12 光電傳感器(第十章)

1、第十章 光電傳感器主要內(nèi)容：10.1 光電效應(yīng) 10.2 光電器件10.3 光纖傳感器10.4 CCD圖像傳感器10.5 光柵式傳感器 1 1905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年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 2一、光譜光波：波長(zhǎng)為10106nm的電磁波可見(jiàn)光：波長(zhǎng)380780nm紫外線(xiàn)：波長(zhǎng)10380nm， 波長(zhǎng)300380nm稱(chēng)為近紫外線(xiàn) 波長(zhǎng)200300nm稱(chēng)為遠(yuǎn)紫外線(xiàn) 波長(zhǎng)10200nm稱(chēng)為極遠(yuǎn)紫外線(xiàn)，紅外線(xiàn)：波長(zhǎng)780106nm 波長(zhǎng)3m（即3000nm）以下的稱(chēng)近紅外線(xiàn) 波長(zhǎng)超過(guò)3m 的紅外線(xiàn)稱(chēng)為遠(yuǎn)紅外線(xiàn)。 光譜分布如圖所示。 概 述3遠(yuǎn)紫外近紫外可

2、見(jiàn)光近紅外遠(yuǎn)紅外極遠(yuǎn)紫外0.010.11100.050.55波長(zhǎng)/m波數(shù)/cm-1頻率/Hz光子能量/eV1061051041035105510451031015510141014510131001015050.551015101631018光的波長(zhǎng)與頻率的關(guān)系由光速確定，真空中的光速c=2.997931010cm/s，通常c31010cm/s。光的波長(zhǎng)和頻率的關(guān)系為 的單位為Hz，的單位為cm。 =31010cm / s4光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性質(zhì)。由光的粒子說(shuō)可知，光是以光速運(yùn)動(dòng)著的粒子（光子）流，一束頻率為的光由能量相同的光子所組成，每個(gè)光子的能量為h普朗克常數(shù)，6

3、.62610-34Js；光的頻率（單位s-1）?？梢?jiàn)，光的頻率愈高（即波長(zhǎng)愈短），光子的能量愈大。5光源（發(fā)光器件）1.白熾光源 用鎢絲通電加熱作為光輻射源最為普通，一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的。 發(fā)光范圍：可見(jiàn)光、大量紅外線(xiàn)和紫外線(xiàn)。 特點(diǎn)：壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動(dòng)態(tài)特性差。 62.氣體放電光源利用電流通過(guò)氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈。 氣體放電燈的光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類(lèi)及放電條件有關(guān)。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。 7低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱(chēng)為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長(zhǎng)為254nm，鈉燈的輻射

4、波長(zhǎng)為589nm，它們經(jīng)常用作光電檢測(cè)儀器的單色光源。如果光譜燈涂以熒光劑，由于光線(xiàn)與涂層材料的作用，熒光劑可以將氣體放電譜線(xiàn)轉(zhuǎn)化為更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，目前熒光劑的選擇范圍很廣，通過(guò)對(duì)熒光劑的選擇可以使氣體放電發(fā)出某一范圍的波長(zhǎng)，如，照明日光燈。 氣體放電燈消耗的能量?jī)H為白熾燈1/21/3。83.發(fā)光二極管（LEDLight Emitting Diode） 由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)成，其工作電壓低、響應(yīng)速度快壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕，因此獲得廣泛的應(yīng)用. 半導(dǎo)體中，由于空穴和電子的擴(kuò)散，在PN結(jié)處形成勢(shì)壘，從而抑制了空穴和電子的繼續(xù)擴(kuò)散。當(dāng)PN結(jié)上加有正向電壓時(shí)，勢(shì)壘降低，電子由N區(qū)注入到P區(qū)，空穴則由P區(qū)注入

