光電效應(yīng)和光電器件

1、概述概述指紋鎖指紋鎖門禁門禁光光電電鼠鼠標(biāo)標(biāo)概述光電開關(guān)概述光柵光柵光纖光纖光電管光電管光敏電阻光敏電阻光電效應(yīng) 傳統(tǒng)的光敏器件利用各種光電效應(yīng)，傳統(tǒng)的光敏器件利用各種光電效應(yīng)，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) 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 在光線作用下，電子逸出物體表面向外發(fā)射稱外在光線作用下，電子逸出物體表面向外發(fā)射稱外光電效應(yīng)。光電效應(yīng)。 光照射物體時(shí)，電子吸收入射光子的能量，每個(gè)光照射物體時(shí)，電子吸收入射光子的能量，每個(gè)光子具有的能量是：光子具有的能量是： EhhJ S 普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)( ) 光的頻率（光的頻率（Hz）

2、，波長短，頻率高，能量），波長短，頻率高，能量大 如果光子的能量如果光子的能量E E大于電子的逸出功大于電子的逸出功A A，超出的，超出的能量表現(xiàn)在電子逸出的功能，電子逸出物體表面，能量表現(xiàn)在電子逸出的功能，電子逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射。產(chǎn)生光電子發(fā)射。 能否產(chǎn)生光電效應(yīng)，取決于光子的能量是否大能否產(chǎn)生光電效應(yīng)，取決于光子的能量是否大于物體表面的電子逸出功。于物體表面的電子逸出功。 2012EhmvA由能量守恒定律有：由能量守恒定律有：u光電導(dǎo)效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)：入射光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱光電效應(yīng)。入射光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱光電效應(yīng)。這種效應(yīng)幾乎所有高電阻這種效應(yīng)幾乎所有高電

3、阻率半導(dǎo)體都有，為使電子從率半導(dǎo)體都有，為使電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，入射光子價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，入射光子的能量的能量E E0 0應(yīng)大于禁帶寬度應(yīng)大于禁帶寬度EgEg。基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件有有光敏電阻光敏電阻。u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)體材料吸收光能后，在光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料吸收光能后，在PNPN結(jié)上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。結(jié)上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。為什么為什么PNPN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？有下面兩種情況：有下面兩種情況： 當(dāng)光照射在當(dāng)光照射在PNPN結(jié)時(shí)，如果電子能量大于半導(dǎo)體禁帶結(jié)時(shí)，如果電子能量大于半導(dǎo)體禁帶 寬度

4、（寬度（E0 E0 EgEg）, ,可激發(fā)出電子可激發(fā)出電子空穴對(duì)，在空穴對(duì)，在 PNPN結(jié)內(nèi)電場作用下空穴移向結(jié)內(nèi)電場作用下空穴移向P P區(qū)，而電子移向區(qū)，而電子移向N N區(qū)，區(qū)， 使使P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)之間產(chǎn)生電壓，區(qū)之間產(chǎn)生電壓， 這個(gè)電壓就是光生電動(dòng)勢(shì)這個(gè)電壓就是光生電動(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 處于反偏的處于反偏的PNPN結(jié)：結(jié)： 無光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很??；無光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很??； 有光照時(shí)，光子能量足夠大產(chǎn)生光生電子有光照時(shí)，光子能量足夠大產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)，空穴對(duì)， 在在PNPN結(jié)電場作用下，形成光電流，結(jié)電場作用下，形成光

5、電流， 電流方向與反向電流一致，光照越大光電流越大。電流方向與反向電流一致，光照越大光電流越大。 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、光敏晶體管光敏二極管、光敏晶體管. . 在光線作用下使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象。在光線作用下使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象。如光電管、光電倍增管如光電管、光電倍增管: 在光線作用下能使物體電阻率改變的現(xiàn)象，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。如光敏電阻等屬于這類光電器件。 在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。如光電池、光敏晶體管等勢(shì)的現(xiàn)象。如光電池、光敏晶體管等下

6、一頁返 回4.1.1 光電管光電管4.1.2 光電倍增管光電倍增管4.1.3 光敏電阻光敏電阻4.1.4 光敏二極管和光敏晶體管光敏二極管和光敏晶體管4.1.5 光電池光電池4.1.6 光電式傳感器的應(yīng)用光電式傳感器的應(yīng)用上一頁下一頁返 回上一頁下一頁返 回當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長的光線照射時(shí)便發(fā)射電子，當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長的光線照射時(shí)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。子流，在外電路中便產(chǎn)生了電流。真空光電管的伏安特性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的伏安特性充氣光電管充氣光電管: 構(gòu)造

