第8章 光電傳感器

1、第8章 光電傳感器1第8章 光電傳感器28.18.18.28.2光電傳感器的基本效應(yīng)外光電效應(yīng)光電器件8.38.38.48.4光電導(dǎo)效應(yīng)及光電元件 光電伏特效應(yīng)及光電元件8.78.7 光電傳感器應(yīng)用第8章 光電傳感器3光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣。第8章 光電傳感器4 光電傳感器是工作時(shí)，通?；谌N效應(yīng)：光電效應(yīng)（又稱量子效應(yīng)）、熱電效應(yīng)（又稱熱釋電

2、效應(yīng)）、波動(dòng)相互作用效應(yīng)。 光電效應(yīng)是指通過(guò)光子物質(zhì)中的電子相互作用，能直接得到電信號(hào)的一種效應(yīng)。 熱電效應(yīng)是指光被物質(zhì)吸收，變成熱量后，利用熱電轉(zhuǎn)換得到電信號(hào)的一種效應(yīng)。 波動(dòng)相互作用效應(yīng)是指光作為一種電磁波，直接與物質(zhì)相互作用，從而感應(yīng)出電信號(hào)的一種效應(yīng)。 本章僅介紹光電效應(yīng)。第8章 光電傳感器5 光電效應(yīng)分為：外光電效應(yīng)（外量子效應(yīng)）；內(nèi)光電效應(yīng)（內(nèi)量子效應(yīng)）。 內(nèi)光電效應(yīng)又分為：光電導(dǎo)效應(yīng)；光生伏特效應(yīng)。第8章 光電傳感器68.18.1光電傳感器的基本效應(yīng)8.1.18.1.1半導(dǎo)體的粒子特性半導(dǎo)體的粒子特性 光敏器件所探測(cè)的光包括可見(jiàn)光、紫外線和紅外光敏器件所探測(cè)的光包括可見(jiàn)光、紫外線

3、和紅外光，在整個(gè)電磁輻射的頻譜中只占很小光，在整個(gè)電磁輻射的頻譜中只占很小一部分。一部分。 光具有光具有波粒二象性。我們可以認(rèn)為光是一種以光波粒二象性。我們可以認(rèn)為光是一種以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流，這種粒子稱為光子。速運(yùn)動(dòng)的粒子流，這種粒子稱為光子。第8章 光電傳感器7 沿沿r方向傳播的頻率為方向傳播的頻率為的單色光可視為一束光子流，的單色光可視為一束光子流，其中每個(gè)光子具有的能量其中每個(gè)光子具有的能量Q和動(dòng)能和動(dòng)能E分別為：分別為：8.18.1光電傳感器的基本效應(yīng)8.1.18.1.1半導(dǎo)體的粒子特性半導(dǎo)體的粒子特性對(duì)不同頻率的光，其對(duì)不同頻率的光，其光子能量是不相同的光子能量是不相同的，光波頻率越

4、高，光，光波頻率越高，光子能量越大。子能量越大。第8章 光電傳感器8用光照射某一物體（一般是半導(dǎo)體材料），可以看用光照射某一物體（一般是半導(dǎo)體材料），可以看作是一連串能量為作是一連串能量為hv的光子轟擊在這個(gè)物體上，此的光子轟擊在這個(gè)物體上，此時(shí)光子能量就傳遞給電子，并且是一個(gè)光子的全部時(shí)光子能量就傳遞給電子，并且是一個(gè)光子的全部能量一次性地被一個(gè)電子所吸收，電子得到光子傳能量一次性地被一個(gè)電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，從而使受光照射遞的能量后其狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)。的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)。8.18.1光電傳感器的基本效應(yīng)8.1.28

5、.1.2半導(dǎo)體光電效應(yīng)半導(dǎo)體光電效應(yīng)第8章 光電傳感器9 半導(dǎo)體光電效應(yīng)是半導(dǎo)體中束縛電子在吸收光子后半導(dǎo)體光電效應(yīng)是半導(dǎo)體中束縛電子在吸收光子后所產(chǎn)生的電學(xué)效應(yīng)，所產(chǎn)生的電學(xué)效應(yīng)，它是各類光敏器件工作的基本它是各類光敏器件工作的基本原理。原理。 半導(dǎo)體光電效應(yīng)可分為半導(dǎo)體光電效應(yīng)可分為a) 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)b) 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)8.18.1光電傳感器的基本效應(yīng)8.1.28.1.2半導(dǎo)體光電效應(yīng)半導(dǎo)體光電效應(yīng)第8章 光電傳感器10 外光電效應(yīng)：外光電效應(yīng)：半導(dǎo)體內(nèi)的電子在吸收光子后，如能半導(dǎo)體內(nèi)的電子在吸收光子后，如能克服表面勢(shì)壘逸出半導(dǎo)體表面，則會(huì)產(chǎn)生外光電效克服表面勢(shì)壘逸出半導(dǎo)體表

