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第十章光電傳感器

本章學(xué)習(xí)光電效應(yīng)、光電元件的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性以及光電傳感器的各種應(yīng)用，掌握光電開關(guān)及光電斷續(xù)器的使用方法。12/1/202211905年德國物理學(xué)家愛因斯坦用光量子學(xué)說解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎。

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第一節(jié)光電效應(yīng)及光電元件

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而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。

外光電效應(yīng)：在光線的作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電元件有紫外光電管、光電倍增管、光電攝像管等。

12/1/20223紫外管外形當(dāng)入射紫外線照射在紫外管陰極板上時，電子克服金屬表面對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量、火焰監(jiān)測等。

紫外線12/1/20224光敏電阻

當(dāng)光敏電阻受到光照時，阻值減小。12/1/20225光敏電阻演示

當(dāng)光敏電阻受到光照時，光生電子—空穴對增加，阻值減小，電流增大。暗電流（越小越好）12/1/20226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，電子-空穴對數(shù)量增加，光電流與照度成正比。12/1/20227光敏二極管外形

光敏二極管陣列包含1024個InGaAs元件的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡。12/1/20228紅外發(fā)射、接收對管外形

紅外發(fā)射管紅外接收管12/1/20229PIN光電二極管

PIN光電二極管是在P區(qū)和N區(qū)之間插入一層電阻率很大的I層，從而減小了PN結(jié)的電容，提高了工作頻率。PIN光敏二極管的工作電壓（反向偏置電壓）高，光電轉(zhuǎn)換效率高，暗電流小，其靈敏度比普通的光敏二極管高得多，響應(yīng)頻率可達(dá)數(shù)十兆赫，可用作各種數(shù)字與模擬光纖傳輸系統(tǒng)，各種家電遙控器的接收管（紅外波段）、UHF頻帶小信號開關(guān)、中波頻帶到1000MHZ之間電流控制、可變衰減器、各種通信設(shè)備收發(fā)天線的高頻功率開關(guān)切換和RF領(lǐng)域的高速開關(guān)等。特殊結(jié)構(gòu)的PIN二極管還可用于測量紫外線或射線等。12/1/202210APD光敏二極管（雪崩光敏二極管）硅雪崩光電二極管是采用n+p-πp+型結(jié)構(gòu)的可見光和近紅外探測器，它具有高響應(yīng)度，高信噪比，高響應(yīng)速度等特點，可廣泛應(yīng)用于微光信號檢測、長距離光纖通信、激光測距、激光制導(dǎo)等光電信息傳輸和光電對抗系統(tǒng)。12/1/202211GD3250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V100~150100~150150~250暗電流nA≤15≤25≤35響應(yīng)度V/w606060上升時間ns≤1≤3≤4噪聲等效功率Pw/Hz1/20.050.070.09結(jié)電容pF≤1≤1.5≤2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12/1/202212光敏二極管的反向偏置接法

在沒有光照時，由于二極管反向偏置，所以反向電流很小，這時的電流稱為暗電流，相當(dāng)于普通二極管的反向飽和漏電流。當(dāng)光照射在二極管的PN結(jié)（又稱耗盡層）上時，在PN結(jié)附近產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)量也隨之增加，光電流也相應(yīng)增大，光電流與照度成正比。

12/1/202213紫外管多用于紫外線測量、火焰監(jiān)測等。a)

內(nèi)部組成b)管芯結(jié)構(gòu)c）結(jié)構(gòu)簡化圖到1000MHZ之間電流控制、可變衰減器、各種通信設(shè)備收發(fā)天線的高頻功率開關(guān)切換和RF領(lǐng)域的高速開關(guān)等。請計算當(dāng)E=100lx時，光敏二極管的光電流IΦ當(dāng)光敏電阻受到光照時，阻值減小。光敏晶閘管有三個引出電極，即陽極a、陰極k和門極g。柔光罩下面為圓形光電池當(dāng)入射紫外線照射在紫外管陰極板上時，電子克服金屬表面對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量、火焰監(jiān)測等。導(dǎo)通后，即使光照消失，光敏晶閘管仍維持導(dǎo)通。能提供較大電流的大面積光電池外形在沒有光照時，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。在沒有光照時，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。太陽能硅光電池板當(dāng)光敏電阻受到光照時，光生電子—空穴對增加，阻值減小，電流增大。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時間，PN結(jié)兩側(cè)就有一個穩(wěn)定的光生電動勢輸出。光敏二極管的反向偏置接線（參考上頁圖）及光電特性演示