7、和真空光電管基本相同，優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高構(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 光照很弱時(shí)，光電管產(chǎn)生光照很弱時(shí)，光電管產(chǎn)生的電流很小，為提高靈敏度的電流很小，為提高靈敏度常常使用光電倍增管。如核常常使用光電倍增管。如核儀器中閃爍探測器都使用的儀器中閃爍探測器都使用的是光電倍增管做光電轉(zhuǎn)換元是光電倍增管做光電轉(zhuǎn)換元件。件。 光電倍增管是利用二次電光電倍增管是利用二次電子釋放效應(yīng)，高速電

8、子撞擊子釋放效應(yīng)，高速電子撞擊固體表面，發(fā)出二次電子，固體表面，發(fā)出二次電子，將光電流在管內(nèi)進(jìn)行放大。將光電流在管內(nèi)進(jìn)行放大。 光電倍增管的光陰極和陽極之間被加了許多光電倍增管的光陰極和陽極之間被加了許多倍增極（倍增極（1010個(gè)左右），在陽極和陰極之間加有幾個(gè)左右），在陽極和陰極之間加有幾百上千伏的高壓，每個(gè)倍增極間有百上千伏的高壓，每個(gè)倍增極間有100100200V200V高壓，電流增益在高壓，電流增益在105105數(shù)量極。數(shù)量極。 倍增極外加電壓倍增極外加電壓UdUd與增益與增益G G的關(guān)系近似為：的關(guān)系近似為：式中：式中： 常數(shù)常數(shù) 光電倍增管倍增極數(shù)光電倍增管倍增極數(shù) NdGKUKN

9、上式可見，外加電壓上式可見，外加電壓UdUd的變化引起光電倍增管增的變化引起光電倍增管增益的變化，因此對(duì)供給光電倍增管的工作電源電益的變化，因此對(duì)供給光電倍增管的工作電源電壓要求較高，必須有極好的穩(wěn)定性。壓要求較高，必須有極好的穩(wěn)定性。 另外，為減少光電倍增管受溫度影響，在核探另外，為減少光電倍增管受溫度影響，在核探測技術(shù)中測技術(shù)中“穩(wěn)譜穩(wěn)譜”是一個(gè)重要內(nèi)容，與光電倍增是一個(gè)重要內(nèi)容，與光電倍增管的指標(biāo)、參數(shù)密切相關(guān)。管的指標(biāo)、參數(shù)密切相關(guān)。/(/)ddG GNUU增益變化為：增益變化為： 在入射光極為微弱時(shí)，光電管能產(chǎn)生的光電流就很小，在入射光極為微弱時(shí)，光電管能產(chǎn)生的光電流就很小，光電倍增

10、管：放大光電流光電倍增管：放大光電流組成：光電陰極組成：光電陰極+若干倍增極若干倍增極+陽極陽極 上一頁下一頁返 回l光電陰極光電倍增極陽極光電陰極光電倍增極陽極倍增極上涂有倍增極上涂有Sb-Cs或或Ag-Mg等光敏材料，并等光敏材料，并且電位逐級(jí)升高且電位逐級(jí)升高 陰極發(fā)射的光電子以高速射到倍增極上，引起陰極發(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 二次電子發(fā)射系數(shù)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)二次發(fā)射電子數(shù)入射電子數(shù)若倍增極有若倍增極有n，則倍增率為，則倍增率為n上一頁下一頁返 回1. 光敏電阻的工作原理及結(jié)構(gòu)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)光

11、敏電阻的主要參數(shù)3光敏電阻的基本特性光敏電阻的基本特性上一頁下一頁返 回 光敏電阻的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其結(jié)光敏電阻的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其結(jié)構(gòu)是在玻璃底版上涂一層對(duì)光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，構(gòu)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)體上覆蓋一層漆兩端有梳狀金屬電極，然后在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜。膜。 光敏電阻結(jié)構(gòu)及符號(hào)光敏電阻結(jié)構(gòu)及符號(hào) 光敏電阻光照特性光敏電阻光照特性 無光照時(shí)，內(nèi)部電子被原子束縛，具有很高的電阻值；無光照時(shí)，內(nèi)部電子被原子束縛，具有很高的電阻值； 有光照時(shí)，電阻值隨光強(qiáng)增加而降低；有光照時(shí)，電阻值隨光強(qiáng)增加而降低； 光照停止時(shí)，自由電子

