第7講-光電效應和光電器件

光電傳感器的組成光電效應光電器件光電效應和光電器件主要內容光電傳感器的組成光電效應光電器件光電傳感器的組成光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉換的關鍵元件，它是把光信號轉變成為電信號的器件。光電傳感器的組成能直接引起光量變化的被測量：光強、輻射溫度、氣體成分等；能在光傳播過程中調制光量的被測量：零件尺寸、形狀、位移、加速度、轉速等光電效應概念：物體吸收光能后轉換為該物體中某些電子的能量而產生的電效應。分類光電效應外光電效應內光電效應光電導效應光生伏特效應一.外光電效應在光線的作用下，物體內的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應。向外發(fā)射的電子叫做光電子?；谕夤怆娦墓怆娖骷泄怆姽?、光電倍增管等。光電效應能否產生,取決于光子的能量是否大于該物質表面的電子逸出功。這意味著每一種物質都有一個對應的光頻閥值,稱為紅限頻率（對應的光波長稱為臨界波長）。f光線<f紅限,再大的光強也不能導致電子發(fā)射；f光線>f紅限，微弱的光線即可導致電子發(fā)射。二.內光電效應當光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內光電效應，它多發(fā)生于半導體內。根據工作原理的不同，內光電效應分為光電導效應和光生伏特效應兩類：1.光電導效應在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導效應。基于這種效應的光電器件有光敏電阻。過程：當光照射到半導體材料上時，價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶躍入導帶，如圖，使材料中導帶內的電子和價帶內的空穴濃度增加，從而使電導率變大。導帶價帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價電子所占能帶Eg2.光生伏特效應在光線作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應。基于該效應的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。

PN結產生光生伏特效應＋＋＋－－－PN＋－光＋－光生電子—空穴對原理:如圖，入射光照射在PN結上時，若光子能量大于半導體材料的禁帶寬度Eg時，則在PN結內產生電子空穴對，它們的移動使PN結產生電勢。光電管及光電倍增管一.光電管光電管是一種具有悠久歷史的光傳感器。光電管是一個裝有光電陰極和陽極的真空玻璃管,如圖所示。

原理：當光電陰極受到適當波長的光線照射時發(fā)射光電子，在中央帶正電的陽極吸引下，光電子在光電管內形成電子流，在外電路中便產生光電流I。光電管的結構和工作原理

