傳感器第七章1光電式傳感器

第一節(jié)概述一、光的特性二、光源（發(fā)光器件）

1、白熾光源2、氣體放電光源3、發(fā)光二極管4、激光器現(xiàn)在是1頁\一共有119頁\編輯于星期日1000,000nm10nm780nm380nm可見光紅外光線紫外線可見光：波長380—780nm紫外線：波長10—380nm

波長300—380nm稱為近紫外線

波長200—300nm稱為遠(yuǎn)紫外線

波長10—200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線紅外線：波長780—106nm

波長3μm（即3000nm）以下的稱近紅外線

波長超過3μm的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線光波：波長為10—106nm的電磁波一、光的特性現(xiàn)在是2頁\一共有119頁\編輯于星期日二、光源（發(fā)光器件）1、白熾光源最為普通的是用鎢絲通電加熱作為光輻射源。一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的。發(fā)光范圍：320nm~2500nm,所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號(hào)。特點(diǎn)：壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動(dòng)態(tài)特性差，但對接收光敏元件的光譜特性要求不高，是可取之處?，F(xiàn)在是3頁\一共有119頁\編輯于星期日2、氣體放電光源利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈即氣體放電燈。光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類及放電條件有關(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。汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈?，F(xiàn)在是4頁\一共有119頁\編輯于星期日低壓汞燈的輻射波長為254nm，鈉燈的輻射波長為589nm，可被用作單色光源。光譜燈涂以熒光劑，由于光線與涂層材料的作用，熒光劑可以將氣體放電譜線轉(zhuǎn)化為更長的波長，通過對熒光劑的選擇可以使氣體放電發(fā)出某一范圍的波長，如照明日光燈。氣體放電燈消耗的能量為白熾燈1/2-1/3?，F(xiàn)在是5頁\一共有119頁\編輯于星期日構(gòu)成：由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)成。特點(diǎn)：工作電壓低、工作電流很??；抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長；通過調(diào)制通過的電流強(qiáng)弱可以方便地調(diào)制發(fā)光的強(qiáng)弱。

3、發(fā)光二極管（LED—LightEmittingDiode）+-現(xiàn)在是6頁\一共有119頁\編輯于星期日與此相似的可供制作發(fā)光二極管的材料見下表：材料波長/nm材料波長/nmZnS340CuSe-ZnSe400～630SiC480ZnxCd1-xTe590～830GaP565,680GaAs1-xPx550～900GaAs900InPxAs1-x910～3150InP920InxGa1-xAs850～1350LED材料現(xiàn)在是7頁\一共有119頁\編輯于星期日4、激光器激光（Laser:Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）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、高亮度和高的相干性四個(gè)重要特性。激光波長一般從0.15μm到遠(yuǎn)紅外整個(gè)光頻波段范圍。X-射線激光器。現(xiàn)在是8頁\一共有119頁\編輯于星期日激光器種類繁多，按工作物質(zhì)分類：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）液體激光器（染料激光器）。半導(dǎo)體激光器（如砷化鎵激光器）現(xiàn)在是9頁\一共有119頁\編輯于星期日第二節(jié)光電效應(yīng)與光電器件一、外光電效應(yīng)二、內(nèi)光電效應(yīng)三、基本概念四、外光電效應(yīng)器件五、內(nèi)光電效應(yīng)器件六、應(yīng)用舉例現(xiàn)在是10頁\一共有119頁\編輯于星期日被測量光信號(hào)的變化UIf光電傳感器測量電路定義：利用光電器件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（電壓、電流、電阻等）的裝置。構(gòu)成：光源、光學(xué)通路、光電元件。應(yīng)用：光量變化的非電量；能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量。特點(diǎn)：非接觸；響應(yīng)快；性能可靠?，F(xiàn)在是11頁\一共有119頁\編輯于星期日一、外光電效應(yīng)

定義：在光照射下,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),亦稱光電發(fā)射效應(yīng)。1887年，首先是赫茲（M.Hertz）在證明波動(dòng)理論實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)的；1902年，勒納（Lenard)也對其進(jìn)行了研究，指出光電效應(yīng)是金屬中的電子吸收了入射光的能量從表面逸出的現(xiàn)象。但無法根據(jù)當(dāng)時(shí)的理論加以解釋；

