8模塊八光學(xué)量檢測(cè)(上)

1、機(jī)、電類(lèi)傳感器與檢測(cè)技術(shù)項(xiàng)目教程模塊八、光學(xué)量檢測(cè) 課件統(tǒng)一書(shū)號(hào)：ISBN 978-7-111-48817-0課程配套網(wǎng)站或 2015年2月第1版7/6/20221本模塊介紹“光學(xué)量” 的基本概念、各種光電元件，例如：紫外光電管、光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管、光電池，介紹各種光電元件的應(yīng)用。還介紹了光導(dǎo)纖維傳感器及其應(yīng)用。內(nèi)容簡(jiǎn)介今天是：7/6/20227/6/20222模塊八、光學(xué)量檢測(cè)（上） 目錄進(jìn)入知識(shí)鏈接 光學(xué)量的基本概念項(xiàng)目一、光電元件及應(yīng)用電路（中、下）項(xiàng)目二、光電傳感器的應(yīng)用（下）拓展閱讀 光導(dǎo)纖維傳感器及應(yīng)用現(xiàn)在時(shí)間是：13:55進(jìn)入進(jìn)入7/6/20223知識(shí)鏈接 光學(xué)量的

2、基本概念圖8-1 廣義電磁波譜7/6/20224光學(xué)常用的度量表8-1 常用光度學(xué)的名稱(chēng)、符號(hào)、單位及說(shuō)明名稱(chēng)符號(hào)單 位說(shuō) 明輻射能Q焦耳，J發(fā)光體輻射出來(lái)的光能量輻射能通量(輻射功率)瓦，W發(fā)光體在單位時(shí)間內(nèi)輻射出的總能量光通量流明，lm發(fā)光體每秒所發(fā)出的輻射功率經(jīng)過(guò)人眼的視見(jiàn)函數(shù)影響后的等效輻射功率光強(qiáng)I坎德拉，cd發(fā)光體在特定方向的單位立體角內(nèi)所發(fā)射的光通量照度E勒克斯，lx發(fā)光體照射在被照物體單位面積上的光通量亮度Lcd/m2發(fā)光體在視線方向單位投影面上的光強(qiáng)7/6/20225光學(xué)量名詞解釋?zhuān)?）光通量：光源在單位時(shí)間內(nèi)向周?chē)臻g輻射出去的并使人眼產(chǎn)生光感的能量大小，用符號(hào)表示，單位為

3、流明（lm），是人眼感受到的555nm光輻射功率。在較明亮的環(huán)境中，人的視覺(jué)對(duì)波長(zhǎng)為555nm左右的綠色光最敏感。由于人眼對(duì)不同波長(zhǎng)光的相對(duì)視見(jiàn)率不同，所以不同波長(zhǎng)光的輻射功率相等時(shí)，其光通量并不相等。對(duì)于人眼最敏感的555nm的綠光。1W=683lm（綠色），而1W的650nm光（紅色） ,人的感覺(jué)僅為73 lm。7/6/20226光通量（續(xù)）40W白熾燈發(fā)射的光通量為350 lm；40W熒光燈發(fā)射的光通量為2000 lm；單只高亮度LED的光通量與消耗的功率有關(guān)，常見(jiàn)范圍為20100 lm。7/6/20227明視覺(jué)和暗視覺(jué)條件下的光譜光效率函數(shù)7/6/20228光學(xué)量名詞解釋?zhuān)ɡm(xù)） （2）

4、發(fā)光強(qiáng)度：簡(jiǎn)稱(chēng)光強(qiáng)，表示發(fā)光強(qiáng)弱，用符號(hào)I表示，單位是坎德拉（cd）。曾經(jīng)使用過(guò)的單位有燭光、支光。 發(fā)光強(qiáng)度定義為：頻率為5401012Hz（即波長(zhǎng)555nm）的單色光源每單位立體角（1個(gè)球面度）輻射能為1/683W時(shí)的光通量。若光源發(fā)出的波長(zhǎng)為555nm單色輻射是均勻的，則發(fā)光體在某給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度就等于發(fā)光體在該方向的立體角內(nèi)傳輸?shù)墓馔砍栽摿Ⅲw角所得的值，即：I=/。 7/6/20229（2）發(fā)光強(qiáng)度（續(xù)） 若點(diǎn)光源各向同性，且 I=1cd時(shí)，=4I=12.56 lm與力學(xué)的單位比較，“光通量”相當(dāng)于“壓力”，而“發(fā)光強(qiáng)度”相當(dāng)于“壓強(qiáng)”。 太陽(yáng)的發(fā)光強(qiáng)度為31027cd；高亮度