5、到N區(qū)，稱(chēng)為少數(shù)載流子注入。所注入到P區(qū)里的電子和P區(qū)里的空穴復(fù)合，注入到N區(qū)里的空穴和N區(qū)里的電子復(fù)合，這種復(fù)合同時(shí)伴隨著以光子形式放出能量，因而有發(fā)光現(xiàn)象。9 電子和空穴復(fù)合，所釋放的能量Eg等于PN結(jié)的禁帶寬度（即能量間隙）。所放出的光子能量用h表示，h為普朗克常數(shù)，為光的頻率。則普朗克常數(shù)h=6.610-34J.s；光速c=3108m/s；Eg的單位為電子伏（eV），1eV=1.610-19J。 hc=19.810-26mWs=12.410-7meV?？梢?jiàn)光的波長(zhǎng)近似地認(rèn)為在710-7m以下，所以制作發(fā)光二極管的材料，其禁帶寬度至少應(yīng)大于h c /=1.8 eV 普通二極管是用鍺或硅制

6、造的，這兩種材料的禁帶寬度Eg分別為0.67eV和1.12eV，顯然不能使用。10 發(fā)光二極管的伏安特性與普通二極管相似，但隨材料禁帶寬度的不同，開(kāi)啟（點(diǎn)燃）電壓略有差異。圖為砷磷化鎵發(fā)光二極管的伏安曲線(xiàn)，紅色約為1.7V開(kāi)啟，綠色約為2.2V。U/V I/mA 注意，圖上的橫坐標(biāo)正負(fù)值刻度比例不同。一般而言，發(fā)光二極管的反向擊穿電壓大于5V，為了安全起見(jiàn)，使用時(shí)反向電壓應(yīng)在5V以下。 -10 -5 0 12GaAsP(紅)GaAsP(綠)11 發(fā)光二極管的光譜特性如圖所示。圖中砷磷化鎵的曲線(xiàn)有兩根，這是因?yàn)槠洳馁|(zhì)成分稍有差異而得到不同的峰值波長(zhǎng)p 。除峰值波長(zhǎng)p決定發(fā)光顏色之外，峰的寬度（用

7、描述）決定光的色彩純度，越小，其光色越純。0.20.40.60.8 1.0 06007008009001000GaAsPp=670nmp=655nmGaAsPp=565nmGaPp=950nmGaAs發(fā)光二極管的光譜特性/nm相對(duì)靈敏度124、激光器激光是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一，具有高方向性、高單色性和高亮度三個(gè)重要特性。激光波長(zhǎng)從0.24m到遠(yuǎn)紅外整個(gè)光頻波段范圍。激光器種類(lèi)繁多，按工作物質(zhì)分類(lèi)：固體激光器（如紅寶石激光器）氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器）半導(dǎo)體激光器（如砷化鎵激光器）液體激光器13（1）固體激光器典型實(shí)例是紅寶石激光器，是1960年人類(lèi)發(fā)明

8、的第一臺(tái)激光器。它的工作物質(zhì)是固體。種類(lèi)：紅寶石激光器、摻釹的釔鋁榴石激光器（簡(jiǎn)稱(chēng)YAG激光器）和釹玻璃激光器等。特點(diǎn)：小而堅(jiān)固、功率高，釹玻璃激光器是目前脈沖輸出功率最高的器件，已達(dá)到幾十太瓦。 固體激光器在光譜吸收測(cè)量方面有一些應(yīng)用。利用阿波羅登月留下的反射鏡，紅寶石激光器還曾成功地用于地球到月球的距離測(cè)量。 14（2）氣體激光器工作物質(zhì)是氣體。種類(lèi)：各種原子、離子、金屬蒸汽、氣體分子激光器。常用的有氦氖激光器、氬離子激光器、氪離子激光器，以及二氧化碳激光器、準(zhǔn)分子激光器等，其形狀像普通的放電管一樣，能連續(xù)工作，單色性好。它們的波長(zhǎng)覆蓋了從紫外到遠(yuǎn)紅外的頻譜區(qū)域。 15（3）半導(dǎo)體激光器與