1905年，愛因斯坦提出了光子假設(shè)?，F(xiàn)在是12頁\一共有119頁\編輯于星期日愛因斯坦光子假設(shè)：光在空間傳播時(shí)，是不連續(xù)的，也具有粒子性，即一束光是一束以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流，愛因斯坦把這些不連續(xù)的量子稱為“光量子”。1926年，美國物理學(xué)家劉易斯把這一名詞改稱為“光子”，沿用至今?，F(xiàn)在是13頁\一共有119頁\編輯于星期日每個(gè)光子的能量：

h—普朗克常數(shù)，6.626×10-34J·s；ν—光的頻率（s-1）可以看出光的波長越短，頻率越高，光子能量也越大?，F(xiàn)在是14頁\一共有119頁\編輯于星期日現(xiàn)在是15頁\一共有119頁\編輯于星期日m—電子質(zhì)量；v0—電子逸出速度。愛因斯坦光電方程：入射光成分不變，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。光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。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)對應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。光線頻率低于紅限頻率，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，即使光線微弱，也會(huì)有光電子射出。光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能mv02/2?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件：光電管、光電倍增管現(xiàn)在是16頁\一共有119頁\編輯于星期日第二節(jié)光電效應(yīng)與光電器件一、外光電效應(yīng)二、內(nèi)光電效應(yīng)三、基本概念四、外光電效應(yīng)器件五、內(nèi)光電效應(yīng)器件六、應(yīng)用舉例1、光電導(dǎo)效應(yīng)2、光生伏特效應(yīng)現(xiàn)在是17頁\一共有119頁\編輯于星期日二、內(nèi)光電效應(yīng)

當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)。

1、光電導(dǎo)效應(yīng)

在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。（器件：光敏電阻）現(xiàn)在是18頁\一共有119頁\編輯于星期日自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價(jià)電子所占能帶導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶Eg為了實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，即當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，若這個(gè)光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光電材料價(jià)帶上的電子將被激發(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，使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。現(xiàn)在是19頁\一共有119頁\編輯于星期日現(xiàn)在是20頁\一共有119頁\編輯于星期日2、

光生伏特效應(yīng)

在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)（器件：光電池和光敏二極管、光敏三極管）。

①勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）光線照射PN結(jié)時(shí)，設(shè)光子能量大于禁帶寬度Eg，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在阻擋層內(nèi)電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動(dòng)勢，這就是結(jié)光電效應(yīng)。+++---+-PN現(xiàn)在是21頁\一共有119頁\編輯于星期日②側(cè)向光電效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí)，光照部分產(chǎn)生電子空穴對，載流子濃度比未受光照部分的大，出現(xiàn)了載流子濃度梯度，引起載流子擴(kuò)散，如果電子比空穴擴(kuò)散得快，導(dǎo)致光照部分帶正電，未照部分帶負(fù)電，從而產(chǎn)生電動(dòng)勢，即為側(cè)向光電效應(yīng)。光電器件如半導(dǎo)體光電位置敏感器件（PSD）?，F(xiàn)在是22頁\一共有119頁\編輯于星期日第二節(jié)光電效應(yīng)與光電器件一、外光電效應(yīng)二、內(nèi)光電效應(yīng)三、基本概念四、外光電效應(yīng)器件五、內(nèi)光電效應(yīng)器件六、應(yīng)用舉例1、暗電流2、響應(yīng)度3、光譜4、等效噪聲功率NEP現(xiàn)在是23頁\一共有119頁\編輯于星期日三、基本概念1、暗電流光傳感器接入電路后即使沒有光照射，由于熱電子發(fā)射、場致發(fā)射和晶格振蕩激發(fā)載流子，使電路有電流輸出，此電流稱為暗電流，也稱隨機(jī)電流。2、響應(yīng)度光傳感器輸出的電壓或電流與光通量之比?，F(xiàn)在是24頁\一共有119頁\編輯于星期日3、光譜光傳感器輸出與輸入光波長的關(guān)系曲線。4、等效噪聲功率NEP即能夠產(chǎn)生與傳感器輸出噪聲電壓或電流相等的入射光功率的大小。反映最小可探測的光的功率。現(xiàn)在是25頁\一共有119頁\編輯于星期日第二節(jié)光電效應(yīng)與光電器件一、外光電效應(yīng)二、內(nèi)光電效應(yīng)三、基本概念四、外光電效應(yīng)器件五、內(nèi)光電效應(yīng)器件六、應(yīng)用舉例（一）、光電管及其基本特性1、結(jié)構(gòu)與工作原理2、主要性能（二）、光電倍增管及其基本特性1、結(jié)構(gòu)和工作原理2、主要參數(shù)現(xiàn)在是26頁\一共有119頁\編輯于星期日四、外光電效應(yīng)器件（一）、光電管及其基本特性1.結(jié)構(gòu)與工作原理當(dāng)光照射在陰極上時(shí)，中央陽極可以收集從陰極上溢出的電子，在外電場作用下形成電流I。光陽極光窗光電陰極現(xiàn)在是27頁\一共有119頁\編輯于星期日（1）內(nèi)充有少量的惰性氣體，如氬、氖；（2）當(dāng)充氣光電管的陰極被光照射后，光電子在飛向陽極的過程中，和氣體的原子發(fā)生碰撞使氣體電離；（3）增大了光電流，從而使靈敏度增加；（4）但導(dǎo)致充氣光電管的光電流與入射光強(qiáng)度不成比例，因而穩(wěn)定性較差。充氣光電管現(xiàn)在是28頁\一共有119頁\編輯于星期日現(xiàn)在是29頁\一共有119頁\編輯于星期日真空光電管充氣光電管150100502020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm4681012陰極電壓/VIA/μA2010050弱光強(qiáng)光1504681012陰極電壓/VIA/μA2、主要性能：伏安特性、光照特性、光譜特性（1）光電管的伏安特性在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性?，F(xiàn)在是30頁\一共有119頁\編輯于星期日（2）、光電管的光照特性指當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。225507510000.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.51光照特性曲線的斜率稱為光電管的靈敏度。1-銀氧銫陰極2-銻銫陰極現(xiàn)在是31頁\一共有119頁\編輯于星期日（3）、光電管光譜特性