5、LED的發(fā)光強(qiáng)度為10cd；普通蠟燭的發(fā)光強(qiáng)度約為1cd。7/6/202210晴天太陽(yáng) 1坎德拉（1cd）：?jiǎn)紊庠疵繂挝涣Ⅲw角（1個(gè)球面度）輻射能為1/683W時(shí)的光通量。曾經(jīng)使用過(guò)的單位有燭光、支光。1“燭光”7/6/202211發(fā)光強(qiáng)度（續(xù)）LED的發(fā)光強(qiáng)度分布示意圖 要使被照射點(diǎn)看起來(lái)更亮，不僅要提高光通量，而且要增大會(huì)聚的手段，實(shí)際上就是減少發(fā)光的立體角，就能得到更大的發(fā)光強(qiáng)度。 LED的發(fā)光強(qiáng)度可以達(dá)到幾十cd7/6/202212光學(xué)量名詞解釋?zhuān)ɡm(xù)）（3）照度：描述物體被照亮的程度，用符號(hào)E表示，單位為勒克斯（lx），相當(dāng)于1m2面積上受到1個(gè)lm光通量的照射。若受照面積為A，所接

6、收的光通量為，則照度被定義為E=/A，1 lx=1 lm/m2。 傾斜照亮被照物時(shí)的照度變小。7/6/202213光學(xué)量名詞解釋?zhuān)ɡm(xù)）照度平方反比定律：點(diǎn)光源照射在物體上，物體的照度（均勻時(shí)）與從光源到物體的距離的平方成反比。7/6/202214表8-2 日常生活環(huán)境的照度環(huán)境照度/lx晴天中午室外1000080000陰天中午室外6000晴天中午室內(nèi)窗口桌面20004000辦公室約150200晚上教室桌面約15040W熒光燈正下方1.3m9040W白熾燈下1m30黃昏室內(nèi)10滿(mǎn)月時(shí)的地面0.2教室課桌的照度測(cè)量7/6/202215光學(xué)量名詞解釋?zhuān)ɡm(xù)）（4）亮度：描述人對(duì)發(fā)光體或被照射物體表面的

7、發(fā)光或反射光強(qiáng)度所感受到的明亮程度，用符號(hào)L表示，單位為坎德拉每平米（cd/m2），過(guò)去使用過(guò)的單位有尼特（nt）。亮度是針對(duì)面光源而言的。人眼能夠感覺(jué)的亮度范圍極寬，從千分之幾cd/m2直到幾百萬(wàn)cd/m2。人眼對(duì)380780納米內(nèi)不同波長(zhǎng)的光具有不同的敏感程度，稱(chēng)為人眼的視敏特性。人眼感覺(jué)到的紅、綠、藍(lán)三者亮度之和決定了物體的總亮度。7/6/202216表8-3 常見(jiàn)物體的亮度光源名稱(chēng)亮度/cdm-2紅色激光筆窗口21010地球上看到的太陽(yáng)2109超高壓球狀水銀燈1109白熾燈鎢絲1107乙炔火焰8104太陽(yáng)照射下的潔凈雪面或白紙3104陰天天空200040W熒光燈表面7000液晶電視屏幕

8、4001000滿(mǎn)月下的白紙0.07無(wú)月夜空0.0001直視紅色激光將對(duì)眼睛造成損害太陽(yáng)耀斑7/6/202217晴天天空的亮度 乙炔火焰的亮度滿(mǎn)月時(shí)的地面熾熱的鎢絲亮度7/6/202218光學(xué)量名詞解釋?zhuān)ɡm(xù)）光通量、發(fā)光強(qiáng)度、亮度、照度之間的關(guān)系7/6/202219項(xiàng)目一 光電元件及應(yīng)用電路【項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)】 知識(shí)目標(biāo)1）了解常用光電元件的基本特性。2）了解光電池的短路電流測(cè)量電路。 技能目標(biāo)1）掌握光敏晶體管應(yīng)用電路的計(jì)算。2）掌握光控電路的分析。回目錄現(xiàn)在時(shí)間是：13:557/6/202220光電效應(yīng)用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為hf 的光子的轟擊，組成這物體的材料吸收光子能量