9、前兩種相比出現(xiàn)較晚，其成熟產(chǎn)品是砷化鎵激光器。特點(diǎn)：效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適宜在飛機(jī)、軍艦、坦克上應(yīng)用以及步兵隨身攜帶，如在飛機(jī)上作測(cè)距儀來(lái)瞄準(zhǔn)敵機(jī)。其缺點(diǎn)是輸出功率較小。目前半導(dǎo)體激光器可選擇的波長(zhǎng)主要局限在紅光和紅外區(qū)域。 （4）液體激光器種類(lèi)：螯合物激光器、無(wú)機(jī)液體激光器和有機(jī)染料激光器，其中較為重要的是有機(jī)染料激光器。它的最大特點(diǎn)是發(fā)出的激光波長(zhǎng)可在一段范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，而且效率也不會(huì)降低，因而它能起著其他激光器不能起的作用。 16 光電傳感器是將被測(cè)量的變化通過(guò)光信號(hào)變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，具有這種功能的材料稱(chēng)為光敏材料，做成的器件稱(chēng)光敏器件。在計(jì)算機(jī)、自動(dòng)檢測(cè)、控制系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛

10、。 光敏器件種類(lèi)很多， 如： 光電管、 光敏二極管、 光電倍增管、 光敏三極管、 光敏電阻、 光電池、 光電耦合器、 光纖等等。 光信號(hào)光電傳感器電信號(hào)17指紋鎖指紋門(mén)禁光 電 鼠 標(biāo)18料位自動(dòng)控制電動(dòng)扶梯自動(dòng)啟停 光電開(kāi)關(guān)19 第一節(jié) 光電效應(yīng)光電效應(yīng)可分為： 外光電效應(yīng) 內(nèi)光電效應(yīng) 光電導(dǎo)效應(yīng) 光生伏特效應(yīng) 定義：對(duì)不同頻率的光，其光子能量是不相同的，光波頻率越高，光子能量越大。用光照射某一物體，可以看作是一連串光子轟擊在這個(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，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)

11、，這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)。20(1)外光電效應(yīng)在光線(xiàn)作用下，電子逸出物體表面向外發(fā)射稱(chēng)外光電效應(yīng)。 每個(gè)光子具有的能量是： 普朗克常數(shù)( ) 光的頻率（Hz），波長(zhǎng)短，頻率高，能量大 J.S 21由能量守恒定律有：愛(ài)因斯坦光 電效應(yīng)方程A 電子的逸出功； 一個(gè)電子逸出的動(dòng)能（能量）；光照射物體時(shí)，物體中電子吸收入射光子的能量E ，當(dāng)物體吸入的能量超出逸出功A時(shí)電子就會(huì)逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射。超出的能量就表現(xiàn)在電子逸出的動(dòng)能上。 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。 22不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個(gè)物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閾值，稱(chēng)為紅限頻率或波長(zhǎng)限。光線(xiàn)

12、頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)再大也不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線(xiàn)微弱，也會(huì)有光電子射出。基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。即光強(qiáng)愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。23 紫外管外形 當(dāng)入射紫外線(xiàn)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(xiàn)測(cè)量、火焰監(jiān)測(cè)等。 紫外線(xiàn)24(2)內(nèi)光電效應(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(chēng)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，由于在

13、入射光作用下電子吸收光子能量，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 穴濃度增大引起電阻率減小。 為使電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶， 入射光子的能量E0應(yīng)大于禁帶 寬度的能量Eg。 基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件 有光敏電阻。導(dǎo)帶價(jià)帶電 子 吸 收 光 子 能 量禁帶光 E0自由狀態(tài)EgE0電 子25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PN結(jié)上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。為什么PN結(jié)會(huì)因光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)呢？ 下面分兩種情況討論： 不加偏壓時(shí)的PN結(jié) 處于反偏時(shí)的PN結(jié)PN電子空穴- - -+ + +-+光源26 不加偏壓時(shí)的PN結(jié)(勢(shì)壘效應(yīng)/結(jié)光電效應(yīng)）

14、 當(dāng)光照射在PN結(jié)時(shí)，如果電子能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度（E0 Eg）,可激發(fā)出電子空穴對(duì)在PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下空穴移向P區(qū)，而電子移向N區(qū)使P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生電壓，這個(gè)電壓就是光生電動(dòng)勢(shì). 基于這種效應(yīng)的器件有光電池PN電子空穴- - -+ + +-+光源27 處于反偏時(shí)的PN結(jié)： 無(wú)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)生光生電子空穴對(duì)， 在PN結(jié)電場(chǎng)作用下，電子 N，空穴 P運(yùn)動(dòng)， 形成光電流；光電二極管一般反向連接。 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： 光敏二極管、光敏晶體管 從原理上講，不加偏壓的 光電二極管就是光電池。EPN電