12、與空穴復(fù)合，電阻恢復(fù)原值光照停止時(shí)，自由電子與空穴復(fù)合，電阻恢復(fù)原值。光敏電阻主要參數(shù)光敏電阻主要參數(shù) 暗電阻暗電阻無光照時(shí)的電阻；無光照時(shí)的電阻； 暗電流暗電流無光照時(shí)的電流；無光照時(shí)的電流； 亮電阻、亮電流亮電阻、亮電流受光照時(shí)的阻值、電流；受光照時(shí)的阻值、電流； 光電流光電流亮電流與暗電流之差稱亮電流亮電流與暗電流之差稱亮電流 。光電器件光電器件 （3 3）光敏電阻）光敏電阻當(dāng)無光照時(shí)，光敏電阻值當(dāng)無光照時(shí)，光敏電阻值(暗電阻暗電阻)很大，電路中電流很小很大，電路中電流很小 當(dāng)有光照時(shí)，光敏電阻值當(dāng)有光照時(shí)，光敏電阻值(亮電阻亮電阻)急劇減少，電流迅速增加急劇減少，電流迅速增加上一頁下一

13、頁返 回1.玻璃玻璃 2.光電導(dǎo)層光電導(dǎo)層 3.電極電極 4.絕緣襯底絕緣襯底 5.金屬殼金屬殼 6.黑色絕緣玻璃黑色絕緣玻璃 7.引線引線光敏電阻的靈敏度易受潮濕的影響，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。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。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。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)。靈敏度高，光譜特性好，光譜

14、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)定而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定 梳狀電極梳狀電極 上一頁下一頁返 回（1）暗電阻和暗電流）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(shí)光敏電阻在室溫條件下，在全暗后經(jīng)過一定時(shí)間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時(shí)流過的電間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時(shí)流過的電流，稱為暗電流。流，稱為暗電流。 （2）亮電阻）亮電阻 光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻，此時(shí)流過的電流稱為亮電流。的亮電阻，此時(shí)流過的電流稱為亮電流。 （3）光電流）光電流 亮電流與暗電流之差，稱為光電流。亮電流與暗電流之差

15、，稱為光電流。上一頁下一頁返 回（1）伏安特性伏安特性 （2）光照特性光照特性（3）光譜特性光譜特性（4）響應(yīng)時(shí)間和頻率特性響應(yīng)時(shí)間和頻率特性（5）溫度特性溫度特性上一頁下一頁返 回 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。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，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

16、積以及散熱條件等因素有關(guān)。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l光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系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，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(dòng)控制系統(tǒng)中常用作開關(guān)式光電信號(hào)傳感元件。一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用作開關(guān)式光電信號(hào)傳感元件。 上一頁下一頁返 回l光敏電阻對(duì)不同波長的光，靈敏度是不同的光敏電阻對(duì)不同波長的光，靈敏度是不同的 上一頁下一頁返 回硫化鎘（硫化鎘（CdSCdS）0.30.30.8(m)0.8(m)硫化鉛（硫化鉛（PbSPbS）1.01.03.5(m)3

17、.5(m)銻化銦（銻化銦（InSbInSb）1.01.07.3(m)7.3(m)l光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象：光電流的變化對(duì)于光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象：光電流的變化對(duì)于光的變化，在時(shí)間上有一個(gè)滯后。光的變化，在時(shí)間上有一個(gè)滯后。l通常用響應(yīng)時(shí)間通常用響應(yīng)時(shí)間t表示。表示。 上一頁下一頁返 回l不同材料的光敏電阻具有不同的響應(yīng)時(shí)間，不同材料的光敏電阻具有不同的響應(yīng)時(shí)間，所以它們的頻率特性也就不盡相同。所以它們的頻率特性也就不盡相同。 上一頁下一頁返 回l光敏電阻受溫度的影響較大。當(dāng)溫度升高時(shí)，光敏電阻受溫度的影響較大。當(dāng)溫度升高時(shí)，它的暗電阻和靈敏度都下降。它的暗電阻和靈敏度都下降。 硫化鎘光敏電阻的溫度特性硫化