9、而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)。1）在光線的作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管等。2）在光線的作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱(chēng)為內(nèi)光電效應(yīng)，也稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)?；趦?nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管及光敏晶閘管等。7/6/202221光電效應(yīng)（續(xù)）3）在光線的作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱(chēng)為光生伏特效應(yīng)，基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等。第一類(lèi)光電元件屬于玻璃真空管元件，第二、三類(lèi)屬于半導(dǎo)體元件。7/6/2022221905年德國(guó)物理學(xué)家愛(ài)因斯坦用光量子學(xué)說(shuō)解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，并為此而獲得1921

10、年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 7/6/202223任務(wù)一 紫外光電管的特性及應(yīng)用電路圖8-2 光電管及外光電效應(yīng)a）光電管 b）外光電效應(yīng)示意圖1陽(yáng)極A 2陰極K 3石英玻璃外殼 4抽氣管蒂 5陽(yáng)極引腳 6陰極引腳 7金屬表面 8光子 9光致發(fā)射電子7/6/202224任務(wù)一 紫外光電管的特性及應(yīng)用電路圖8-3 光電管的圖形符號(hào)及測(cè)量電路7/6/202225 紫外光電管當(dāng)入射紫外線照射在紫外管陰極板上時(shí)，電子克服金屬表面對(duì)它的束縛而逸出金屬表面，形成電子發(fā)射。紫外管多用于紫外線測(cè)量、火焰監(jiān)測(cè)等?？梢?jiàn)光較難引起光電子的發(fā)射?；鹧娴妮椛涔庵邪溯^大比例的紫外光。紫外線玻殼用石英材料制造，對(duì)紫外線透光率較好

11、的7/6/202226任務(wù)二 光敏電阻的特性及應(yīng)用電路光敏電阻是基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。但其線性度較差，溫漂較大。一、光敏電阻的的結(jié)構(gòu)及工作原理材料：金屬的硫化物、硒化物、碲化物等半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體載流子數(shù)目的多少。當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí),產(chǎn)生自由電子和空穴。光照越強(qiáng),阻值就越低。入射光消失,電子-空穴對(duì)逐漸復(fù)合。7/6/202227光敏電阻外形及結(jié)構(gòu)當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)， 兩個(gè)電極之間的阻值減小。7/6/202228光敏電阻原理演示 當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，光生電子-空穴對(duì)增加，阻值減小，電流增大。 無(wú)光照時(shí)的電流稱(chēng)為暗電流（溫度升高，暗電流增大

12、）光照產(chǎn)生的電流稱(chēng)為亮電流7/6/202229二、光敏電阻的特性和參數(shù)（1）暗電阻：置于室溫、全暗條件下測(cè)得的穩(wěn)定電阻值稱(chēng)為暗電阻，通常大于1M。光敏電阻受溫度影響甚大，溫度上升，暗電阻減小，暗電流增大，靈敏度下降，這是光敏電阻的一大缺點(diǎn)。（2）光電特性：在光敏電阻兩極電壓固定不變時(shí)，照度與電阻及電流間的關(guān)系稱(chēng)為光電特性。圖8-6 光敏電阻特性7/6/202230二、光敏電阻的特性和參數(shù)（續(xù)）（3）光譜特性：對(duì)波長(zhǎng)為500700nm的入射光有較大的響應(yīng)。（4）響應(yīng)時(shí)間：受光照后，光電流需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間（上升響應(yīng)時(shí)間）才能達(dá)到其穩(wěn)定值。7/6/202231光敏電阻的特性和參數(shù)（續(xù)）同樣，在停止光

13、照后，光電流也需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間（下降響應(yīng)時(shí)間）才能恢復(fù)到其暗電流值。上升響應(yīng)時(shí)間和下降響應(yīng)時(shí)間為30ms左右，不能用于要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合。（5）工作溫度：通常為-30+70，大于工作溫度上限時(shí)，溫漂嚴(yán)重；小于工作溫度下限時(shí)，靈敏度下降較多。7/6/202232GL系列光敏電阻的特性參數(shù)7/6/202233三、光敏電阻的測(cè)量電路光敏電阻R與負(fù)載電阻RL串聯(lián)后，接到電源Ei上。當(dāng)無(wú)光照時(shí)，光敏電阻R很大，I在RL上的壓降Uo1很小。隨著照度增大，R減小，a圖中的Uo隨之增大。b圖與圖a圖相反。照度增大，Uo2反而減小。Uo可以接到CMOS數(shù)字集成電路的輸入端，在某一照度時(shí)，數(shù)字電路的輸出電平翻轉(zhuǎn)。