6、面，則會(huì)產(chǎn)生外光電效應(yīng)。應(yīng)。光電管、光電倍增管光電管、光電倍增管等就是基于外光電效應(yīng)制等就是基于外光電效應(yīng)制成的光電器件。成的光電器件。 內(nèi)光電效應(yīng)：內(nèi)光電效應(yīng)：半導(dǎo)體內(nèi)的電子在吸收光子后不能躍半導(dǎo)體內(nèi)的電子在吸收光子后不能躍出半導(dǎo)體，所產(chǎn)生的電學(xué)效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。出半導(dǎo)體，所產(chǎn)生的電學(xué)效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。8.18.1光電傳感器的基本效應(yīng)8.1.28.1.2半導(dǎo)體光電效應(yīng)半導(dǎo)體光電效應(yīng)第8章 光電傳感器11 內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理可分為內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理可分為a)光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)b)光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)8.18.1光電傳感器的基本效應(yīng)8.1.28.1.2半導(dǎo)體光電效應(yīng)半導(dǎo)體光電效

7、應(yīng)第8章 光電傳感器12光電效應(yīng)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)外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)8.18.1光電傳感器的基本效應(yīng)8.1.28.1.2半導(dǎo)體光電效應(yīng)半導(dǎo)體光電效應(yīng)相互關(guān)系：相互關(guān)系：第8章 光電傳感器13光源光學(xué)通路光電元件8.18.1光電傳感器的基本效應(yīng)8.1.28.1.2半導(dǎo)體光電效應(yīng)半導(dǎo)體光電效應(yīng)光電傳感器結(jié)構(gòu)：光電傳感器結(jié)構(gòu)：第8章 光電傳感器148.18.1光電傳感器的基本效應(yīng)8.1.28.1.2半導(dǎo)體光電效應(yīng)半導(dǎo)體光電效應(yīng)光電傳感器通常應(yīng)用形式：光電傳感器通常應(yīng)用形式：(a)被測(cè)量是光源被測(cè)量是光源 (b)被測(cè)量吸收光通量被測(cè)量吸收光通量1

8、-被測(cè)物被測(cè)物 2-光電元件光電元件 3-恒光源恒光源第8章 光電傳感器158.18.1光電傳感器的基本效應(yīng)8.1.28.1.2半導(dǎo)體光電效應(yīng)半導(dǎo)體光電效應(yīng)光電傳感器通常應(yīng)用形式：光電傳感器通常應(yīng)用形式：(c)被測(cè)量是有反射能力的表面被測(cè)量是有反射能力的表面 (d)被測(cè)量遮蔽光通量被測(cè)量遮蔽光通量1-被測(cè)物被測(cè)物 2-光電元件光電元件 3-恒光源恒光源第8章 光電傳感器16光電傳感器通常應(yīng)用形式：光電傳感器通常應(yīng)用形式：方向判別方向判別8.18.1光電傳感器的基本效應(yīng)8.1.28.1.2半導(dǎo)體光電效應(yīng)半導(dǎo)體光電效應(yīng)第8章 光電傳感器17光電傳感器通常應(yīng)用形式：光電傳感器通常應(yīng)用形式：航標(biāo)燈的控

9、制航標(biāo)燈的控制8.18.1光電傳感器的基本效應(yīng)8.1.28.1.2半導(dǎo)體光電效應(yīng)半導(dǎo)體光電效應(yīng)走廊燈的控制走廊燈的控制第8章 光電傳感器18光電傳感器通常應(yīng)用形式：光電傳感器通常應(yīng)用形式：8.18.1光電傳感器的基本效應(yīng)8.1.28.1.2半導(dǎo)體光電效應(yīng)半導(dǎo)體光電效應(yīng)條形碼掃描筆條形碼掃描筆 第8章 光電傳感器19光電傳感器通常應(yīng)用形式：光電傳感器通常應(yīng)用形式：8.18.1光電傳感器的基本效應(yīng)8.1.28.1.2半導(dǎo)體光電效應(yīng)半導(dǎo)體光電效應(yīng)條形碼掃描筆條形碼掃描筆 當(dāng)掃描筆頭在條形碼上移動(dòng)時(shí)，若遇到黑色線條，當(dāng)掃描筆頭在條形碼上移動(dòng)時(shí)，若遇到黑色線條，發(fā)光二極管的光線將被黑線吸收，光敏三極管接

10、收不發(fā)光二極管的光線將被黑線吸收，光敏三極管接收不到反射光，呈高阻抗，處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)遇到白色間到反射光，呈高阻抗，處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)遇到白色間隔時(shí)，發(fā)光二極管所發(fā)出的光線，被反射到光敏三極隔時(shí)，發(fā)光二極管所發(fā)出的光線，被反射到光敏三極管的基極，光敏三極管產(chǎn)生光電流而導(dǎo)通。管的基極，光敏三極管產(chǎn)生光電流而導(dǎo)通。第8章 光電傳感器20光電傳感器通常應(yīng)用形式：光電傳感器通常應(yīng)用形式：8.18.1光電傳感器的基本效應(yīng)8.1.28.1.2半導(dǎo)體光電效應(yīng)半導(dǎo)體光電效應(yīng)條形碼掃描筆條形碼掃描筆 整個(gè)條形碼被掃描過(guò)之后，光敏三極管將條形碼變成整個(gè)條形碼被掃描過(guò)之后，光敏三極管將條形碼變成一個(gè)個(gè)電脈沖信號(hào)，該信