18、鎘光敏電阻的溫度特性 121212%100)(CRTTRR溫度系數(shù)溫度系數(shù): 在一定光照下，溫度每變化在一定光照下，溫度每變化1，光敏電阻阻值的平均變化率光敏電阻阻值的平均變化率 上一頁下一頁返 回l隨著溫度升高，光譜響應(yīng)峰值向短波方向移動(dòng)。因此，隨著溫度升高，光譜響應(yīng)峰值向短波方向移動(dòng)。因此，采取降溫措施，可以提高光敏電阻對(duì)長波光的響應(yīng)。采取降溫措施，可以提高光敏電阻對(duì)長波光的響應(yīng)。硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性 上一頁下一頁返 回半導(dǎo)體內(nèi)光電元件內(nèi)光電導(dǎo)效應(yīng)光敏電阻在聲、光控開關(guān)中的應(yīng)用光敏電阻在聲、光控開關(guān)中的應(yīng)用 光敏晶體管工作原理主要基于光生伏特效應(yīng)。光敏晶

19、體管工作原理主要基于光生伏特效應(yīng)。 特點(diǎn)：響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)好、靈敏度高、特點(diǎn)：響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)好、靈敏度高、 可靠性高可靠性高; ; 廣泛應(yīng)用于可見光和遠(yuǎn)紅外探測，以及自動(dòng)控制、廣泛應(yīng)用于可見光和遠(yuǎn)紅外探測，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。 光敏二極管結(jié)構(gòu)與一光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，它們都般二極管相似，它們都有一個(gè)有一個(gè)P PN N結(jié)，并且都結(jié)，并且都是單向?qū)щ姷姆蔷€性元是單向?qū)щ姷姆蔷€性元件。為了提高轉(zhuǎn)換效率件。為了提高轉(zhuǎn)換效率大面積受光，大面積受光，PNPN結(jié)面積結(jié)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

20、結(jié)構(gòu) 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)， 無光照時(shí)，反向電阻很大，無光照時(shí)，反向電阻很大， 反向電流很?。环聪螂娏骱苄?； 有光照時(shí)，有光照時(shí)，PNPN結(jié)處產(chǎn)生光生結(jié)處產(chǎn)生光生 電子空穴對(duì)；電子空穴對(duì)； 在電場作用下形成光電流，在電場作用下形成光電流， 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 v 基本特性：基本特性： 光照特性，光照特性， 圖是硅光敏二極管在小圖是硅光敏二極管在小 負(fù)載電阻下的光照特性。負(fù)載電阻下的光照特性。 光電流與照度

21、成線性關(guān)系。光電流與照度成線性關(guān)系。 光敏二極管光照特性光敏二極管光照特性 光譜特性，光譜特性， 當(dāng)入射波長當(dāng)入射波長900nm900nm時(shí)，響應(yīng)下降，因波長長，時(shí)，響應(yīng)下降，因波長長， 光子能量小于禁帶寬度，不產(chǎn)生電子光子能量小于禁帶寬度，不產(chǎn)生電子空穴對(duì)；空穴對(duì)； 當(dāng)入射波長當(dāng)入射波長900nm900nm時(shí)，響應(yīng)也逐漸下降，波長短時(shí)，響應(yīng)也逐漸下降，波長短 的光穿透深度小，使光電流減小。的光穿透深度小，使光電流減小。硅光敏二極管光譜響應(yīng)硅光敏二極管光譜響應(yīng) 光敏晶極管光譜響應(yīng)光敏晶極管光譜響應(yīng) 光敏二極管伏光敏二極管伏安特性安特性 伏安特性伏安特性當(dāng)反向偏壓較低時(shí)，光當(dāng)反向偏壓較低時(shí)，光電

22、流隨電壓變化比較敏電流隨電壓變化比較敏感，隨反向偏壓的加大，感，隨反向偏壓的加大，光生電流趨于飽和，這光生電流趨于飽和，這時(shí)光生電流與所加偏壓時(shí)光生電流與所加偏壓幾乎無關(guān)，只取決于光幾乎無關(guān)，只取決于光照強(qiáng)度。照強(qiáng)度。 溫度特性，溫度特性，由于反向飽和電流與溫由于反向飽和電流與溫度密切有關(guān)，因此光敏度密切有關(guān)，因此光敏二極管的暗電流對(duì)溫度二極管的暗電流對(duì)溫度變化很敏感。變化很敏感。 光敏二極管暗電流與溫度關(guān)系光敏二極管暗電流與溫度關(guān)系 頻率響應(yīng)頻率響應(yīng): :光敏管的頻率響應(yīng)是指光敏光敏管的頻率響應(yīng)是指光敏管輸出的光電流隨頻率的變管輸出的光電流隨頻率的變化關(guān)系。光敏管的頻響與本化關(guān)系。光敏管的頻

