光敏傳感器精品課件

1、光敏傳感器第1頁，共15頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)6分，星期一單元12 光敏電阻【電路圖】【電路分析】 圖示為光敏電阻接線電路。把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射可改變電路中電流的大小。光敏電阻在受到光的照射時(shí)，其導(dǎo)電性能增強(qiáng)，電阻Rg值下降，流過光敏負(fù)載電阻RL的電流及其兩端電壓也隨之變化。 光敏電阻工作基于內(nèi)光電效應(yīng)：當(dāng)無光照時(shí)，光敏電阻具有很高的阻值；當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照射時(shí)，光子的能量大于材料的禁帶寬度，價(jià)帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶，激發(fā)出可以導(dǎo)電的電子空穴對，使電阻降低；光線越強(qiáng)，激發(fā)出的電子空穴對越多，電阻值越低；光照停止后，自由電子與

2、空穴復(fù)合，導(dǎo)電性能下降，電阻恢復(fù)原值。第2頁，共15頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)6分，星期一 下圖為光敏電阻結(jié)構(gòu)，在玻璃底板上均勻地涂上薄薄的一層半導(dǎo)體物質(zhì)，半導(dǎo)體的兩端裝上金屬電極，使電極與半導(dǎo)體層可靠地電接觸，然后，將它們壓入塑料封裝體內(nèi)。為了防止周圍介質(zhì)的污染，在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋一層漆膜，漆膜成分的選擇應(yīng)該使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。光敏電阻一般為半導(dǎo)體材料。第3頁，共15頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)6分，星期一【知識要點(diǎn)】1.光電式傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的光敏器件，它可用于檢測直接引起光強(qiáng)變化的非電量，如光強(qiáng)、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成

3、光量變化的其他非電量，如零件線度、表面粗糙度、位移、速度、加速度等。光電式傳感器具有響應(yīng)快、性能可靠、能實(shí)現(xiàn)非接觸測量等優(yōu)點(diǎn)，因而在檢測和控制領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。2.光電效應(yīng) 光電式傳感器的作用原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。光電效應(yīng)有外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)三種情形。（1）外光電效應(yīng)：在光線照射下，電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也叫光電發(fā)射效應(yīng)。其中，向外發(fā)射的電子稱為光電子，能產(chǎn)生光電效應(yīng)的物質(zhì)稱為光電材料。外光電效應(yīng)光電元件有光電管、光電倍增管等。（2）內(nèi)光電效應(yīng) 在光線照射下，物體內(nèi)的電子不能逸出物體表面，物體的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。光敏電阻是典型的基于內(nèi)光電效

4、應(yīng)的光電元件。 （3）光生伏特效應(yīng) 在光線照射下，材料吸收光能后，物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)光電元件有光敏二極管、光敏三極管、光電池等?；氐降谝豁摰?頁，共15頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)6分，星期一單元13 光電管【電路圖】【電路分析】 圖示為光電管工作電路圖。當(dāng)光電管的陰極受到適當(dāng)波長的光線照射時(shí)，有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流。如果在外電路中串聯(lián)適當(dāng)阻值的電阻，則在光電管組成的回路中形成電流I，并在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生輸出電壓UOUT。在入射光的頻譜成分和光電管電壓不變的條件下，輸出電壓UOUT與入射光通量成正比

5、。第5頁，共15頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)6分，星期一光電管的結(jié)構(gòu)示意圖： 光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖 ：光電倍增管電路原理圖 ：第6頁，共15頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)6分，星期一【知識要點(diǎn)】1.基于外光電效應(yīng)工作原理制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件（如光電管、光電倍增管）。2.光電倍增管的主要參數(shù):（1）暗電流 光電倍增管接上工作電壓后，在沒有光照的情況下陽極仍會(huì)有一個(gè)很小的電流輸出，此電流即稱為暗電流光電倍增管在工作時(shí)，其陽極輸出電流由暗電流和信號電流兩部分組成。當(dāng)信號電流比較大時(shí)，暗電流的影響可以忽略，但是當(dāng)光信號非常弱，以至于陽極信號電流很小甚至和暗電流在同一數(shù)量