11、號(hào)經(jīng)放大、整形后便形成脈一個(gè)個(gè)電脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)放大、整形后便形成脈沖列，再經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，完成對(duì)條形碼信息的識(shí)別。沖列，再經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，完成對(duì)條形碼信息的識(shí)別。第8章 光電傳感器21光電傳感器通常應(yīng)用形式：光電傳感器通常應(yīng)用形式：8.18.1光電傳感器的基本效應(yīng)8.1.28.1.2半導(dǎo)體光電效應(yīng)半導(dǎo)體光電效應(yīng)簡(jiǎn)易感光報(bào)警器簡(jiǎn)易感光報(bào)警器感光報(bào)警器電路圖感光報(bào)警器電路圖第8章 光電傳感器22光電傳感器通常應(yīng)用形式：光電傳感器通常應(yīng)用形式：8.18.1光電傳感器的基本效應(yīng)8.1.28.1.2半導(dǎo)體光電效應(yīng)半導(dǎo)體光電效應(yīng)簡(jiǎn)易感光報(bào)警器簡(jiǎn)易感光報(bào)警器當(dāng)無(wú)光照時(shí)，硅光電池?zé)o電壓產(chǎn)生，此時(shí)硅光電池當(dāng)無(wú)光

12、照時(shí)，硅光電池?zé)o電壓產(chǎn)生，此時(shí)硅光電池相當(dāng)于一個(gè)電阻串接在放大器的基極電路上。當(dāng)有相當(dāng)于一個(gè)電阻串接在放大器的基極電路上。當(dāng)有光照時(shí)，硅光電池產(chǎn)生電壓，該電壓與光照時(shí)，硅光電池產(chǎn)生電壓，該電壓與R2上的電上的電壓一起加在壓一起加在VT1管的基極，于是管的基極，于是VT1導(dǎo)通，導(dǎo)通，VT2、VT3也隨之導(dǎo)通，繼電器也隨之導(dǎo)通，繼電器K工作，其觸點(diǎn)被吸合，工作，其觸點(diǎn)被吸合，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲響。蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲響。第8章 光電傳感器23光電傳感器通常應(yīng)用形式：光電傳感器通常應(yīng)用形式：8.18.1光電傳感器的基本效應(yīng)8.1.28.1.2半導(dǎo)體光電效應(yīng)半導(dǎo)體光電效應(yīng)產(chǎn)品計(jì)數(shù)器產(chǎn)品計(jì)數(shù)器產(chǎn)品計(jì)數(shù)器工作原

13、理產(chǎn)品計(jì)數(shù)器工作原理第8章 光電傳感器24光電傳感器通常應(yīng)用形式：光電傳感器通常應(yīng)用形式：8.18.1光電傳感器的基本效應(yīng)8.1.28.1.2半導(dǎo)體光電效應(yīng)半導(dǎo)體光電效應(yīng)產(chǎn)品計(jì)數(shù)器產(chǎn)品計(jì)數(shù)器 產(chǎn)品在傳送帶上運(yùn)行時(shí)，不斷地遮擋光源到光敏器產(chǎn)品在傳送帶上運(yùn)行時(shí)，不斷地遮擋光源到光敏器件間的光路，使光電脈沖電路隨產(chǎn)品的有無(wú)產(chǎn)生一件間的光路，使光電脈沖電路隨產(chǎn)品的有無(wú)產(chǎn)生一個(gè)個(gè)電脈沖信號(hào)。產(chǎn)品每遮光一次，光電脈沖電路個(gè)個(gè)電脈沖信號(hào)。產(chǎn)品每遮光一次，光電脈沖電路便產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，因此，輸出的脈沖數(shù)即代表便產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，因此，輸出的脈沖數(shù)即代表產(chǎn)品的數(shù)目。該脈沖經(jīng)計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)并由顯示電路產(chǎn)品的數(shù)目。

14、該脈沖經(jīng)計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)并由顯示電路顯示出來(lái)。顯示出來(lái)。第8章 光電傳感器25本節(jié)要點(diǎn)總結(jié)本節(jié)要點(diǎn)總結(jié)1掌握光電傳感器的效應(yīng)。掌握光電傳感器的效應(yīng)。2掌握半導(dǎo)體的粒子特性。掌握半導(dǎo)體的粒子特性。掌握外光電效應(yīng)與內(nèi)光電效掌握外光電效應(yīng)與內(nèi)光電效應(yīng)。應(yīng)。3第8章 光電傳感器268.28.2外光電效應(yīng)光電器件 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)的光電器件有的光電器件有光電管、光電倍增管光電管、光電倍增管等。等。第8章 光電傳感器27光電管是利用外光電效應(yīng)制成的光電元件，其外形和結(jié)光電管是利用外光電效應(yīng)制成的光電元件，其外形和結(jié)構(gòu)如圖所示。構(gòu)如圖所示。8.28.2外光電效應(yīng)光電器件8.2.18.2.1光電管光電管圖圖8