14、圖8-7 光敏電阻的基本應(yīng)用電路a）Uo與照度變化趨勢(shì)相同的電路 b）Uo與照度變化趨勢(shì)相反的電路7/6/202234任務(wù)三 光敏二極管的特性及應(yīng)用電路一、光敏二極管的結(jié)構(gòu)及工作原理光敏二極管的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。PN結(jié)被設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，可以直接受到光的照射。在電路中必須處于反向偏置狀態(tài)。7/6/202235a）外形圖 b）封裝結(jié)構(gòu) c）管芯結(jié)構(gòu) d）圖形符號(hào)1負(fù)極引腳 2管芯 3外殼 4玻璃聚光鏡 5正極引腳 6N型襯底7SiO2保護(hù)圈8SiO2透明保護(hù)層 9鋁引出電極10P型擴(kuò)散層 11耗盡層 12金絲引出線圖8-8 光敏二極管7/6/202236部分光敏二極管特性參數(shù).

15、7/6/202237金屬封裝光敏二極管將光敏二極管的PN 結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結(jié)時(shí)，電子-空穴對(duì)數(shù)量增加，光電流與照度成正比。 透鏡+-7/6/202238各種光敏二極管 光敏二極管陣列 包含1024個(gè)InGaAs元件的線性光電二極管陣列，可用于分光光譜儀。7/6/202239紅外發(fā)射、接收對(duì)管 紅外發(fā)射管（調(diào)制器）紅外接收管解調(diào)器 解調(diào)后的波形7/6/202240二、特殊光敏二極管（PIN二極管）PIN光敏二極管是在P區(qū)和N區(qū)之間插入一層較厚的I本征半導(dǎo)體層，從而使PN結(jié)的間距加寬，結(jié)電容變小(幾個(gè)pF)。因此，PIN光敏二極管的頻帶較寬，可達(dá)GHz數(shù)量級(jí)。

16、PIN光敏二極管的工作電壓（反向偏置電壓）只需十幾伏，光電轉(zhuǎn)換效率較高，靈敏度比普通的光敏二極管高得多。特殊結(jié)構(gòu)的PIN二極管可用于測(cè)量紫外線、X射線或射線。PIN光敏二極管的缺點(diǎn)是I層電阻較大，輸出電流較小，一般多為微安數(shù)量級(jí)，沒(méi)有倍增效應(yīng)。目前已將PIN管與前置運(yùn)算放大器集成在同一硅片上，并封裝于一個(gè)管殼內(nèi)，用于光纖通信。7/6/202241PIN二極管外形.7/6/202242PIN二極管的PN結(jié)與內(nèi)部電場(chǎng)7/6/202243特殊光敏二極管（續(xù)：APD二極管）APD光敏二極管(雪崩光敏二極管)是一種具有內(nèi)部倍增放大作用的光敏二極管,靈敏度比PIN大幾百倍。當(dāng)有一個(gè)光子從外部射入到其PN結(jié)

17、上時(shí),將產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)。由于PN結(jié)上施加了較高的工作電壓(約100V),接近于反向擊穿電壓，因此能將光子所產(chǎn)生的光電子加速到具有很高的動(dòng)能,撞擊其他原子,產(chǎn)生新的電子空穴對(duì),如此多次碰撞,以致最終造成載流子按幾何級(jí)數(shù)劇增的“雪崩”效應(yīng),形成對(duì)原始光電流的放大作用,增益可達(dá)幾千倍,而雪崩產(chǎn)生和恢復(fù)所需的時(shí)間可小于10ns,適用于微光信號(hào)檢測(cè)以及長(zhǎng)距離光纖通信,可以取代“光電倍增管”。APD光敏二極管的主要缺點(diǎn)：噪聲大。若有用光電信號(hào)只有幾個(gè)毫微瓦(nW),就會(huì)被噪聲淹沒(méi)。7/6/202244APD光敏二極管的PN結(jié)、內(nèi)部電場(chǎng)分布及電子倍增APD載流子雪崩式倍增示意圖7/6/202245APD

