域的被測(cè)物體不該區(qū)域的被測(cè)物體不會(huì)引起光電開(kāi)關(guān)產(chǎn)生會(huì)引起光電開(kāi)關(guān)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)。開(kāi)關(guān)信號(hào)。檢測(cè)距離檢測(cè)距離檢測(cè)距離檢測(cè)距離2022-4-28458.3 8.3 光柵式傳感器光柵式傳感器v 光柵是一種光學(xué)元件，用于測(cè)量的光柵稱為計(jì)量光柵。光柵是一種光學(xué)元件，用于測(cè)量的光柵稱為計(jì)量光柵。v 光柵是光柵是光柵尺光

30、柵尺的簡(jiǎn)稱。光柵尺是一塊尺子，尺面上刻的簡(jiǎn)稱。光柵尺是一塊尺子，尺面上刻有排列規(guī)則和形狀規(guī)則的刻線。有排列規(guī)則和形狀規(guī)則的刻線。v 光柵式傳感器主要用于光柵式傳感器主要用于高精度的機(jī)械位移測(cè)量高精度的機(jī)械位移測(cè)量以及精以及精密測(cè)量系統(tǒng)的傳感裝置。密測(cè)量系統(tǒng)的傳感裝置。v 光柵式傳感器的特點(diǎn)：精度高；可實(shí)現(xiàn)光柵式傳感器的特點(diǎn)：精度高；可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量動(dòng)態(tài)測(cè)量；大量程測(cè)量兼有高分辨率；具有較強(qiáng)的抗干擾能力。大量程測(cè)量兼有高分辨率；具有較強(qiáng)的抗干擾能力。1）計(jì)量光柵的種類）計(jì)量光柵的種類 長(zhǎng)長(zhǎng)光柵，用于長(zhǎng)度或直線位光柵，用于長(zhǎng)度或直線位移的測(cè)量，刻線相互平行；移的測(cè)量，刻線相互平行； 圓光柵，用來(lái)測(cè)量

31、角度或角圓光柵，用來(lái)測(cè)量角度或角位移，在圓盤(pán)玻璃上刻線；位移，在圓盤(pán)玻璃上刻線； 根據(jù)光柵用途的不同，可將光柵尺分為根據(jù)光柵用途的不同，可將光柵尺分為長(zhǎng)光柵，圓光柵盤(pán)：長(zhǎng)光柵，圓光柵盤(pán)：長(zhǎng)長(zhǎng)光光柵柵圓圓光光柵柵在玻璃板上設(shè)計(jì)，其中透光縫寬為在玻璃板上設(shè)計(jì)，其中透光縫寬為b ，不透光線寬為，不透光線寬為 a ，一般情況下，光柵的透光縫寬等于不透光的線寬，即一般情況下，光柵的透光縫寬等于不透光的線寬，即a=b。圖中圖中W = a + b，稱為（光柵節(jié)距或光柵常數(shù)）。，稱為（光柵節(jié)距或光柵常數(shù)）。光柵柵距是光柵尺的重要參數(shù)。光柵柵距是光柵尺的重要參數(shù)。 長(zhǎng)光柵尺的設(shè)計(jì)：長(zhǎng)光柵尺的設(shè)計(jì)：W = a +

32、 b 光柵柵距光柵柵距 形成莫爾條紋的光學(xué)原理形成莫爾條紋的光學(xué)原理2 ）莫爾條紋）莫爾條紋莫爾條紋通常是由兩塊光柵（莫爾條紋通常是由兩塊光柵（標(biāo)尺標(biāo)尺光柵、光柵、指示指示光柵）疊合光柵）疊合而成的，為了避免摩擦，光柵之間留有間隙，而成的，為了避免摩擦，光柵之間留有間隙，兩光柵的柵線透光部分與透光部分疊加；兩光柵的柵線透光部分與透光部分疊加；光線透過(guò)透光部分光線透過(guò)透光部分形成形成亮帶亮帶；光柵不；光柵不透光部分疊加，互透光部分疊加，互相遮擋，形成相遮擋，形成暗帶暗帶. .這種由光柵重疊形這種由光柵重疊形成的光學(xué)圖案稱為成的光學(xué)圖案稱為莫爾條紋莫爾條紋。 122212122cosWWBWWWW

33、2W1W 標(biāo)尺光柵常數(shù)標(biāo)尺光柵常數(shù) 指示光柵常數(shù)指示光柵常數(shù) 兩光柵的夾角兩光柵的夾角式中：式中： 長(zhǎng)光柵莫爾條紋的周期（長(zhǎng)光柵莫爾條紋的周期（條紋間距條紋間距B） 長(zhǎng)光柵橫向莫爾條紋長(zhǎng)光柵橫向莫爾條紋莫爾條紋的重要特性：莫爾條紋的重要特性： 運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系：主光柵向右運(yùn)動(dòng)一個(gè)柵距：主光柵向右運(yùn)動(dòng)一個(gè)柵距W1時(shí)時(shí)(W0.005mm)， 莫爾條紋向下移動(dòng)一個(gè)條紋間距莫爾條紋向下移動(dòng)一個(gè)條紋間距B ;位移放大作用：位移放大作用：兩光柵夾角很小，若兩光柵夾角很小，若W1=W2 ，莫爾條紋得近似關(guān)系莫爾條紋得近似關(guān)系B W /；莫爾條紋放大倍數(shù)為莫爾條紋放大倍數(shù)為1/。雖柵距很小但莫爾條紋清