保持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。

同一光電管對于不同頻率光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。所以，對各種不同波長區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極?，F(xiàn)在是32頁\一共有119頁\編輯于星期日對紅外光源，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外探測器。對紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。國產(chǎn)光電管的技術(shù)參數(shù)銻鉀鈉銫陰極光譜范圍較寬，為3000~8500?，靈敏度也較高，與人的視覺光譜特性很接近，是一種新型的光電陰極；也有些光電管的光譜特性和人的視覺光譜特性有很大差異，可以擔(dān)負(fù)人眼所不能勝任的工作，如坦克和裝甲車的夜視鏡等?，F(xiàn)在是33頁\一共有119頁\編輯于星期日光照很弱時(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器都使用的是光電倍增管做光電轉(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。（二）、光電倍增管及其基本特性現(xiàn)在是34頁\一共有119頁\編輯于星期日（二）、光電倍增管及其基本特性1.結(jié)構(gòu)和工作原理組成：光陰極(K)、次陰極(倍增電極)(Di)、陽極(A)

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)；陽極是最后用來收集電子的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的105～108倍。

使用時(shí)在各個(gè)倍增電極上均加上電壓，陰極電位最低，以后依次升高，陽極最高。相鄰兩個(gè)倍增電極之間有電位差，因此存在加速電場?，F(xiàn)在是35頁\一共有119頁\編輯于星期日入射光光電陰極第一倍增極陽極第三倍增極

由于相鄰兩個(gè)倍增電極之間有電位差，因此，存在加速電場，從陰極打擊出的光電子，在電場的加速下，打到第一個(gè)倍增電極上，引起二次電子發(fā)射，每個(gè)電子能從這倍增電極上打出3~6倍的次級(jí)電子，被打出的次級(jí)電子再經(jīng)電場加速，打在第三倍增電極上，電子數(shù)又增加3~6倍，如此不斷倍增下去，陽極作后收集到的電子數(shù)將達(dá)到105-108倍的光電子。

各個(gè)倍增極均加電壓，陰極電位最低，各個(gè)倍增極的電位依次升高，陽極電位最高，同時(shí)這些倍增電極在一定能量的電子轟擊下，能夠產(chǎn)生更多的次級(jí)電子?，F(xiàn)在是36頁\一共有119頁\編輯于星期日現(xiàn)在是37頁\一共有119頁\編輯于星期日2、主要參數(shù)（1）倍增系數(shù)M