23、響與本身的物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、身的物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負(fù)載以及入射光波長等因素負(fù)載以及入射光波長等因素有關(guān)。圖光敏二極管頻率響有關(guān)。圖光敏二極管頻率響應(yīng)曲線說明調(diào)制頻率高于應(yīng)曲線說明調(diào)制頻率高于1000Hz1000Hz時(shí)，硅光敏晶體管靈時(shí)，硅光敏晶體管靈敏度急劇下降。敏度急劇下降。光敏二極管頻率響應(yīng)曲線 與普通晶體管不同的是，與普通晶體管不同的是，光敏晶體管是將基極光敏晶體管是將基極集電極集電極結(jié)作為光敏二極管，集電結(jié)做結(jié)作為光敏二極管，集電結(jié)做受光結(jié)，另外發(fā)射極的尺寸做受光結(jié)，另外發(fā)射極的尺寸做的很大，以擴(kuò)大光照面積。的很大，以擴(kuò)大光照面積。 大多數(shù)光敏晶體管的基極大多數(shù)光敏晶體管的基極無引

24、線，集電結(jié)加反偏。玻璃無引線，集電結(jié)加反偏。玻璃封裝上有個(gè)小孔，讓光照射到封裝上有個(gè)小孔，讓光照射到基區(qū)?；鶇^(qū)。光敏晶極管結(jié)構(gòu)光敏晶極管結(jié)構(gòu) 硅（硅（SiSi）光敏晶體極管一般都是）光敏晶體極管一般都是NPNNPN結(jié)構(gòu)，光照射結(jié)構(gòu)，光照射在集電結(jié)的基區(qū)，產(chǎn)生電子、空穴，光生電子被拉向在集電結(jié)的基區(qū)，產(chǎn)生電子、空穴，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，這樣，發(fā)射極便有大量電子經(jīng)基極之間的電壓升高，這樣，發(fā)射極便有大量電子經(jīng)基極流向集電極，形成三極管輸出電流，使晶體管具有電流向集電極，形成三極管輸出電流，使晶體管

25、具有電流增益。在負(fù)載電阻流增益。在負(fù)載電阻RLRL上的上的輸出電壓為：輸出電壓為： 0pLViR晶體管電流放大系數(shù)晶體管電流放大系數(shù) 光敏晶體管具有放大作用，伏安特性曲線光敏晶體管具有放大作用，伏安特性曲線如圖所示如圖所示光敏晶體管等效電路光敏晶體管等效電路 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在硅材料的光敏管峰值波長在0.9m0.9m附近（可見光）附近（可見光） 靈敏度最大；靈敏度最大； 可見光或探測赤熱狀可見光或探測赤熱狀物體時(shí)一般都用硅管物體時(shí)一般都用硅管 鍺管的峰值波長約為鍺管的峰值波長約為1.5m1.5m（紅外光）（紅

26、外光） 對(duì)紅外進(jìn)行探測時(shí)用對(duì)紅外進(jìn)行探測時(shí)用鍺管較適宜。鍺管較適宜。 光敏晶體管光譜特性 半導(dǎo)體內(nèi)光電元件內(nèi)光電導(dǎo)效應(yīng) 光電池工作原理也是基于光生伏特效應(yīng)，可以直光電池工作原理也是基于光生伏特效應(yīng)，可以直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。有光線作用時(shí)就是電接將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。有光線作用時(shí)就是電源，廣泛用于宇航電源，另一類用于檢測和自動(dòng)控源，廣泛用于宇航電源，另一類用于檢測和自動(dòng)控制等。制等。 光電池種類很多，有硒光電池、鍺光電池、硅光光電池種類很多，有硒光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵、氧化銅等等電池、砷化鎵、氧化銅等等。光光電電池池符符號(hào)號(hào)太陽能手機(jī)充電器太陽能手機(jī)充電器太陽能供LED電警示