34、楚可見(jiàn)；雖柵距很小但莫爾條紋清楚可見(jiàn)；誤差平均效應(yīng)：誤差平均效應(yīng)：莫爾條紋的大柵莫爾條紋的大柵線對(duì)光柵刻劃誤差有平均作用線對(duì)光柵刻劃誤差有平均作用.122212122cosWWBWWWW光柵測(cè)量裝置是指利用光柵原理對(duì)輸入量（位移量）光柵測(cè)量裝置是指利用光柵原理對(duì)輸入量（位移量）進(jìn)行轉(zhuǎn)換、顯示的整個(gè)測(cè)量裝置。包含三大部分：進(jìn)行轉(zhuǎn)換、顯示的整個(gè)測(cè)量裝置。包含三大部分： 光柵光學(xué)系統(tǒng)；光柵光學(xué)系統(tǒng)； 實(shí)現(xiàn)細(xì)分、辨向和顯示等功能的電子系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)細(xì)分、辨向和顯示等功能的電子系統(tǒng)； 相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。 v 光柵傳感器構(gòu)成原理：光柵傳感器構(gòu)成原理：光柵式傳感器又稱光柵式讀數(shù)頭，光柵式傳感器又稱

35、光柵式讀數(shù)頭，由由標(biāo)尺光柵標(biāo)尺光柵、指示光柵指示光柵、光路系統(tǒng)光路系統(tǒng)和和光電元件光電元件等組成。等組成。2 ）光柵傳感器構(gòu)成原理）光柵傳感器構(gòu)成原理 光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭主要由光柵讀數(shù)頭主要由標(biāo)尺光柵標(biāo)尺光柵、指示光柵指示光柵、光路系統(tǒng)光路系統(tǒng)和和光電元件光電元件等等組成。標(biāo)尺光柵的有效長(zhǎng)度即為測(cè)量范圍。組成。標(biāo)尺光柵的有效長(zhǎng)度即為測(cè)量范圍。指示光柵比標(biāo)尺光柵短得多指示光柵比標(biāo)尺光柵短得多，但兩者一般刻有同樣的柵距，使用，但兩者一般刻有同樣的柵距，使用時(shí)兩光柵互相重疊，兩者之間有微小的空隙。時(shí)兩光柵互相重疊，兩者之間有微小的空隙。標(biāo)尺光柵一般固定在被測(cè)物體上，隨被測(cè)物體一起移動(dòng)，其

36、長(zhǎng)度標(biāo)尺光柵一般固定在被測(cè)物體上，隨被測(cè)物體一起移動(dòng)，其長(zhǎng)度取決于測(cè)量范圍，指示光柵相對(duì)于光電元件固定。取決于測(cè)量范圍，指示光柵相對(duì)于光電元件固定。兩條暗帶中心線之間的光強(qiáng)變化是從最暗到漸暗，到兩條暗帶中心線之間的光強(qiáng)變化是從最暗到漸暗，到漸亮，一直到最亮，又從最亮再到最暗的漸變過(guò)程。漸亮，一直到最亮，又從最亮再到最暗的漸變過(guò)程。 主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，光強(qiáng)變化一個(gè)周期，若用光，光強(qiáng)變化一個(gè)周期，若用光電元件接收莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化，則將光信號(hào)電元件接收莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化，則將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，接近于正弦周期函數(shù)。轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，接近于正弦周期函數(shù)。WxUUumoo

37、22sin式中：式中：uo 光電元件輸出的電壓信號(hào)；光電元件輸出的電壓信號(hào)； Uo 輸出信號(hào)中的平均直流分量；輸出信號(hào)中的平均直流分量； Um 輸出信號(hào)中正弦交流分量的幅值輸出信號(hào)中正弦交流分量的幅值相距相距B/4放置四個(gè)光電元件，光柵移動(dòng)時(shí)光的放置四個(gè)光電元件，光柵移動(dòng)時(shí)光的信號(hào)強(qiáng)弱變化信號(hào)強(qiáng)弱變化。光柵位移與光強(qiáng)、輸出電壓的關(guān)系光柵位移與光強(qiáng)、輸出電壓的關(guān)系直接接收式光學(xué)系統(tǒng)可以裝調(diào)成四相型系統(tǒng)。對(duì)于橫向莫爾直接接收式光學(xué)系統(tǒng)可以裝調(diào)成四相型系統(tǒng)。對(duì)于橫向莫爾條紋，為了獲得四相信號(hào)，相距條紋，為了獲得四相信號(hào)，相距B/4放置四個(gè)光電元件；放置四個(gè)光電元件；光電元件可采用四極硅光電池或光敏二極管，并調(diào)整莫爾條光電元件可采用四極硅光電池或光敏二極管，并調(diào)整莫爾條紋的寬度使其和紋的寬度使其和四極硅光電池四極硅光電池的寬度的寬度S相同。相同。 辨向邏輯工作原理辨向邏輯工作原理 光柵測(cè)量電路光柵測(cè)量電路光柵讀數(shù)頭實(shí)現(xiàn)位移量由非電量轉(zhuǎn)換為電量，位移是向量，光柵讀數(shù)頭實(shí)現(xiàn)位移量由非電量轉(zhuǎn)換為電量，位移是向量， 因而對(duì)位移量的測(cè)量除了確定大小之外，還應(yīng)確定其方向