15、.1光電管的結(jié)構(gòu)光電管的結(jié)構(gòu)第8章 光電傳感器28半圓筒形金屬片制成的陰極和位于陰極軸心的金屬絲制半圓筒形金屬片制成的陰極和位于陰極軸心的金屬絲制成的陽(yáng)極封裝在抽成真空的玻璃殼內(nèi)，當(dāng)入射光照射在成的陽(yáng)極封裝在抽成真空的玻璃殼內(nèi)，當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí)，單個(gè)光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料陰極上時(shí)，單個(gè)光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個(gè)自由電子，從而使自由電子的能量增加。當(dāng)電中的一個(gè)自由電子，從而使自由電子的能量增加。當(dāng)電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功時(shí)，它就可以克服子獲得的能量大于陰極材料的逸出功時(shí)，它就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成電子發(fā)射。金屬表面束縛而逸出，形成電子發(fā)射。8

16、.28.2外光電效應(yīng)光電器件8.2.18.2.1光電管光電管第8章 光電傳感器29在一個(gè)抽成真空的玻璃泡內(nèi)裝有兩個(gè)電極：陽(yáng)極和光電陰在一個(gè)抽成真空的玻璃泡內(nèi)裝有兩個(gè)電極：陽(yáng)極和光電陰極極(簡(jiǎn)稱陰極簡(jiǎn)稱陰極)。當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí)，單個(gè)光子就把。當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí)，單個(gè)光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個(gè)自由電子，從而使它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個(gè)自由電子，從而使自由電子的能量增加。當(dāng)電子獲得的能量大于陰極材料的自由電子的能量增加。當(dāng)電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功時(shí)，它就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成電子逸出功時(shí)，它就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成電子發(fā)射。發(fā)射。8.2

17、8.2外光電效應(yīng)光電器件8.2.18.2.1光電管光電管第8章 光電傳感器30即當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線照射時(shí)便發(fā)射光電子，光電即當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線照射時(shí)便發(fā)射光電子，光電子被帶正電位的陽(yáng)極所吸引，這樣在光電管內(nèi)就有電子流子被帶正電位的陽(yáng)極所吸引，這樣在光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便產(chǎn)生了電子流，輸出電壓。光電流的大小，在外電路中便產(chǎn)生了電子流，輸出電壓。光電流的大小與照射在光電陰極上的光強(qiáng)度成正比，并與光電陰極的材與照射在光電陰極上的光強(qiáng)度成正比，并與光電陰極的材料有關(guān)。當(dāng)光通量一定時(shí)，真空光電管陽(yáng)極電壓與陽(yáng)極電料有關(guān)。當(dāng)光通量一定時(shí)，真空光電管陽(yáng)極電壓與陽(yáng)極電流的伏安特性曲線見(jiàn)圖流

18、的伏安特性曲線見(jiàn)圖8.2。8.28.2外光電效應(yīng)光電器件8.2.18.2.1光電管光電管第8章 光電傳感器318.28.2外光電效應(yīng)光電器件8.2.18.2.1光電管光電管圖圖8.2真空光電管的伏安特性曲線真空光電管的伏安特性曲線第8章 光電傳感器328.28.2外光電效應(yīng)光電器件8.2.28.2.2光電倍增管光電倍增管由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。電流能力的光電倍增管。光電倍增管的結(jié)構(gòu)如圖光電倍增管的結(jié)構(gòu)如圖8.48.4所示。它在玻璃管所示。它在玻璃管4 4內(nèi)由光電陰內(nèi)由光電陰極極1(K)1(K)、若

19、干個(gè)倍增極、若干個(gè)倍增極2(D2(Dn n，n=4n=414)14)和陽(yáng)極和陽(yáng)極3(A)3(A)三部分三部分組成。組成。第8章 光電傳感器338.28.2外光電效應(yīng)光電器件8.2.28.2.2光電倍增管光電倍增管圖圖8.4光電倍增管的結(jié)構(gòu)光電倍增管的結(jié)構(gòu)第8章 光電傳感器348.28.2外光電效應(yīng)光電器件8.2.28.2.2光電倍增管光電倍增管光電倍增管的優(yōu)點(diǎn)是：放大倍數(shù)很高，可達(dá)光電倍增管的優(yōu)點(diǎn)是：放大倍數(shù)很高，可達(dá)10106 6，線，線性好，頻率特性好；性好，頻率特性好；缺點(diǎn)是：體積大，需要百伏至缺點(diǎn)是：體積大，需要百伏至1KV1KV的直流電壓供電。的直流電壓供電。光電倍增管一般用于光電倍

20、增管一般用于微弱光輸入，微弱光輸入，要求反應(yīng)速度很快要求反應(yīng)速度很快的場(chǎng)合。的場(chǎng)合。第8章 光電傳感器35本節(jié)要點(diǎn)總結(jié)本節(jié)要點(diǎn)總結(jié)1掌握光電管的結(jié)構(gòu)及其工作原理。掌握光電管的結(jié)構(gòu)及其工作原理。2掌握光電倍增管的結(jié)構(gòu)及其掌握光電倍增管的結(jié)構(gòu)及其工作原理。工作原理。第8章 光電傳感器36 半導(dǎo)體受到光照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子半導(dǎo)體受到光照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子- -空穴對(duì)，使其導(dǎo)空穴對(duì)，使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)；光線越強(qiáng)，半導(dǎo)體的阻值愈低。這種電性能增強(qiáng)；光線越強(qiáng)，半導(dǎo)體的阻值愈低。這種光照射后電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為光照射后電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為光電導(dǎo)效光電導(dǎo)效應(yīng)應(yīng)。8.38.3光電導(dǎo)效應(yīng)及光電元件 光電導(dǎo)器件常