27、太陽能電池 結(jié)構(gòu)：光電池實(shí)質(zhì)是一個(gè)大面積結(jié)構(gòu)：光電池實(shí)質(zhì)是一個(gè)大面積PNPN結(jié)，上電極為柵結(jié)，上電極為柵狀受光電極，下電極是一層襯底鋁。狀受光電極，下電極是一層襯底鋁。 原理：當(dāng)光照射原理：當(dāng)光照射PNPN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)空穴對(duì)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場作用下建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場作用下建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。一般可產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。一般可產(chǎn)生0.2V0.2V0.6V0.6V電壓電壓50mA50mA電流。電流。 光電池結(jié)構(gòu)光電池結(jié)構(gòu) 光電池工作原理圖光電池工作原理圖 光照特性光照特性 開路電壓，光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間關(guān)系稱開開路電壓，光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間關(guān)

28、系稱開路電壓曲線，開路電壓與光照度關(guān)系是非線路電壓曲線，開路電壓與光照度關(guān)系是非線性關(guān)系，在照度性關(guān)系，在照度2000lx2000lx下趨于飽和。下趨于飽和。 短路電流，短路電流與照度之間關(guān)系稱短路短路電流，短路電流與照度之間關(guān)系稱短路電流曲線曲線，短路電流是指外接負(fù)載電流曲線曲線，短路電流是指外接負(fù)載RLRL相相對(duì)內(nèi)阻很小時(shí)的光電流。對(duì)內(nèi)阻很小時(shí)的光電流。 光電池光照特性光電池光照特性 光電池光照與負(fù)載的關(guān)系光電池光照與負(fù)載的關(guān)系 光電池作為測量元件使用時(shí)，一般不做電壓源光電池作為測量元件使用時(shí)，一般不做電壓源使用，而作為電流源的形式應(yīng)用。使用，而作為電流源的形式應(yīng)用。 光譜特性光譜特性 光

29、電池對(duì)不同波長的光靈敏光電池對(duì)不同波長的光靈敏度不同，度不同， 硅光電池的光譜響應(yīng)峰值在硅光電池的光譜響應(yīng)峰值在0.8m0.8m附近，波長范圍附近，波長范圍0.40.41.2m1.2m。硅光電池可在很寬的。硅光電池可在很寬的波長范圍內(nèi)應(yīng)用。波長范圍內(nèi)應(yīng)用。 硒光電池光譜響應(yīng)峰值在硒光電池光譜響應(yīng)峰值在0.5m0.5m附近附近, , 波波 長范圍長范圍0.380.380.75m0.75m。光光電池電池譜特性譜特性頻率特性頻率特性 頻率特性指光電池相對(duì)頻率特性指光電池相對(duì) 輸出電流與光的調(diào)制頻輸出電流與光的調(diào)制頻 率之間關(guān)系。率之間關(guān)系。 硅、硒光電池的頻率特硅、硒光電池的頻率特 性不同，硅光電池

30、頻率性不同，硅光電池頻率 響應(yīng)較好硒光電池較差。響應(yīng)較好硒光電池較差。 所以高速計(jì)數(shù)器的轉(zhuǎn)換所以高速計(jì)數(shù)器的轉(zhuǎn)換 一般采用硅光電池作為一般采用硅光電池作為 傳感器元件。傳感器元件。 硅、硒光電池的頻率特性硅、硒光電池的頻率特性 溫度特性溫度特性v 電路連接電路連接 光電池作為控制元件時(shí)通常接非線性負(fù)載，光電池作為控制元件時(shí)通常接非線性負(fù)載，控制晶體管工作?？刂凭w管工作。 光電池作為電源使用時(shí)，根據(jù)使用要求進(jìn)行光電池作為電源使用時(shí)，根據(jù)使用要求進(jìn)行連接。連接。 需要高電壓時(shí)應(yīng)將光電池串聯(lián)使用；需要高電壓時(shí)應(yīng)將光電池串聯(lián)使用； 需要大電流時(shí)應(yīng)將光電池并聯(lián)使用。需要大電流時(shí)應(yīng)將光電池并聯(lián)使用。 硅

31、管的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為硅管的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為0.6V0.6V0.7V0.7V，光電池的，光電池的 0.5V0.5V電壓起不到控制作用，可將兩個(gè)光電池串聯(lián)電壓起不到控制作用，可將兩個(gè)光電池串聯(lián) 后接入基極，或用偏壓電阻產(chǎn)生附加電壓。后接入基極，或用偏壓電阻產(chǎn)生附加電壓。 有光照度變化時(shí)，引起基極電流有光照度變化時(shí)，引起基極電流IbIb變化，集電極變化，集電極 電流發(fā)生電流發(fā)生倍的變化。電流倍的變化。電流IcIc與光照近似線性關(guān)系與光照近似線性關(guān)系。光電池電路連接光電池電路連接 光敏晶體管工作原理主要基于光生伏特效應(yīng)。光敏晶體管工作原理主要基于光生伏特效應(yīng)。 特點(diǎn)：響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)好、靈敏度高、