6、級時(shí)，暗電流將嚴(yán)重影響對光信號測量的準(zhǔn)確性。所以暗電流的存在決定了光電倍增管可測量光信號的最小值。一只好的光電倍增管，要求其暗電流小并且穩(wěn)定。（2）倍增系數(shù)M 倍增系數(shù)M等于各倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)i的連乘積：回到第一頁第7頁，共15頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)6分，星期一單元14 光生伏特元件【電路圖】【電路分析】 圖示為光敏二極管原理圖。光敏二極管和普通半導(dǎo)體二極管一樣，它的PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，因此光敏二極管工作時(shí)應(yīng)加上反向電壓。 無光照時(shí)，處于反偏的光電二極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，越過阻擋層形成微小的反向電流（暗電流）。反向電流（暗電流）小的原因

7、是PN結(jié)中P區(qū)的電子和N區(qū)中的空穴很少。當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子空穴對，使得P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度增加，在外加反偏電壓和內(nèi)電場的作用下，P區(qū)的少數(shù)載流子越過阻擋層進(jìn)入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子越過阻擋層進(jìn)入P區(qū)，從而使通過PN結(jié)反向電流增加，形成光電流。光電流流過負(fù)載電阻RL時(shí)，在電阻兩端將得到隨入射光變化的電壓信號，實(shí)現(xiàn)光電功能轉(zhuǎn)換。第8頁，共15頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)6分，星期一 下圖為光敏三極管原理圖，光敏三極管的集電極接正電壓，其發(fā)射極接負(fù)電壓。當(dāng)無光照射時(shí)，流過光敏三極管的電流，即正常情況下光敏三極管集電極與發(fā)射極之間的穿透電流Ice

8、o，也是光敏三極管的暗電流。光敏二極管結(jié)構(gòu)圖： 光敏三極管結(jié)構(gòu)圖： 第9頁，共15頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)6分，星期一【知識要點(diǎn)】1.暗電流 光敏二極管的暗電流是指光敏二極管無光照射時(shí)還有很小的反向電流。暗電流決定了低照度時(shí)的測量界限。光敏三極管的暗電流就是它在無光照射時(shí)的漏電流。2.短路電流 光敏二極管的短路電流是指PN 結(jié)兩端短路時(shí)的電流，其大小與光照度成比例。3.正向電阻和反向電阻 當(dāng)無光照射時(shí)，光敏二極管正向電阻和反向電阻均很大。當(dāng)有光照射時(shí)，光敏二極管有較小的正向電阻和較大的反向電阻。4.基本特性（1）光照特性： 第10頁，共15頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)6分，星期一（

9、2）光譜特性 （3）伏安特性第11頁，共15頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)6分，星期一（4）溫度特性 第12頁，共15頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)6分，星期一【電路圖】【電路分析】 圖示為光電池原理圖。入射光照射在PN結(jié)上時(shí)，若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則在PN結(jié)內(nèi)產(chǎn)生“電子空穴”對，在內(nèi)電場的作用下，空穴移向P區(qū)，電子移向N區(qū)，使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，因而PN結(jié)產(chǎn)生電勢。當(dāng)光照射到PN結(jié)上時(shí)，如果在兩級間串接負(fù)載電阻，則在電路中便產(chǎn)生電流。 圖5.26所示為光電池結(jié)構(gòu)。光電池是在光線照射下，直接將光量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)勢的光電元件，實(shí)質(zhì)上它就是電壓源。這種光電器件是基于阻擋層的光電效

10、應(yīng)。硅光電池是在一塊N型硅片上，用擴(kuò)散的方法摻入一些P型雜質(zhì)(例如硼)形成PN結(jié)。第13頁，共15頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)6分，星期一 下圖所示為光電池結(jié)構(gòu)。光電池是在光線照射下，直接將光量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)勢的光電元件，實(shí)質(zhì)上它就是電壓源。這種光電器件是基于阻擋層的光電效應(yīng)。硅光電池是在一塊N型硅片上，用擴(kuò)散的方法摻入一些P型雜質(zhì)(例如硼)形成PN結(jié)?！局R要點(diǎn)】光電池的基本特性：1.光電池的光譜特性 第14頁，共15頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)6分，星期一2.光電池的光照特性 3.光電池的頻率特性 光電池的頻率特性是指光的調(diào)制頻率和輸出電流之間的關(guān)系。硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，而硒光電池較差。4.光電池的溫度特性 光電池的溫度特性是指光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化