21、稱為光敏電阻。光電導(dǎo)器件常稱為光敏電阻。第8章 光電傳感器378.38.3光電導(dǎo)效應(yīng)及光電元件8.3.18.3.1光敏電阻的結(jié)構(gòu)及原理光敏電阻的結(jié)構(gòu)及原理 光敏電阻的光譜特性是選擇光敏電阻器的重要依據(jù)光敏電阻的光譜特性是選擇光敏電阻器的重要依據(jù)。根據(jù)光敏電阻的光譜特性，目前常用的有三種光。根據(jù)光敏電阻的光譜特性，目前常用的有三種光敏電阻器：紫外光敏電阻器、紅外光敏電阻器和可敏電阻器：紫外光敏電阻器、紅外光敏電阻器和可見(jiàn)光光敏電阻器。見(jiàn)光光敏電阻器。 紫外光敏電阻器對(duì)紫外線較靈敏，紫外光敏電阻器對(duì)紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等，用于探測(cè)紫外線。化鎘光敏電阻器等，用于探

22、測(cè)紫外線。第8章 光電傳感器388.38.3光電導(dǎo)效應(yīng)及光電元件8.3.18.3.1光敏電阻的結(jié)構(gòu)及原理光敏電阻的結(jié)構(gòu)及原理 紅外光敏電阻器紅外光敏電阻器主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛、主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛、銻化銦等光敏電阻器，銻化銦等光敏電阻器，廣泛用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、天文探廣泛用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、天文探測(cè)、非接觸測(cè)量、人體探測(cè)、紅外光譜、紅外通信測(cè)、非接觸測(cè)量、人體探測(cè)、紅外光譜、紅外通信等。等。第8章 光電傳感器398.38.3光電導(dǎo)效應(yīng)及光電元件8.3.18.3.1光敏電阻的結(jié)構(gòu)及原理光敏電阻的結(jié)構(gòu)及原理 可見(jiàn)光光敏電阻器可見(jiàn)光光敏電阻器包括硒、硫化鎘、硒化鎘、碲包括硒、硫化鎘、硒化鎘、碲化

23、鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等，化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等，主要用于各種光電控制系統(tǒng)，主要用于各種光電控制系統(tǒng)，如光電自動(dòng)開關(guān)門如光電自動(dòng)開關(guān)門戶，航標(biāo)燈、路燈和其他戶，航標(biāo)燈、路燈和其他照明系統(tǒng)的自動(dòng)亮滅照明系統(tǒng)的自動(dòng)亮滅，自動(dòng)給水和自動(dòng)停水裝置，機(jī)械上的自動(dòng)保護(hù)裝自動(dòng)給水和自動(dòng)停水裝置，機(jī)械上的自動(dòng)保護(hù)裝置和位置檢測(cè)，零件的厚度檢測(cè)，照相機(jī)自動(dòng)曝置和位置檢測(cè)，零件的厚度檢測(cè)，照相機(jī)自動(dòng)曝光裝置，光電碼盤，光電計(jì)數(shù)器，煙霧報(bào)警器，光裝置，光電碼盤，光電計(jì)數(shù)器，煙霧報(bào)警器，光電跟蹤系統(tǒng)等。光電跟蹤系統(tǒng)等。第8章 光電傳感器408.38.3光電導(dǎo)效應(yīng)及光電元件8.3.18.

24、3.1光敏電阻的結(jié)構(gòu)及原理光敏電阻的結(jié)構(gòu)及原理圖圖8.5某光敏電阻的結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)某光敏電阻的結(jié)構(gòu)及電路符號(hào) 圖圖8.58.5為某光敏電阻的結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)。為某光敏電阻的結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)。第8章 光電傳感器418.38.3光電導(dǎo)效應(yīng)及光電元件8.3.18.3.1光敏電阻的結(jié)構(gòu)及原理光敏電阻的結(jié)構(gòu)及原理 光敏電阻是薄膜元件，它是由在陶瓷底襯上覆一光敏電阻是薄膜元件，它是由在陶瓷底襯上覆一層光電半導(dǎo)體材料。金屬接觸點(diǎn)蓋在光電半導(dǎo)體層光電半導(dǎo)體材料。金屬接觸點(diǎn)蓋在光電半導(dǎo)體面下部。這種光電半導(dǎo)體材料薄膜元件有很高的面下部。這種光電半導(dǎo)體材料薄膜元件有很高的電阻。所以在兩個(gè)接觸點(diǎn)之間，做的狹小、交叉電阻

25、。所以在兩個(gè)接觸點(diǎn)之間，做的狹小、交叉，使得在適度的光線時(shí)產(chǎn)生較低的阻值。，使得在適度的光線時(shí)產(chǎn)生較低的阻值。第8章 光電傳感器42 光敏電阻在未受到光照射時(shí)的阻值稱為光敏電阻在未受到光照射時(shí)的阻值稱為暗電阻暗電阻，此時(shí)流過(guò)的電流稱為此時(shí)流過(guò)的電流稱為暗電流暗電流。 光敏電阻受到光照射時(shí)的電阻稱為光敏電阻受到光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻亮電阻，此時(shí)，此時(shí)流過(guò)的電流稱為流過(guò)的電流稱為亮電流亮電流。 亮電流與暗電流之差稱為亮電流與暗電流之差稱為光電流光電流。 一般暗電阻越大，亮電阻越小，光敏電阻的靈敏度一般暗電阻越大，亮電阻越小，光敏電阻的靈敏度越高。越高。1. 暗電阻、亮電阻與光電流8.3.28.3