32、特點(diǎn)：響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)好、靈敏度高、 可靠性高可靠性高; ; 廣泛應(yīng)用于可見光和遠(yuǎn)紅外探測，以及自動(dòng)控制、廣泛應(yīng)用于可見光和遠(yuǎn)紅外探測，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。 半導(dǎo)體內(nèi)光電元件內(nèi)光生伏特效應(yīng)l1 工作原理工作原理l2 基本特性基本特性上一頁下一頁返 回l結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，裝在透明玻璃外殼中結(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)的在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)的 光敏二極管光敏二極管上一頁下一頁返 回l與一般晶體管很相似，具有兩個(gè)與一般晶體管很相似，具有兩個(gè)pn結(jié)。把光信結(jié)。把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)同時(shí)，

33、又將信號(hào)電流加以放大。號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)同時(shí)，又將信號(hào)電流加以放大。 上一頁下一頁返 回（1）光譜特性）光譜特性 （2）伏安特性）伏安特性（3）光照特性）光照特性（4）溫度特性）溫度特性（5）頻率響應(yīng)）頻率響應(yīng)上一頁下一頁返 回l入射光的波長增加時(shí)，相對(duì)靈敏度要下降入射光的波長增加時(shí)，相對(duì)靈敏度要下降 硅和鍺光敏二極（晶體）管的光譜特性硅和鍺光敏二極（晶體）管的光譜特性 可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般都用硅管?？梢姽饣蛱綔y赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般都用硅管。在紅外光進(jìn)行探測時(shí)，則鍺管較為適宜。在紅外光進(jìn)行探測時(shí)，則鍺管較為適宜。 上一頁下一頁返 回上一頁下一頁返 回硅光敏管的伏安特性硅光敏管的伏安特性

34、 硅光敏管的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l其暗電流及光電流與溫度的關(guān)系其暗電流及光電流與溫度的關(guān)系溫度變化對(duì)光電流影響很小，而對(duì)暗電流影響很大。溫度變化對(duì)光電流影響很小，而對(duì)暗電流影響很大。上一頁下一頁返 回l具有一定頻率的調(diào)制光照射時(shí)，光敏管輸出的具有一定頻率的調(diào)制光照射時(shí)，光敏管輸出的光電流光電流(或負(fù)載上的電壓或負(fù)載上的電壓)隨頻率的變化關(guān)系隨頻率的變化關(guān)系 硅光敏晶體管的頻率響應(yīng)硅光敏晶體管的頻率響應(yīng) 上一頁下一頁返 回l有光線作用下實(shí)質(zhì)上就是電源，電路中有光線作用下實(shí)質(zhì)上就是電源，電路中有了這種器

35、件就不再需要外加電源。有了這種器件就不再需要外加電源。 1. 工作原理工作原理2基本特性基本特性上一頁下一頁返 回l直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件，是一個(gè)大直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件，是一個(gè)大面積的面積的pn結(jié)。當(dāng)光照射到結(jié)。當(dāng)光照射到pn結(jié)上時(shí)，便在結(jié)上時(shí)，便在pn結(jié)的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)結(jié)的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)(p區(qū)為正，區(qū)為正，n區(qū)為負(fù)區(qū)為負(fù)) 。l用導(dǎo)線將用導(dǎo)線將pn結(jié)兩端用導(dǎo)線連接起來，就有電流結(jié)兩端用導(dǎo)線連接起來，就有電流流過，電流的方向由流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至區(qū)流經(jīng)外電路至n區(qū)。若區(qū)。若將電路斷開，就可以測出光生電動(dòng)勢(shì)。將電路斷開，就可以測出光生電動(dòng)勢(shì)。上一頁下一頁返 回(1

36、) 光譜特性光譜特性(2) 光照特性光照特性(3) 頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) (4) 溫度特性溫度特性 (5) 穩(wěn)定性穩(wěn)定性上一頁下一頁返 回l光電池對(duì)不同波長的光，靈敏度是不同的光電池對(duì)不同波長的光，靈敏度是不同的 上一頁下一頁返 回l不同光照度下，光電流和光生電動(dòng)勢(shì)是不同的。不同光照度下，光電流和光生電動(dòng)勢(shì)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(shí)，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來使用光電池作為測量元件使用時(shí)，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來使用 上一頁下一頁返 回l外接負(fù)載電阻相對(duì)于它的內(nèi)阻來說很小情況下外接負(fù)