18、光敏二極管的外形及用途APD二極管適用于微光測(cè)量和光纖通信。7/6/202246GD3250系列硅雪崩光電二極管的特性參數(shù) 參數(shù)單位GD3250-AGD3250-BGD3250-C光敏面直徑mm0.20.50.8工作電壓V100150100150150250暗電流nA152535響應(yīng)度V/w606060上升時(shí)間ns134噪聲等效功率Pw/Hz1/20.050.070.09結(jié)電容pF11.52使用溫度范圍-20+40-20+40-20+40封裝形式TO型 光纖型TO型TO型7/6/202247InGaAs-PIN 及InGaAs-APD近紅外二極管特性材料InGaAs-PIN InGaAs-AP

19、D工作波長(zhǎng)/m1.311.55量子效率/%7575響應(yīng)度/AW-10.780.94暗電流/nA0.120工作帶寬/GHz2.03.0附加電容/pF1.10.5典型應(yīng)用622Mb/s2.5Gb/s7/6/202248三、光敏二極管的特性（1）最高反向工作電壓：在無(wú)光照的條件下，反向漏電流不大于10A時(shí)所能承受的最高反向電壓值。（2）暗電流：在無(wú)光照及最高反向工作電壓條件下的漏電流。暗電流越小，光敏二極管的性能越穩(wěn)定，檢測(cè)弱光的能力就越強(qiáng)。（3）光電流：在受到一定光照時(shí)，在最高反向工作電壓下產(chǎn)生的電流。圖8-9 光敏二極管的伏安特性 （4）伏安特性：光敏二極管工作在第三象限，流過(guò)它的電流與照度成正

20、比（曲線的間隔相等），正常使用時(shí)應(yīng)施加1.5V以上的反向偏置電壓為宜。7/6/202249光敏二極管的特性（續(xù)）（5）光電特性：光電流I與照度基本成線性關(guān)系。圖8-10 某系列光敏二極管的光電特性1光敏二極管光電特性 2光敏晶體管光電特性7/6/202250光敏二極管的特性（續(xù)）（6）光譜特性：不同材料的光敏二極管對(duì)不同波長(zhǎng)入射光的靈敏度不同?？刂芇N結(jié)的制造工藝，也能得到不同的光譜特性。硅光敏元件的峰值波長(zhǎng)為0.8m左右?，F(xiàn)在已分別制出對(duì)紅外光、可見(jiàn)光直至藍(lán)紫光敏感的光敏晶體管。Kr 表示相對(duì)于峰值波長(zhǎng)為100%時(shí)的相對(duì)靈敏度。還可在光敏二極管的透光窗口上配以不同顏色的濾光玻璃，以達(dá)到光譜修

21、正的目的，使光譜響應(yīng)峰值波長(zhǎng)根據(jù)需要而改變，據(jù)此可以制作色彩傳感器。7/6/202251圖8-11 光敏二極管的光譜特性1常規(guī)工藝硅光敏二極管的光譜特性 2濾光玻璃引起的光譜特性紫偏移3濾光玻璃引起的光譜特性紅偏移7/6/202252光敏二極管的特性（續(xù)）（7）結(jié)電容Ct：PN結(jié)在最高反偏電壓時(shí)的電容。結(jié)面積越小，結(jié)電容Ct也越小，工作頻率就越高。（8）響應(yīng)時(shí)間：將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)所需要的時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間越短，光敏二極管的工作頻率越高。工業(yè)級(jí)硅光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間為10_710_5s左右。被測(cè)光信號(hào)的調(diào)制頻率較高時(shí)，應(yīng)選用高速硅光敏二極管。表8-5 幾種光敏材料的光譜峰值波長(zhǎng)材料名稱(chēng)GaAsP

22、GaAsSiHgCdTeGeGaInAsPAlGaSbGaInAsInSb峰值波長(zhǎng)/m0.60.650.8121.31.31.41.655.07/6/202253光敏二極管的特性（續(xù)）圖8-12 某型號(hào)光敏二極管的頻率特性a）輸入調(diào)制光脈沖 b）光敏二極管脈沖響應(yīng)（9）溫度特性：溫度變化對(duì)亮電流影響不大，但對(duì)暗電流的影響非常大，并且是非線性的，將給微光測(cè)量帶來(lái)誤差。7/6/202254四、光敏二極管的應(yīng)用電路圖8-13 光敏二極管的應(yīng)用電路a）反偏電路 b）反相驅(qū)動(dòng)電路a圖：Uoa=IDRL b圖： Ui2.5V時(shí)，Uob=4.9V 7/6/202255 光敏二極管的反向偏置接線（參考上頁(yè)8-