26、.2光敏電阻的特性光敏電阻的特性8.38.3光電導(dǎo)效應(yīng)及光電元件第8章 光電傳感器43 伏安特性曲線是在一定的伏安特性曲線是在一定的光照下，光敏電阻兩端電光照下，光敏電阻兩端電壓與電流之間的關(guān)系。壓與電流之間的關(guān)系。 由該曲線可知，所加的電由該曲線可知，所加的電壓越高，光電流越大，而壓越高，光電流越大，而且沒(méi)有飽和現(xiàn)象。在給定且沒(méi)有飽和現(xiàn)象。在給定的電壓下，光電流的數(shù)值的電壓下，光電流的數(shù)值將隨光照增強(qiáng)而增大。將隨光照增強(qiáng)而增大。2. 光敏電阻的伏安特性圖圖8.6光敏電阻的伏安特性曲線光敏電阻的伏安特性曲線8.3.28.3.2光敏電阻的特性光敏電阻的特性8.38.3光電導(dǎo)效應(yīng)及光電元件第8章

27、光電傳感器44 3.光敏電阻的光照特性 光敏電阻的光照特性光敏電阻的光照特性用于描述光電流和光用于描述光電流和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系。照強(qiáng)度之間的關(guān)系。不同光敏電阻的光照不同光敏電阻的光照特性是不相同的。絕特性是不相同的。絕大多數(shù)光敏電阻的光大多數(shù)光敏電阻的光照特性曲線是非線性照特性曲線是非線性的，如圖的，如圖8.7所示。所示。8.3.28.3.2光敏電阻的特性光敏電阻的特性8.38.3光電導(dǎo)效應(yīng)及光電元件圖圖8.5某光敏電阻的結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)某光敏電阻的結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)第8章 光電傳感器454. 光敏電阻的光譜特性對(duì)于不同波長(zhǎng)的光，光敏電阻的靈敏度是不同的對(duì)于不同波長(zhǎng)的光，光敏電阻的靈敏度是不同的。

28、由圖可見(jiàn)，由圖可見(jiàn)，硫化隔硫化隔的峰值在可見(jiàn)光區(qū)域，而的峰值在可見(jiàn)光區(qū)域，而硫化鉈硫化鉈的峰值在紅外區(qū)域。在選用光敏電阻時(shí)應(yīng)當(dāng)?shù)姆逯翟诩t外區(qū)域。在選用光敏電阻時(shí)應(yīng)當(dāng)把元件把元件和光源的種類結(jié)合起來(lái)考慮和光源的種類結(jié)合起來(lái)考慮，才能獲得滿意的結(jié)果，才能獲得滿意的結(jié)果。8.3.28.3.2光敏電阻的特性光敏電阻的特性8.38.3光電導(dǎo)效應(yīng)及光電元件第8章 光電傳感器464. 光敏電阻的光譜特性8.3.28.3.2光敏電阻的特性光敏電阻的特性8.38.3光電導(dǎo)效應(yīng)及光電元件圖圖8.8常用光敏電阻材料的光譜特性曲線常用光敏電阻材料的光譜特性曲線第8章 光電傳感器475. 光敏電阻的溫度特性隨著溫度不斷

29、升高，光敏電阻的暗電阻和靈敏度都隨著溫度不斷升高，光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要下降，同時(shí)溫度變化也影響它的光譜特性曲線。要下降，同時(shí)溫度變化也影響它的光譜特性曲線。圖圖8.9示出了硫化鉛的光敏溫度特性曲線。從圖中示出了硫化鉛的光敏溫度特性曲線。從圖中可以看出，可以看出，它的峰值隨著溫度上升向波長(zhǎng)短的方向它的峰值隨著溫度上升向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。移動(dòng)。8.3.28.3.2光敏電阻的特性光敏電阻的特性8.38.3光電導(dǎo)效應(yīng)及光電元件第8章 光電傳感器488.3.28.3.2光敏電阻的特性光敏電阻的特性8.38.3光電導(dǎo)效應(yīng)及光電元件圖圖8.9硫化鉛的光敏溫度特性曲線硫化鉛的光敏溫度特性曲線5. 光敏

30、電阻的溫度特性第8章 光電傳感器49 靈敏度高；靈敏度高； 光譜響應(yīng)范圍紫光譜響應(yīng)范圍紫 外區(qū)域外區(qū)域紅外區(qū)域；紅外區(qū)域； 體積?。惑w積小； 性能穩(wěn)定；性能穩(wěn)定； 價(jià)格低廉等。價(jià)格低廉等。8.3.28.3.2光敏電阻的特性光敏電阻的特性8.38.3光電導(dǎo)效應(yīng)及光電元件 光敏電阻的優(yōu)點(diǎn)：光敏電阻的優(yōu)點(diǎn)：第8章 光電傳感器50本節(jié)要點(diǎn)總結(jié)本節(jié)要點(diǎn)總結(jié)1掌握光電導(dǎo)效應(yīng)以及光敏掌握光電導(dǎo)效應(yīng)以及光敏電阻的結(jié)構(gòu)與原理。電阻的結(jié)構(gòu)與原理。2掌握光敏電阻的光譜特性與掌握光敏電阻的光譜特性與溫度特性。溫度特性。第8章 光電傳感器51 在在PNPN結(jié)、肖特基結(jié)等具有內(nèi)建電場(chǎng)的半導(dǎo)體中，光結(jié)、肖特基結(jié)等具有內(nèi)建電