在沒有光照時，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，光電流IΦ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12/1/202214光敏三極管

光敏三極管有兩個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有引出線，只有正負(fù)（c、e）兩個引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。

12/1/202215光敏三極管外形

12/1/202216光敏三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)

a)

內(nèi)部組成b)管芯結(jié)構(gòu)c）結(jié)構(gòu)簡化圖1—集電極引腳2—管芯3—外殼4—玻璃聚光鏡5—發(fā)射極引腳6—N+襯底7—N型集電區(qū)8—SiO2保護(hù)圈9—集電結(jié)10—P型基區(qū)11—N型發(fā)射區(qū)12—發(fā)射結(jié)

12/1/202217硅光敏晶體管的光譜特性

電磁波頻譜12/1/202218光電特性

0光照光電流光敏三極管光敏二極管3000lx4mA請判斷靈敏度的高低0.3mA請計算當(dāng)E=100lx時，光敏二極管的光電流IΦ

IΦE12/1/202219光敏晶閘管光敏晶閘管有三個引出電極，即陽極a、陰極k和門極g。它的頂部有一個玻璃透鏡，光敏晶閘管的陽極與負(fù)載串聯(lián)后接電源正極，陰極接電源負(fù)極，門極可懸空。當(dāng)有一定照度的光信號通過玻璃窗口照射到正向阻斷的PN結(jié)上時，將產(chǎn)生門極電流，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。要切斷已觸發(fā)導(dǎo)通的光敏晶閘管，必須使陽極與陰極的電壓反向，或使負(fù)載電流小于其維持電流。光敏晶閘管的特點是：導(dǎo)通電流比光敏三極管大得多，工作電壓有的可達(dá)數(shù)百伏，因此輸出功率大，可用于工業(yè)自動檢測控制。12/1/202220光敏晶閘管外形光敏面12/1/202221基于光生伏特效應(yīng)的光電元件

——光電池在N型襯底上制造一薄層P型層作為光照敏感面，就構(gòu)成最簡單的光電池。當(dāng)入射光子的能量足夠大時，P型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對光生電子—空穴對，光生電子—空穴對的的擴(kuò)散運(yùn)動使電子通過漂移運(yùn)動被拉到N型區(qū)，空穴留在P區(qū)，所以N區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時間，PN結(jié)兩側(cè)就有一個穩(wěn)定的光生電動勢輸出。

12/1/202222光電池外形光敏面12/1/202223能提供較大電流的大面積光電池外形12/1/202224其他光電池及在照度測量中的應(yīng)用柔光罩下面為圓形光電池12/1/202225光電池在動力方面的應(yīng)用太陽能賽車太陽能電動機(jī)模型太陽能硅光電池板12/1/202226光電池在動力方面的應(yīng)用（續(xù)）太陽能發(fā)電12/1/202227光電池在動力方面的應(yīng)用（續(xù)）光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用12/1/202228光電池在動力方面的應(yīng)用（續(xù)）在N型襯底上制造一薄層P型層作為光照敏感面，就構(gòu)成最簡單的光電池。GD3250系列硅雪崩光電二極管的特性參數(shù)能提供較大電流的大面積光電池外形當(dāng)光敏電阻受到光照時，阻值減小。能提供較大電流的大面積光電池外形1—集電極引腳2—管芯3—外殼4—玻璃聚光鏡基于光生伏特效應(yīng)的光電元件

——光電池如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時間，PN結(jié)兩側(cè)就有一個穩(wěn)定的光生電動勢輸出。PIN光敏二極管的工作電壓（反向偏置電壓）高，光電轉(zhuǎn)換效率高，暗電流小，其靈敏度比普通的光敏二極管高得多，響應(yīng)頻率可達(dá)數(shù)十兆赫，可用作各種數(shù)字與模擬光纖傳輸系統(tǒng)，各種家電遙控器的接收管（紅外波段）、UHF頻帶小信號開關(guān)、中波頻帶在沒有光照時，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。當(dāng)入射光子的能量足夠大時，P型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對光生電子—空穴對，光生電子—空穴對的的擴(kuò)散運(yùn)動使電子通過漂移運(yùn)動被拉