15、子空穴- - -+ + +-+光源I28 第二節(jié) 光電器件（1）光電管 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、陽(yáng)極，光陰極涂有光敏材料，當(dāng)光線(xiàn)照射在光敏材料上時(shí)，如果光子的能量E大于電子的逸出功A（EA），會(huì)有電子逸出產(chǎn)生電子發(fā)射。電子被帶有正電的陽(yáng)極吸引，在光電管內(nèi)形 成電子流，電流在回路電阻 R上 產(chǎn)生正比于電流大小的壓降。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 29光電管主要用于：分光光度計(jì)、 光電比色計(jì)等分析儀器 和各種自動(dòng)裝置 。30（2）光電倍增管 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。如核儀器中閃爍探測(cè)器都使用的是光電倍增管做

16、光電轉(zhuǎn)換元件。 光電倍增管是利用二次電子釋放效應(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。31入射光陰極K第一倍增極第二倍增極第三倍增極第四倍增極陽(yáng)極A32 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A，很不容易探測(cè)。這時(shí)常用光電倍增管對(duì)電流進(jìn)行放大，下圖為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。1. 結(jié)構(gòu)和工作原理由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽(yáng)極三部分組成。光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成；次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的，次陰極多的可達(dá)30級(jí)；陽(yáng)極是最后用來(lái)收集電子入射光光電陰極第一倍增極陽(yáng)極第三倍增極的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的105106倍。即光

17、電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)幾萬(wàn)倍到幾百萬(wàn)倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬(wàn)倍到幾百萬(wàn)倍。因此在很微弱的光照時(shí)，它就能產(chǎn)生很大的光電流。33（1）倍增系數(shù)M 倍增系數(shù)M等于n個(gè)倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)的乘積。如果n個(gè)倍增電極的都相同，則M= 因此，陽(yáng)極電流 I 為 I = i i 光電陰極的光電流光電倍增管的電流放大倍數(shù)為 = I / i =M與所加電壓有關(guān)，M在105108之間，穩(wěn)定性為1左右，加速電壓穩(wěn)定性要在0.1以?xún)?nèi)。如果有波動(dòng)，倍增系數(shù)也要波動(dòng)，因此M具有一定的統(tǒng)計(jì)漲落。一般陽(yáng)極和陰極之間的電壓為10002500V，兩個(gè)相鄰的倍增電極的電位差為50100V。對(duì)所加電壓越穩(wěn)越好，這

18、樣可以減小統(tǒng)計(jì)漲落，從而減小測(cè)量誤差。 2. 主要參數(shù)34 103 104 105 106255075100125極間電壓/V 放大倍數(shù)光電倍增管的特性曲線(xiàn)35（2）光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度 一個(gè)光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的陰極靈敏度。而一個(gè)光子在陽(yáng)極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。 光電倍增管的最大靈敏度可達(dá)10A/lm(光通量流明)，極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會(huì)使陽(yáng)極電流不穩(wěn)。 另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強(qiáng)光照射，否則將會(huì)損壞。 36（3）暗電流和本底脈沖 一般在使用光電倍增管時(shí)，必須把管子放在暗室里

19、避光使用，使其只對(duì)入射光起作用；但是由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒(méi)有光信號(hào)輸入，加上電壓后陽(yáng)極仍有電流，這種電流稱(chēng)為暗電流，這是熱發(fā)射所致或場(chǎng)致發(fā)射造成的，這種暗電流通常可以用補(bǔ)償電路消除。 如果光電倍增管與閃爍體放在一處，在完全蔽光情況下，出現(xiàn)的電流稱(chēng)為本底電流，其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線(xiàn)對(duì)閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的，本底電流具有脈沖形式。 37光電倍增管的光照特性與直線(xiàn)最大偏離是3%10131010109107105103101在45mA處飽和10141010106102光通量/1m陽(yáng)極電流/ A（4）光電倍增管的光譜特性 光譜