如果n個(gè)倍增電極的δ都相同，則M=因此，陽極電流I為i—光電陰極的光電流光電倍增管的電流放大倍數(shù)β為

103104105106255075100125極間電壓/V放大倍數(shù)M與所加電壓有關(guān)，M在105~108之間，穩(wěn)定性為1％左右，加速電壓穩(wěn)定性要在0.1％以內(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。一般陽極和陰極之間的電壓為1000~2500V，兩個(gè)相鄰的倍增電極的電位差為50~100V。對所加電壓越穩(wěn)越好，這樣可以減小統(tǒng)計(jì)漲落，從而減小測量誤差。

現(xiàn)在是38頁\一共有119頁\編輯于星期日

（2）光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度

陰極靈敏度：一個(gè)光子在光電倍增管的陰極上能夠打出的平均電子數(shù)。

總靈敏度：一個(gè)光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)。

注意：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)使陽極電流不穩(wěn)。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。

最大靈敏度可達(dá)10A/lm不能受強(qiáng)光照射?，F(xiàn)在是39頁\一共有119頁\編輯于星期日

（3）暗電流和本底脈沖

暗電流：

由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒有光信號(hào)輸入，加上電壓后陽極仍有電流，這種電流稱為暗電流。

本底電流：

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)的電流稱為本底電流，其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線對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。

現(xiàn)在是40頁\一共有119頁\編輯于星期日光電倍增管的光照特性與直線最大偏離是3%10－1310－1010－910－710－510－310－1在45mA處飽和10－1410－1010－610－2光通量/1m陽極電流/A（4）光電倍增管的光譜特性現(xiàn)在是41頁\一共有119頁\編輯于星期日國產(chǎn)光電倍增管的技術(shù)參數(shù)現(xiàn)在是42頁\一共有119頁\編輯于星期日第二節(jié)光電效應(yīng)與光電器件一、外光電效應(yīng)二、內(nèi)光電效應(yīng)三、基本概念四、外光電效應(yīng)器件五、內(nèi)光電效應(yīng)器件六、應(yīng)用舉例（一）、光敏電阻1、光敏電阻的結(jié)構(gòu)2、光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性（二）、光電池1、光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理2、基本特性1、光敏二極管（三）、光敏二極管和光敏三極管2、高速光電二極管3、光敏三極管（四）光電耦合器件現(xiàn)在是43頁\一共有119頁\編輯于星期日五、內(nèi)光電效應(yīng)器件（一）、光敏電阻

光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。1、光敏電阻的結(jié)構(gòu)AE電極半導(dǎo)體玻璃底板RLEIRG在玻璃底板上均勻地涂上一層薄薄的半導(dǎo)體物質(zhì)，稱為光導(dǎo)層。半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極，金屬電極與引出線端相連接，光敏電阻就通過引出線端接入電路。為了防止周圍介質(zhì)的影響，在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了一層漆膜，漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。為了提高靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案。現(xiàn)在是44頁\一共有119頁\編輯于星期日光敏電阻連接到外電路：現(xiàn)在是45頁\一共有119頁\編輯于星期日現(xiàn)在是46頁\一共有119頁\編輯于星期日2.光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性

（1）暗電流、亮電流、光電流暗電流：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照射）后經(jīng)過一定時(shí)間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時(shí)在給定電壓下流過的電流為暗電流。亮電流：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻。此時(shí)流過的電流為亮電流。光電流：亮電流與暗電流之差。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，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越高?，F(xiàn)在是47頁\一共有119頁\編輯于星期日（2）光照特性用于描述光電流與光照強(qiáng)度之間的關(guān)系。0.050.100.150.200.2500.20.40.60.81.0光通量/lm光電流/mA多數(shù)是非線性的；不宜做線性測量元件;多做開關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器。現(xiàn)在是48頁\一共有119頁\編輯于星期日（3）光譜特性

0500100015002000250020406080100硫化鎘硫化鉈硫化鉛入射光波長/nm相對靈敏度/%

硫化鎘的峰值在可見光區(qū)域，

硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域。選用時(shí)把元件和光源結(jié)合起來考慮。光敏電阻對入射光的光譜具有選擇作用，即光敏電阻對不同波長的入射光有不同的靈敏度。光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關(guān)系稱為光敏電阻的光譜特性，亦稱為光譜響應(yīng)。對應(yīng)于不同波長，光敏電阻的靈敏度是不同的，而且不同材料的光敏電阻光譜響應(yīng)曲線也不同?，F(xiàn)在是49頁\一共有119頁\編輯于星期日（4）伏安特性