31、場(chǎng)的半導(dǎo)體中，光生電子和光生空穴將受到內(nèi)建電場(chǎng)的作用，作反向生電子和光生空穴將受到內(nèi)建電場(chǎng)的作用，作反向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，這就是運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，這就是光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)。8.48.4光生伏特效應(yīng)及光電元件 光伏效應(yīng)又可分為：光電導(dǎo)結(jié)型；光電伏特型。光伏效應(yīng)又可分為：光電導(dǎo)結(jié)型；光電伏特型。第8章 光電傳感器528.48.4光生伏特效應(yīng)及其光電元件8.4.18.4.1光電導(dǎo)結(jié)型光電元件光電導(dǎo)結(jié)型光電元件 光電二極管：光電二極管：第8章 光電傳感器538.48.4光生伏特效應(yīng)及其光電元件8.4.18.4.1光電導(dǎo)結(jié)型光電元件光電導(dǎo)結(jié)型光電元件 光電二極管：光電二極管：圖圖8.10光電二極管

32、光電二極管第8章 光電傳感器548.48.4光生伏特效應(yīng)及其光電元件8.4.18.4.1光電導(dǎo)結(jié)型光電元件光電導(dǎo)結(jié)型光電元件 光電二極管在電路中工作在反向偏置下，即在光電二極管在電路中工作在反向偏置下，即在N N區(qū)區(qū)接高電位，在接高電位，在P P區(qū)接低電位。區(qū)接低電位。 無(wú)光照時(shí)，反向電阻高達(dá)無(wú)光照時(shí)，反向電阻高達(dá)4 M4 M。在反向偏壓作用在反向偏壓作用下，有一反向電流下，有一反向電流(稱為暗電流稱為暗電流)。 有光照時(shí)，反向電阻下降到有光照時(shí)，反向電阻下降到1 k左右，產(chǎn)生光電流，左右，產(chǎn)生光電流，實(shí)現(xiàn)了將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的目的。實(shí)現(xiàn)了將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的目的。第8章 光電傳感器55

33、光電二極管的主要特點(diǎn)是體積小，頻率特性好，光電二極管的主要特點(diǎn)是體積小，頻率特性好，但弱光下靈敏度低。但弱光下靈敏度低。8.48.4光生伏特效應(yīng)及其光電元件8.4.18.4.1光電導(dǎo)結(jié)型光電元件光電導(dǎo)結(jié)型光電元件第8章 光電傳感器56 光電三極管與光電二極管相似，但有兩個(gè)光電三極管與光電二極管相似，但有兩個(gè)PN結(jié)。結(jié)。光照射在發(fā)射極光照射在發(fā)射極e與基極與基極b之間的之間的PN結(jié)附近，便產(chǎn)結(jié)附近，便產(chǎn)生光電流生光電流(幾微安，相當(dāng)于三極管的基極電流幾微安，相當(dāng)于三極管的基極電流)，于，于是在集電極是在集電極c與基極與基極b之間的之間的PN結(jié)能產(chǎn)生幾毫安電結(jié)能產(chǎn)生幾毫安電流流(相當(dāng)于三極管的集電

34、極電流相當(dāng)于三極管的集電極電流)。8.48.4光生伏特效應(yīng)及其光電元件8.4.18.4.1光電導(dǎo)結(jié)型光電元件光電導(dǎo)結(jié)型光電元件 光電三極管：光電三極管：第8章 光電傳感器578.48.4光生伏特效應(yīng)及其光電元件8.4.18.4.1光電導(dǎo)結(jié)型光電元件光電導(dǎo)結(jié)型光電元件圖圖8.11光電三極管光電三極管第8章 光電傳感器588.48.4光生伏特效應(yīng)及其光電元件8.4.18.4.1光電導(dǎo)結(jié)型光電元件光電導(dǎo)結(jié)型光電元件圖圖8.11光電三極管光電三極管第8章 光電傳感器59 光電三極管的通頻帶較窄，不如光電二極管性能光電三極管的通頻帶較窄，不如光電二極管性能穩(wěn)定，但靈敏度高。穩(wěn)定，但靈敏度高。8.48.4

35、光生伏特效應(yīng)及其光電元件8.4.18.4.1光電導(dǎo)結(jié)型光電元件光電導(dǎo)結(jié)型光電元件 光電三極管：光電三極管：第8章 光電傳感器608.4.28.4.2光電伏特型光電元件光電伏特型光電元件光電池是光電池是有源器件有源器件，這種器件受到光照時(shí)就產(chǎn)生一定，這種器件受到光照時(shí)就產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)，不需要外部電源供電。方向的電動(dòng)勢(shì)，不需要外部電源供電。用可見(jiàn)光作為光源的光電池的常用半導(dǎo)體材料有硒和用可見(jiàn)光作為光源的光電池的常用半導(dǎo)體材料有硒和硅等。硅等。1. 光電池結(jié)構(gòu)原理8.48.4光生伏特效應(yīng)及其光電元件第8章 光電傳感器618.4.28.4.2光電伏特型光電元件光電伏特型光電元件硅光電池結(jié)構(gòu)如圖示