23、13a圖）及光電特性演示 在沒(méi)有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。 當(dāng)光照增加時(shí)，光電流I與光照度成正比關(guān)系。 光敏二極管的反向偏置接法UO+光照7/6/202256任務(wù)四 光敏晶體管的特性及應(yīng)用電路一、光敏晶體管的結(jié)構(gòu)及工作原理光敏晶體管也稱(chēng)為光敏三極管，有兩個(gè)PN結(jié)。有電流增益，靈敏度比光敏二極管高幾十倍，漏電流也較大，恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，約10s。EC集電結(jié)發(fā)射結(jié)負(fù)極正極7/6/202257圖8-14 NPN型光敏晶體管a）管芯結(jié)構(gòu) b) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖 c）光敏晶體管外形 d）光敏晶體管圖形符號(hào) e）光敏達(dá)林頓晶體管圖形符號(hào)1N+襯底 2N型集電區(qū) 3透光SiO2保護(hù)圈 4集電

24、結(jié)JC 5P型基區(qū) 6發(fā)射結(jié)JE 7N型發(fā)射區(qū)7/6/202258光敏晶體管的外形 多數(shù)只有C、E兩個(gè)電極CEBCE7/6/202259二、光敏晶體管的特性（1）光敏晶體管的伏安特性：在給定的照度下光敏晶體管上的電壓UCE與光電流（即集電極電流）I的關(guān)系。圖8-15 某系列NPN型光敏晶體管的伏安特性7/6/202260NPN型光敏晶體管的電流增益光敏晶體管的集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏，光照時(shí)有電流增益 。入射光子在集電結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，集電極電流IC是原始光電流的倍。光線集電結(jié)(反偏)IC=IB大于3V7/6/202261光敏晶體管的特性（續(xù)）（2）光電特性 ：線性度不如光敏二極管好。（3

25、）峰值波長(zhǎng) ：約為0.7m。（4）響應(yīng)時(shí)間 ：比相應(yīng)的二極管慢一個(gè)數(shù)量級(jí)，為微秒數(shù)量級(jí)。 （5）溫度特性 :溫度對(duì)“光電流”的影響小，對(duì)“暗電流”的影響大。7/6/202262光敏二極管、光敏晶體管的光電特性比較 0光照 光電流光敏晶體管光敏二極管3000lx4mA請(qǐng)分析光敏二極管、光敏晶體管的靈敏度曲線差異0.3mA請(qǐng)作圖并計(jì)算當(dāng)E=1000lx時(shí)，光敏二極管的光電流I IEICE07/6/202263部分3DU光敏三極管特性參數(shù)7/6/202264光敏達(dá)林頓管將光敏三極管與另一個(gè)普通三極管制作在同一個(gè)管芯里，連接成復(fù)合管型式，稱(chēng)為達(dá)林頓型光敏三極管。它的靈敏度更高（=12），且允許輸出較大

26、的電流。但是達(dá)林頓光敏三極管的漏電（暗電流）也較大，頻響較差，溫漂也較大。光敏達(dá)林頓三極管圖形符號(hào)達(dá)林頓型光耦合器輸出電流可達(dá)50mA7/6/202265光敏晶閘管 光敏晶閘管有三個(gè)引出電極，即陽(yáng)極a、陰極k和門(mén)極g 。它的頂部有一個(gè)玻璃透鏡，光敏晶閘管的陽(yáng)極與負(fù)載串聯(lián)后接電源正極，陰極接電源負(fù)極，門(mén)極可懸空。當(dāng)有一定照度的光信號(hào)通過(guò)玻璃窗口照射到正向阻斷的PN結(jié)上時(shí),將產(chǎn)生門(mén)極電流,從而使光敏晶閘管從阻斷狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。導(dǎo)通后,即使光照消失,光敏晶閘管仍維持導(dǎo)通。使陽(yáng)極與陰極的電壓反向,或使負(fù)載電流小于其維持電流，晶閘管截止。光敏晶閘管的特點(diǎn)是： 導(dǎo)通電流比光敏三極管大得多,工作電壓可達(dá)近