在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與光電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。0102030405050100150200250I/μAU/V

在一定的光照度下，所加的電壓越高，光電流越大，而且沒有飽和的現(xiàn)象。

在給定的電壓下，光電流的數(shù)值將隨光照增強(qiáng)而增大。但是電壓不能無限地增大，因?yàn)槿魏喂饷綦娮瓒际茴~定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導(dǎo)致光敏電阻永久性損壞?，F(xiàn)在是50頁\一共有119頁\編輯于星期日（5）頻率特性

實(shí)驗(yàn)證明，光敏電阻的光電流不能隨著光強(qiáng)改變而立刻變化，即光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的惰性，這種惰性通常用時(shí)間常數(shù)表示。不同材料的光敏電阻具有不同的時(shí)間常數(shù)（毫秒數(shù)量級(jí)），因而它們的頻率特性也就各不相同。時(shí)間常數(shù)：光敏電阻自停止光照起到電流下降為原來的63%所需要的時(shí)間。入射光調(diào)制頻率/Hz相對靈敏度/%

01010210310420406080100硫化鎘硫化鉛多數(shù)光敏電阻的時(shí)間常數(shù)都很大。所以，它不能用在要求快速響應(yīng)的場合?，F(xiàn)在是51頁\一共有119頁\編輯于星期日（6）溫度特性I/μA100150200-50-10305010-30T/oC1002040608001.02.03.04.05.0λ/μmI/mA+20oC-20oC

隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，光譜特性曲線的峰值向波長短的方向移動(dòng)。

提高靈敏度(接收較長波段的輻射):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?，F(xiàn)在是52頁\一共有119頁\編輯于星期日初制成的光敏電阻，性能不穩(wěn)定。但在人工加溫、光照及加負(fù)載情況下，性能可達(dá)穩(wěn)定。光敏電阻在最初的老化過程中，阻值會(huì)有變化，但最后達(dá)到穩(wěn)定值后就不再變化。這是光敏電阻的主要優(yōu)點(diǎn)。光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下幾乎是無限長的。

（7）穩(wěn)定性現(xiàn)在是53頁\一共有119頁\編輯于星期日（二）、光電池

定義：利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的光電器件(太陽能電池)。

特點(diǎn)：有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢。故光電池是有源元件。分類：硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池、硫化鉈光電池、硫化鎘光電池等。目前，應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池和硒光電池。現(xiàn)在是54頁\一共有119頁\編輯于星期日通信衛(wèi)星上的光電池現(xiàn)在是55頁\一共有119頁\編輯于星期日

硅光電池的價(jià)格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外光。

硒光電池的光電轉(zhuǎn)換效率低、壽命短，適于接收可見光。

砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性與太陽光譜最吻合，且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等的電源方面應(yīng)用最廣?，F(xiàn)在是56頁\一共有119頁\編輯于星期日1、光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理下電極梳狀電極SiO2抗反射膜PN在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)（如硼）形成PN結(jié)。IU光電池的表示符號(hào)基本電路現(xiàn)在是57頁\一共有119頁\編輯于星期日現(xiàn)在是58頁\一共有119頁\編輯于星期日若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可測出光生電動(dòng)勢。RLI---mAV+++PN當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。現(xiàn)在是59頁\一共有119頁\編輯于星期日現(xiàn)在是60頁\一共有119頁\編輯于星期日（1）光照特性開路電壓曲線：光生電動(dòng)勢與照度之間的特性曲線，當(dāng)照度為2000lx時(shí)趨向飽和。短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線。2.基本特性開路電壓0.10.30.2照度/lx020004000光生電流/mA0.20.60.4光生電壓/V短路電流光電池作為測量元件時(shí)，應(yīng)把它作為電流源的形式來使用，不宜用作電壓源，且負(fù)載電阻越小越好?，F(xiàn)在是61頁\一共有119頁\編輯于星期日(2)光譜特性

硅光電池應(yīng)用的范圍400nm—1100nm，峰值波長在850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。

硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在540nm附近，適宜測可見光。常用于分析儀器、測量儀表，如用照度計(jì)測定光的強(qiáng)度。20406080100硒硅入射光波長λ/nm040060080010001200相對靈敏度/%現(xiàn)在是62頁\一共有119頁\編輯于星期日（3）溫度特性指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。開路電壓溫度/℃光生電流/mA1.82.22.0光生電壓/V短路電流100200300400500020406080100開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快。關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測量或控制精度等主要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池作為測量元件時(shí)，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。短路電流隨溫度升高而緩慢增加?，F(xiàn)在是63頁\一共有119頁\編輯于星期日(4)頻率特性硅光電池有很高的頻率響應(yīng)，可用于高速記數(shù)、有聲電影等方面。光電池的頻率特性是反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關(guān)系。20406080100硒光電池硅光電池015003000450060007500相對光電流/%入射光調(diào)制頻率/Hz現(xiàn)在是64頁\一共有119頁\編輯于星期日1.光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。PN光光敏二極管符號(hào)光敏二極管接線RL

光PN（三）、光敏二極管和光敏三極管光敏二極管的光照特性是線性的，適合檢測等方面的應(yīng)用。現(xiàn)在是65頁\一共有119頁\編輯于星期日現(xiàn)在是66頁\一共有119頁\編輯于星期日REIPN當(dāng)光照射時(shí)，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)光不照射時(shí)，光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)光不照射時(shí)，反向電阻很大，光敏二極管處于載止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流即暗電流；受光照射時(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，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下，P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入P區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流?，F(xiàn)在是67頁\一共有119頁\編輯于星期日現(xiàn)在是68頁\一共有119頁\編輯于星期日2、高速光電二極管（1）PIN結(jié)光電二極管PINP、N間加了層很厚的高電阻率的本征半導(dǎo)體I。P層做的很薄。。比普通的光電二極管施加較高的反偏壓。現(xiàn)在是69頁\一共有119頁\編輯于星期日入射光照射在P層上，由于P層很薄，大量的光被較厚的I層吸收，激發(fā)較多的載流子形成光電流；又PIN結(jié)光電二極管比PN結(jié)光電二極管施加較高的反偏置電壓，使其耗盡層加寬。當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，在交界處形成電子和空穴的濃度差別，因此，N區(qū)的電子要向P區(qū)擴(kuò)散，P區(qū)空穴向N區(qū)擴(kuò)散。偏壓價(jià)帶導(dǎo)帶信號(hào)光信號(hào)光電極電極輸出端PIN現(xiàn)在是70頁\一共有119頁\編輯于星期日P區(qū)一邊失去空穴，留下帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，N區(qū)一邊失去電子，留下帶正電的雜質(zhì)離子，在PN交界面形成空間電荷（很薄的空間電荷區(qū)），在該區(qū)域中，多數(shù)載流子已擴(kuò)散到對方而復(fù)合掉，即消耗盡了，耗盡層的電阻率很高。擴(kuò)散越強(qiáng)，耗盡層越寬，PN結(jié)內(nèi)電場越強(qiáng)，加速了光電子的定向運(yùn)動(dòng)，大大減小了漂移時(shí)間，因而提高了響應(yīng)速度。PIN結(jié)光電二極管仍然具有一般PN結(jié)光電二極管的線性特性。偏壓價(jià)帶導(dǎo)帶信號(hào)光信號(hào)光電極電極輸出端PIN現(xiàn)在是71頁\一共有119頁\編輯于星期日現(xiàn)在是72頁\一共有119頁\編輯于星期日

（2）雪崩式光電二極管（APD）在PN結(jié)的P區(qū)外增加一層摻雜濃度極高的P+層，且在其上加上高反偏壓。偏壓輸出端價(jià)帶導(dǎo)帶信號(hào)光信號(hào)光電極電極P+

PN現(xiàn)在是73頁\一共有119頁\編輯于星期日當(dāng)光入射到PN結(jié)時(shí)，光子被吸收而產(chǎn)生電子-空穴對。如果電壓增加到使電場達(dá)到200kV/cm以上，初始電子（一次電子）在高電場區(qū)獲得足夠能量而加速運(yùn)動(dòng)。高速運(yùn)動(dòng)的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對。新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子雪崩式倍增，構(gòu)成強(qiáng)大的光電流?，F(xiàn)在是74頁\一共有119頁\編輯于星期日3、光敏三極管PPNbecNNPebC集電結(jié)一邊做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積，且基極一般不接引線?，F(xiàn)在是75頁\一共有119頁\編輯于星期日普通三極管ICIBeEBECIERCRbcbNNP現(xiàn)在是76頁\一共有119頁\編輯于星期日光敏三極管ICIBeEBECIERCRbcbNNP基區(qū)很薄；基極不接引線；集電極面積較大?，F(xiàn)在是77頁\一共有119頁\編輯于星期日