20、特性反應(yīng)了光電倍增管的陽(yáng)極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間的函數(shù)關(guān)系。對(duì)于較好光譜特性的管子，在很寬的光通量范圍之內(nèi)，這個(gè)關(guān)系是線(xiàn)性的，即入射光通量小于10-4lm時(shí)，有較好的線(xiàn)性關(guān)系。光通量大，開(kāi)始出現(xiàn)非線(xiàn)性，如圖所示。38（3）光敏電阻 光敏電阻的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng) 結(jié)構(gòu)：在玻璃底板上涂一層對(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。AE電極半導(dǎo)體玻璃底板RLEIRG391. 光敏電阻的工作原理和結(jié)構(gòu) 當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，若光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，而且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光導(dǎo)材料價(jià)帶上的電子將激發(fā)到導(dǎo)帶上去，從而使導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴增加，致使

21、光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。為實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，即 h= = Eg(eV) 式中和入射光的頻率和波長(zhǎng)。 一種光電導(dǎo)體，存在一個(gè)照射光的波長(zhǎng)限C，只有波長(zhǎng)小于C的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子在能級(jí)間的躍遷，從而使光電導(dǎo)體電導(dǎo)率增加。40 光敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖所示。管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個(gè)歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體。光導(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，雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴(kuò)散到內(nèi)部去，但擴(kuò)散深度有A金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu)圖光導(dǎo)電材料絕緣襯低引線(xiàn)電極引線(xiàn)光電導(dǎo)體限，因此光電導(dǎo)體一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一

22、般采用硫狀圖案，結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。41光敏電阻 當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)， 阻值減小。421-光導(dǎo)層; 2-玻璃窗口; 3-金屬外殼; 4-電極;5-陶瓷基座; 6-黑色絕緣玻璃; 7-電阻引線(xiàn)。RG1234567(a)結(jié)構(gòu) (b)電極 (c)符號(hào)它是在一定的掩模下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的。這種硫狀電極，由于在間距很近的電極之間有可能采用大的靈敏面積，所以提高了光敏電阻的靈敏度。圖（c）是光敏電阻的代表符號(hào)。CdS光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號(hào)43光敏電阻光照特性 無(wú)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； 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

23、電阻主要參數(shù) 暗電阻 無(wú)光照時(shí)的電阻； 暗電流 無(wú)光照時(shí)的電流； 亮電阻、亮電流 受光照時(shí)的阻值、電流； 光電流 亮電流與暗電流之差稱(chēng)光電流 。 光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好。也就是說(shuō)，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越高。 實(shí)用的光敏電阻的暗電阻往往超過(guò)1M,甚至高達(dá)100M，而亮電阻則在幾k以下，暗電阻與亮電阻之比在102106之間，可見(jiàn)光敏電阻的靈敏度很高。 44光敏電阻演示 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。暗電流（越小越好）45 伏安特性 給定偏壓 光照越大光電流越大； 給定光照度 電壓越大光電流越大； 光敏電阻的伏安特性 曲

24、線(xiàn)不彎曲、無(wú)飽和， 但受最大功耗限制。 光照度 Lx = lm （流明）/s 單位面積的光通量 46光照特性下圖表示CdS光敏電阻的光照特性。在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系。不同類(lèi)型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線(xiàn)均呈非線(xiàn)性。因此它不宜作定量檢測(cè)元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作光電開(kāi)關(guān)。012345I/mA L/lx1000200047溫度特性 溫度變化影響光敏電阻的靈敏度、暗電流和光譜響應(yīng)。其性能(靈敏度、暗電阻)受溫度的影響較大。隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，光譜特性曲線(xiàn)的峰值向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。如圖所示。有時(shí)為了提高靈敏度，或?yàn)榱四?/p>

25、夠接收較長(zhǎng)波段的輻射，將元件降溫使用。例如，可利用制冷器使光敏電阻的溫度降低。光敏電阻溫度特性48(4) 光敏二極管和光敏三極管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、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、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)計(jì)數(shù)等領(lǐng)域和裝置。 電梯平層用光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)器件49 光敏二極管 光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，它們都有一個(gè)PN結(jié)，并且都是單向?qū)щ姷姆蔷€(xiàn)性元件。為了提高轉(zhuǎn)換效率大面積受光，PN結(jié)面積比一般二極管大。注：發(fā)光二極管與光敏二極管不同，發(fā)光二極管利用固體材料發(fā)光（電致發(fā)光），材料不同發(fā)光顏色不同，是一種將電能 光能的器