36、。它是用單晶硅制成的，在一塊硅光電池結(jié)構(gòu)如圖示。它是用單晶硅制成的，在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的方法摻入一些型硅片上用擴(kuò)散的方法摻入一些P型雜質(zhì)而形成一型雜質(zhì)而形成一個(gè)大面積的個(gè)大面積的PN結(jié)，結(jié)，P層很薄，從而使光能穿透到層很薄，從而使光能穿透到PN結(jié)上。由于結(jié)上。由于P區(qū)帶正電荷，區(qū)帶正電荷，N區(qū)帶負(fù)電荷，從而在兩區(qū)帶負(fù)電荷，從而在兩區(qū)之間形成電位差，即構(gòu)成光電池，接于外電路就可區(qū)之間形成電位差，即構(gòu)成光電池，接于外電路就可產(chǎn)生電流。產(chǎn)生電流。1. 光電池結(jié)構(gòu)原理8.48.4光生伏特效應(yīng)及其光電元件第8章 光電傳感器628.4.28.4.2光電伏特型光電元件光電伏特型光電元件8.48.4光生伏

37、特效應(yīng)及其光電元件圖圖8.12硅光電池硅光電池1. 光電池結(jié)構(gòu)原理第8章 光電傳感器632. 光電池的特性1) 光電池的光譜特性光電池的光譜特性硒光電池和硅光電池的光譜特性曲線如圖硒光電池和硅光電池的光譜特性曲線如圖8.13所示所示。從圖示曲線可以看出，不同的光電池其光譜峰值的位。從圖示曲線可以看出，不同的光電池其光譜峰值的位置不同。硅光電池的在置不同。硅光電池的在8000附近，硒光電池的在附近，硒光電池的在5400附近。硅光電池的光譜范圍很廣，在附近。硅光電池的光譜范圍很廣，在450011 000之之間。硒光電池的光譜范圍為間。硒光電池的光譜范圍為34007500 ，因此，硒光，因此，硒光電

38、池適用于可見(jiàn)光，常用于照度計(jì)測(cè)定光的強(qiáng)度。電池適用于可見(jiàn)光，常用于照度計(jì)測(cè)定光的強(qiáng)度。8.4.28.4.2光電伏特型光電元件光電伏特型光電元件8.48.4光生伏特效應(yīng)及其光電元件第8章 光電傳感器642. 光電池的特性圖圖8.13硒光電池與硅光電池的光譜特性曲線硒光電池與硅光電池的光譜特性曲線8.4.28.4.2光電伏特型光電元件光電伏特型光電元件8.48.4光生伏特效應(yīng)及其光電元件第8章 光電傳感器652. 光電池的特性2) 光電池的光照特性光電池的光照特性光電池在不同的光強(qiáng)照射下可產(chǎn)生不同的光電流和光電池在不同的光強(qiáng)照射下可產(chǎn)生不同的光電流和光生電動(dòng)勢(shì)。硅光電池的光照特性曲線如圖光生電動(dòng)勢(shì)

39、。硅光電池的光照特性曲線如圖8.14所示。所示。8.4.28.4.2光電伏特型光電元件光電伏特型光電元件8.48.4光生伏特效應(yīng)及其光電元件第8章 光電傳感器662. 光電池的特性圖圖8.14硅光電池的光照特性曲線硅光電池的光照特性曲線8.4.28.4.2光電伏特型光電元件光電伏特型光電元件8.48.4光生伏特效應(yīng)及其光電元件第8章 光電傳感器672. 光電池的特性2) 光電池的光照特性光電池的光照特性從該曲線中可以看出，短路電流在很大范圍內(nèi)與光從該曲線中可以看出，短路電流在很大范圍內(nèi)與光強(qiáng)成線性關(guān)系。開路電壓隨光強(qiáng)變化是非線性的，并且強(qiáng)成線性關(guān)系。開路電壓隨光強(qiáng)變化是非線性的，并且當(dāng)照度在當(dāng)照度在2000 lx時(shí)就趨于飽和。因此，把光電池作為時(shí)就趨于飽和。因此，把光電池作為測(cè)量元件時(shí)，應(yīng)把它當(dāng)作電流源來(lái)使用，不宜用作電壓測(cè)量元件時(shí)，應(yīng)把它當(dāng)作電流源來(lái)使用，不宜用作電壓源。源。8.4.28.4.2光電伏特型光電元件光電伏特型光電元件8.48.4光生伏特效應(yīng)及其光電元件第8章 光電傳感器682. 光電池的特性3) 光電池的頻率特性光電池的頻率特性光電池在作為測(cè)量、計(jì)數(shù)、接收元件時(shí)，常用交變光電池在作為測(cè)量、計(jì)數(shù)、接收元件時(shí)，常用交變光照。光照。光電池的頻率