當(dāng)集電極加上正電壓,基極開路時(shí),集電極處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時(shí),會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對,在內(nèi)電場的作用下,光生電子被拉到集電極,基區(qū)留下空穴,使基極與發(fā)射極間的電壓升高,這樣便有大量的電子流向集電極,形成輸出電流,且集電極電流為光電流的β倍。

RLE現(xiàn)在是78頁\一共有119頁\編輯于星期日（1）光譜特性光敏三極管的主要特性：

存在一個(gè)最佳靈敏度的峰值波長2040608010040080012001600入射光波長/nm鍺硅相對靈敏度（%）0硅的峰值波長為9000?，鍺的峰值波長為15000?。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般選用硅管；但對紅外線進(jìn)行探測時(shí),則采用鍺管較合適。現(xiàn)在是79頁\一共有119頁\編輯于星期日（2）伏安特性500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA024620406080光敏晶體管的伏安特性U/V同一般晶體管在不同的基極電流時(shí)的輸出特性一樣。只要將入射光照在發(fā)射極e與基極b之間的PN結(jié)附近，所產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管。光敏三極管能把光信號(hào)變成電信號(hào)，而且輸出的電信號(hào)較大?，F(xiàn)在是80頁\一共有119頁\編輯于星期日光敏晶體管的光照特性（3）光照特性

故光敏三極管既可做線性轉(zhuǎn)換元件，也可做開關(guān)元件。近似線性關(guān)系。但光照足夠大時(shí)會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。I/μAL/lx200400600800100001.02.03.0現(xiàn)在是81頁\一共有119頁\編輯于星期日暗電流/mA10203040506070T/oC25

050光電流/mA100

02003004001020304050607080T/oC（4）溫度特性溫度變化對光電流的影響很小，對暗電流的影響很大。故電子線路中應(yīng)對暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償。光敏三極管的溫度特性曲線反映的是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系?，F(xiàn)在是82頁\一共有119頁\編輯于星期日（5）光敏三極管的頻率特性

20

406080100相對靈敏度（%）f(kHZ)

1101000RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ頻率特性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)。

對于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5kHz以下。

硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。實(shí)驗(yàn)證明，光敏三極管的截止頻率和它的基區(qū)厚度成反比關(guān)系。如果要求截止頻率高，那么基區(qū)就要??；但基區(qū)變薄，光電靈敏度將降低，在制造時(shí)要適當(dāng)兼顧兩者。現(xiàn)在是83頁\一共有119頁\編輯于星期日（四）光電耦合器件組成：

發(fā)光元件(如發(fā)光二極管)和光電接收元件合并使用，以光作為媒介傳遞信號(hào)的光電器件。分類:

光電耦合器:用于實(shí)現(xiàn)電隔離;

光電開關(guān):用于檢測有無物體?，F(xiàn)在是84頁\一共有119頁\編輯于星期日1.光電耦合器

發(fā)光元件和接收元件封裝在一個(gè)外殼內(nèi)；有金屬封裝和塑料封裝兩種；發(fā)光器件采用砷化鎵發(fā)光二極管，其管芯由一個(gè)PN結(jié)組成，隨著正向電壓的增大，正向電流增加，發(fā)光二極管產(chǎn)生的光通量也增加；光電接收元件是光敏二極管和光敏三極管，也可以是達(dá)林頓光敏管?，F(xiàn)在是85頁\一共有119頁\編輯于星期日2.光電開關(guān)利用感光元件對變化的入射光加以接收，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，同時(shí)加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出“開”、“關(guān)”信號(hào)的器件。

光電開關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動(dòng)化包裝線及安全裝置中作為光控制和光探測裝置?？稍谧詣?dòng)控制系統(tǒng)中用作物體檢測，產(chǎn)品計(jì)數(shù)，料位檢測，尺寸控制，安全報(bào)警及計(jì)算機(jī)輸入接口等。