37、載電阻相對(duì)于它的內(nèi)阻來說很小情況下的電流值。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l指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系指輸出電流隨調(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)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)換用于高速計(jì)數(shù)的光電轉(zhuǎn)換 上一頁下一頁返 回l開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。l關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器的溫度漂移，影響到關(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)測量精度或控制精度等重要指標(biāo) 硅光電

38、池的溫度特性硅光電池的溫度特性(照度照度1000lx)上一頁下一頁返 回l當(dāng)光電池密封良好、電極引線可靠、應(yīng)當(dāng)光電池密封良好、電極引線可靠、應(yīng)用合理時(shí)，光電池的性能是相當(dāng)穩(wěn)定的用合理時(shí)，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)定硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定 l影響性能和壽命因素影響性能和壽命因素：光電池的材料及制造工藝光電池的材料及制造工藝使用環(huán)境條件使用環(huán)境條件 上一頁下一頁返 回，高速光電二極管，響應(yīng)時(shí)，高速光電二極管，響應(yīng)時(shí)間達(dá)間達(dá)1nS1nS，適用于遙控裝置。，適用于遙控裝置。具有高速響應(yīng)和放大功能，具有高速響應(yīng)和放大功能，高電流增益，可有效讀取微弱光線，用于高電流增益

39、，可有效讀取微弱光線，用于0.8m0.8m范圍的光纖通信、光磁盤受光元件裝置。范圍的光纖通信、光磁盤受光元件裝置。光光光激可控硅），由入射光線觸光激可控硅），由入射光線觸發(fā)導(dǎo)通的可控硅元件。發(fā)導(dǎo)通的可控硅元件。達(dá)林頓光電三極管達(dá)林頓光電三極管（光電復(fù)合晶體管），光電復(fù)合晶體管），輸入是光電三極管，輸出是普通晶體管，輸入是光電三極管，輸出是普通晶體管，增益大，增益大，I=IgI1I2 I=IgI1I2 。光敏場效應(yīng)晶體管光敏場效應(yīng)晶體管，具有靈敏度高、線性具有靈敏度高、線性動(dòng)態(tài)范圍大、光譜響應(yīng)范圍寬、輸出阻抗動(dòng)態(tài)范圍大、光譜響應(yīng)范圍寬、輸出阻抗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。廣泛用于對(duì)微弱信號(hào)低、體積小等優(yōu)點(diǎn)

40、。廣泛用于對(duì)微弱信號(hào)和紫外光的檢測。和紫外光的檢測。半導(dǎo)體色敏傳感器半導(dǎo)體色敏傳感器，可直接測量從可見光可直接測量從可見光到紅外波段的單色輻射波長到紅外波段的單色輻射波長。又稱光電隔離器又稱光電隔離器 “ “光耦光耦”器件由發(fā)光元件和接收光敏元件（光敏電器件由發(fā)光元件和接收光敏元件（光敏電阻、光敏二極管、晶體管等）集成在一起，發(fā)光阻、光敏二極管、晶體管等）集成在一起，發(fā)光管輻射可見光或紅外光，受光器件在光輻射作用管輻射可見光或紅外光，受光器件在光輻射作用下控制輸出電流大小。通過電下控制輸出電流大小。通過電光、光光、光電，電，兩次轉(zhuǎn)換進(jìn)行輸入輸出耦合。兩次轉(zhuǎn)換進(jìn)行輸入輸出耦合。 “ “光耦光耦”集成器件的特點(diǎn)：輸入輸出完全隔離，集成器件的特點(diǎn)：輸入輸出完全隔離，有獨(dú)立的輸入輸出抗，器件有很強(qiáng)的抗干擾能有獨(dú)立的輸入輸出抗，器件有很強(qiáng)的抗干擾能力和隔離性能可避免振動(dòng)、噪聲干擾。力和隔離性能可避免振動(dòng)、噪聲干擾。 特別適宜做數(shù)字電路特別適宜做數(shù)字電路 開關(guān)信號(hào)傳輸、邏輯開關(guān)信號(hào)傳輸、邏輯 電路隔離器、計(jì)算