27、千伏，因此輸出功率大，可用于工業(yè)自動(dòng)檢測(cè)控制。7/6/202266光敏晶閘管用于光控路燈電路光敏面 光照小于設(shè)定值時(shí),VT1截止, VT2的門(mén)極電流Ig2較大,VT2導(dǎo)通,電燈HL亮。減小Rg , 門(mén)極電流被旁路,靈敏度降低。7/6/202267光敏晶閘管多用于弱電控制強(qiáng)電的光耦電路雙向過(guò)零觸發(fā)晶閘管光耦 MOC30系列 7/6/202268單片機(jī)控制燈光或交流繼電器電路 7/6/202269三、光敏晶體管應(yīng)用電路圖8-16 光敏晶體管的兩種測(cè)量電路a）射極輸出電路 b）集電極輸出電路Uo1=ICRE （8-5）Uo2=VCC-ICRE （8-6）7/6/202270表8-6 光敏晶體管的輸出

28、狀態(tài)比較電路形式無(wú)光照時(shí)強(qiáng)光照時(shí)晶體管狀態(tài)ICUo晶體管狀態(tài)ICUo射極輸出截止00（低電平）飽和(VCC-0.3V)/RLVCC-UCES（高電平）集電極輸出截止0VCC（高電平）飽和(VCC-0.3V)/RLUCES（0.3V）（低電平）7/6/202271例8-3 光控繼電器電路1）分析工作過(guò)程。2）若VCC=12V，中間繼電器KA的驅(qū)動(dòng)線圈阻值RKA=100，求：在強(qiáng)光照時(shí)，流過(guò)中間繼電器KA的電流。解 1）當(dāng)無(wú)光照時(shí)，V1截止，IB=0，V2也截止，繼電器KA處于失電（釋放）狀態(tài)。當(dāng)有強(qiáng)光照時(shí)，V1產(chǎn)生較大的光電流I，一部分流經(jīng)RB1及V2的發(fā)射結(jié)。當(dāng)IBIBES（IBES為集電極飽

29、和電流，IBES=ICES/）時(shí)，V2飽和，產(chǎn)生較大的集電極飽和電流ICES，ICES=（VCC0.3V）/RKA，因此繼電器KA得電并吸合。2）由于足夠大，集電極電流與基極電流IB基本無(wú)關(guān)，ICES(12-0.3)V/0.1k=117mA。圖8-177/6/202272任務(wù)五 光電池的特性及應(yīng)用電路一、硅光電池的結(jié)構(gòu)及工作原理光電池是一種能夠直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。它有一個(gè)大面積的PN 結(jié)，正面有透明電極覆蓋。當(dāng) PN結(jié)受到光照時(shí)，在正反面產(chǎn)生“光生電壓”和“光生電流”，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光生伏特效應(yīng)。圖8-18 硅光電池a）結(jié)構(gòu)示意圖 b）圖形符號(hào) c）等效電路7/6/202273光電

30、池的結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖四象限光電池光電池的材料：硅、碲化鎘、硫化鎘、砷化鎵、銅銦硒等7/6/202274光電池內(nèi)部載流子的漂移示意圖入射光線7/6/202275太陽(yáng)能電池的種類(lèi)氣相沉積法制作的非晶硅，價(jià)廉，可卷?yè)?/6/202276光電池外形光敏面7/6/202277二、硅光電池的基本特性（1）光電特性：開(kāi)路電壓Uo與照度的關(guān)系近似于對(duì)數(shù)關(guān)系,在2000lx照度以上就趨于飽和。當(dāng)負(fù)載短路時(shí),光電流在很大范圍內(nèi)與照度呈線性關(guān)系。如果要得到較大的輸出電壓，必須將多塊光電池串聯(lián)起來(lái)。圖8-19 某系列硅光電池的光電特性對(duì)數(shù)特性開(kāi)路電壓短路電流1開(kāi)路電壓曲線 2短路電流曲線7/6/202278光電池的光電特性演示0光照度請(qǐng)作圖計(jì)算當(dāng)E=1000lx時(shí)，光電池的電流I和電壓Uoc開(kāi)路輸出電壓10000lx0.6V開(kāi)路電壓 UocE8mA5000lx短路輸出電流短路電流Isc4mA0.55V結(jié)論？7/6/202279硅光