現(xiàn)在是86頁\一共有119頁\編輯于星期日第二節(jié)光電效應(yīng)與光電器件一、外光電效應(yīng)二、內(nèi)光電效應(yīng)三、基本概念四、外光電效應(yīng)器件五、內(nèi)光電效應(yīng)器件六、應(yīng)用舉例現(xiàn)在是87頁\一共有119頁\編輯于星期日光電式傳感器的應(yīng)用可歸納為四種基本形式：六、應(yīng)用舉例現(xiàn)在是88頁\一共有119頁\編輯于星期日1、光電轉(zhuǎn)速傳感器231231現(xiàn)在是89頁\一共有119頁\編輯于星期日現(xiàn)在是90頁\一共有119頁\編輯于星期日

2、感煙傳感器(火災(zāi)報(bào)警器的一部分)由紅外發(fā)光二極管及光電三極管組成，但二者不在同一平面上(有一定角度)。在無煙狀態(tài)時(shí)，光電三極管接收不到紅外線；當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，產(chǎn)生大量煙霧，煙霧粒子進(jìn)入感煙傳感器時(shí)，由于紅外線受煙霧粒于折射作用，光電三極管接收到紅外線，給出煙霧報(bào)警信號(hào)?，F(xiàn)在是91頁\一共有119頁\編輯于星期日

3、光電液位檢測在液體未升到發(fā)光二極管及光電三極管平面時(shí)，紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線不會(huì)被光電三極管接收；當(dāng)液位上升到發(fā)光二極管及光電三極管平面時(shí)，出于液體的折射，光電三極管接收到紅外信號(hào)由此獲得液位信號(hào)?，F(xiàn)在是92頁\一共有119頁\編輯于星期日

4、光電開關(guān)的應(yīng)用下圖為檢測生產(chǎn)流水線上瓶蓋及商標(biāo)的實(shí)例。除記數(shù)外，還可進(jìn)行位置檢測(如裝配體有沒有到位)、質(zhì)量檢查(如瓶蓋是否壓上，標(biāo)簽是否漏貼等)?，F(xiàn)在是93頁\一共有119頁\編輯于星期日

5、自動(dòng)切斷控制的實(shí)例可以根據(jù)被測物的特定標(biāo)記進(jìn)行自動(dòng)控制(如根據(jù)特定的標(biāo)記檢測后進(jìn)行自動(dòng)切斷、封口等)。光電開關(guān)主要用于自動(dòng)包裝機(jī)、自動(dòng)灌裝機(jī)、自動(dòng)封裝機(jī)、自動(dòng)或半自動(dòng)裝配流水線等自動(dòng)化機(jī)械裝置?，F(xiàn)在是94頁\一共有119頁\編輯于星期日6、防盜報(bào)警電路將光電斷路器安裝于抽屜的背后，并設(shè)一電源開關(guān)于隱蔽的地方，當(dāng)需要防盜時(shí)將開關(guān)合上。平時(shí)由于擋板插入槽口，光電三極管僅有暗電流，BG不導(dǎo)通，繼電器J不吸合。當(dāng)小偷撬開抽屜時(shí)，一拉開抽屜則擋板離開槽口，光電三極管的光電流使R2上產(chǎn)生接近電源的電壓，BG導(dǎo)通，繼電器吸合，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。這種裝置同樣可以安裝在門窗上起防盜報(bào)警作用。現(xiàn)在是95頁\一共有119頁\編輯于星期日

7、自動(dòng)照明燈D1為觸發(fā)二極管，觸發(fā)電壓約30v左右。在白天時(shí)，光敏電阻的阻值低，其分壓低于30v(A點(diǎn))，觸發(fā)二極管截止，雙向可控硅無觸發(fā)電流，T1、T2之間呈斷開狀態(tài)；天暗后，光敏電阻阻值增加，A點(diǎn)電壓大于30v，觸發(fā)二極管導(dǎo)通，雙向可控硅呈導(dǎo)通狀態(tài)，電燈亮。R1、C1為保護(hù)雙向可控硅的吸收電路?，F(xiàn)在是96頁\一共有119頁\編輯于星期日正常強(qiáng)度光照在光敏電阻上，因阻值較小，端壓小于0.5V，電路中三極管截止，即流過三極管T和小白熾燈泡的電流趨于零，燈暗，當(dāng)光照逐漸變暗，光敏電阻阻值變大，三極管逐漸導(dǎo)通，流過三極管和燈的電流逐漸變大，燈D逐漸變亮。入射光敏電阻的照度為零時(shí)，燈最亮。二極管D的作用是保護(hù)三極管，防止