26、件，加正向電壓時(shí)，在N-P的電子、空穴結(jié)合過(guò)程中發(fā)射一定頻率的光信號(hào)。工作時(shí)加正向電壓。PN光RL 光PN50工作原理： 光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)， 無(wú)光照時(shí)，反向電阻很大， 反向電流很小； 有光照時(shí)，PN結(jié)處產(chǎn)生光生 電子空穴對(duì)； 在電場(chǎng)作用下形成光電流， 光照越強(qiáng)光電流越大； 光電流方向與反向電流一致。 REDg51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。 52 光敏二極管的反向偏置接線(xiàn)及光電特性 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

27、照度成正比關(guān)系。 光敏二極管的反向偏置接法UO+光照53 基本特性： 光照特性 圖是硅光敏二極管在小負(fù)載電阻下的光照特性。光電流與照度成線(xiàn)性關(guān)系。 54 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)光生電流與所加偏壓幾乎無(wú)關(guān)，只取決于光照強(qiáng)度。 溫度特性， 由于反向飽和電流與溫度密切有關(guān)，因此光敏二極管的暗電流對(duì)溫度變化很敏感。 55 光敏三極管 與普通晶體管不同的是，光敏晶體管是將基極集電極結(jié)作為光敏二極管，集電結(jié)做受光結(jié)，另外集電極的尺寸做的很大，以擴(kuò)大光照面積。 大多數(shù)光敏晶體管的基極無(wú)引線(xiàn)，無(wú)論NPN、PNP一般集電結(jié)加反偏。玻璃封裝上

28、有個(gè)小孔，讓光照射到基區(qū)。NNPcbe56ICIBeEBECIERCRbcbNNP普通三極管ICeECIERCcNNPb光敏三極管基區(qū)很薄，基極一般不接引線(xiàn)；集電極面積較大。57硅（Si）光敏晶體極管一般都是NPN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)基極流向集電極，形成三極管輸出電流，使晶體管具有電流增益。 58 光敏三極管有兩個(gè)PN結(jié)。與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基極沒(méi)有引出線(xiàn)，只有正負(fù)（c、e）兩個(gè)引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀(guān)上很

29、難區(qū)別。 59(5)光電池（有源器件） 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(xiàn)作用時(shí)就是電源，太陽(yáng)能電池，所以廣泛用于宇航電源，另一類(lèi)用于檢測(cè)和自動(dòng)控制等。 光電池種類(lèi)很多，有硒光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵、氧化銅等等。硒、硅光電池轉(zhuǎn)換效率高、價(jià)廉；砷化鎵材料的光譜響應(yīng)與太陽(yáng)光譜吻合、耐高溫和宇宙射線(xiàn)。光 電 池 符 號(hào)60光電池外形光敏面61 結(jié)構(gòu)：光電池實(shí)質(zhì)是一個(gè)大面積PN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。 原理：當(dāng)光照射PN結(jié)的一個(gè)面時(shí)，電子空穴對(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)。一般可產(chǎn)生0.

30、2V0.6V電壓50mA電流。 光電池結(jié)構(gòu) 光電池工作原理圖 62 光照特性 開(kāi)路電壓光生電動(dòng)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(xiàn)性關(guān)系，開(kāi)路電壓在照度2000lx趨于飽和，非線(xiàn)性。 短路電流光電流與照度之間關(guān)系稱(chēng)短路電流曲線(xiàn)，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。 實(shí)驗(yàn)證明，RL小線(xiàn)性范圍好，具體根據(jù)光照大小而定，通常RL100 作控制元件時(shí)當(dāng)電流源使用。光電池光照特性 63 光照特性 實(shí)驗(yàn)證明，RL小線(xiàn)性范圍好，具體根據(jù)光照大小而定，通常RL100 作控制元件時(shí)當(dāng)電流源使用。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx50 10010005000RL=064光電池電路連接 光電池作為電源使用時(shí)的不同連接。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)