二、光電倍增管當入射光很微弱時，普通光電管產生的光電流很小，只有零點幾μA，不容易探測，需要用光電倍增管對電流進行放大。光電倍增管結構和工作原理

光電倍增管示意圖光電陰極第一倍增極陽極第n倍增極由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽極三部分組成。如圖4-4所示。光敏電阻外形光敏電阻的演示觀察：光電流有什么變化？暗電流（越小越好）光敏電阻的結構光敏電阻結構光敏電阻的電極光敏電阻的工作原理導帶價帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價電子所占能帶Eg光敏電阻的連線電路RLEIRG連線電路圖光敏電阻的特性1-光電流概念：1.暗電阻：2.暗電流：3.亮電阻:4.亮電流：5.光電流：亮電流與暗電流之差。思考：光敏電阻的亮電阻，暗電阻大好還是小好？012345I/mAL/lx10002000光敏電阻不宜作定量檢測元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動控制系統(tǒng)中用作光電開關。光敏電阻的特性2-光照特性204060801004080120160200240λ/μm312相對靈敏度1——硫化鎘2——硒化鎘3——硫化鉛在選用光敏電阻時，應把光敏電阻的材料和光源的種類結合起來考慮，才能獲得滿意的效果。光敏電阻的特性3-光譜特性思考：我們?yōu)榱说玫礁蟮墓怆娏鳎芊駸o限增大電壓？5010015020012U/V02040I/μA光敏電阻的特性4-伏安特性思考：光敏電阻能否用在要求快速響應的場合？20406080100I/%f/Hz010102103104硫化鉛硫化鎘光敏電阻的特性5-頻率特性I/%408012016021T/h040080012001600最后達到一個穩(wěn)定值后就不再變了。這就是光敏電阻的主要優(yōu)點。光敏電阻的特性6-穩(wěn)定性I/μA100150200-50-10305010-30T/oC2040608010001.02.03.04.0λ/μmI/mA+20oC-20oC有時為了提高靈敏度，或為了能夠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。光敏電阻的特性7-溫度特性光敏電阻具有很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價格便宜，因此應用比較廣泛。光敏電阻的應用舉例例1：閱讀環(huán)境照度監(jiān)視器思考：R1和Rw的作用是什么？要求：當光照度低于100lx時，揚聲器播放樂曲告警。例2：光電式帶材跑偏檢測裝置要求：此裝置可用來檢測帶材在加工過程中偏離正確位置的大小及方向，從而為糾偏控制機構電路提供一個糾偏信號。思考：R2的作用？作業(yè)1.用光敏電阻設計一路燈自動控制系統(tǒng)，要求畫出其測量電路圖并說明其工作原理。2.用光敏電阻設計一自動調光臺燈，要求畫出其測量電路圖并說明其工作原理。光敏二極管外形鍺光敏二極管有A，B，C，D四類；硅光敏二極管有2CU1A～D系列、2DU1～4系列。光敏二極管的結構與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼中，其PN結裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，如圖所示。RL

光PN光敏二極管接線

PN光光敏二極管符號光敏二極管結構與工作原理光敏二極管在沒有光照射時，反向電阻很大。當光不照射時，光敏二極管處于載止狀態(tài)，這時只有少數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，PN結附近受光子轟擊，吸收其能量而產生電子-空穴對，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內電場的作用下，P區(qū)的少數載流子渡越阻擋層進入N區(qū)，N區(qū)的少數載流子渡越阻擋層進入P區(qū)，從而使通過PN結的反向電流大為增加，這就形成了光電流。光敏三極管外形光敏三極管的結構與工作原理PPNNNPeb

bcRLEec具有電流增益,只是它的發(fā)射極一邊做的很大,以擴大光的照射面積,且其基極不接引線。當集電極加上正電壓,基極開路時,集電極處于反向偏置狀態(tài)。當光線照射在集電結的基區(qū)時,會產生電子-空穴對,在內電場的作用下,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。光敏晶體管的特性1-光譜特性相對靈敏度/%硅鍺入射光λ/?400080001200016000100806040200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，一般選用硅管；但對紅外線進行探測時,則采用鍺管較合適。0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080光敏晶體管的伏安特性U/V光敏晶體管的特性2-伏安特性光敏晶體管的特性3-光照特性光敏晶體管的光照特性I/μAL/lx200400600800100001.02.03.0呈現(xiàn)了近似線性關系。當光照足夠大(幾klx)時，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉換元件，也可作開關元件。光敏晶體管的特性4-溫度特性暗電流/mA光電流/mA10203040506070T/oC25050100

02003004001020304050607080T/oC光敏晶體管的溫度特性從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的影響很大．所以電子線路中應該對暗電流進行溫度補償，否則將會導致輸出誤差。光敏晶體管的特性5-頻率特性0100100050050001000020406010080RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ入射光調制頻率/HZ相對靈敏度/%光敏晶體管的頻率特性光敏三極管的頻率特性受負載電阻的影響，減小負載電阻可以提高頻率響應。一般來說，光敏三極管的頻率響應比光敏二極管差。對于鍺管，入射光的調制頻率要求在5kHz以下。硅管的頻率響應要比鍺管好。光敏二極管的應用1.光電路燈控制電路2.光強測量電路光敏三極管的應用1.脈沖編碼器2.光電轉速傳感器3.光電式煙塵濃度計光電池硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池等。目前,應用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。硅光電池價格便宜，轉換效率高，壽命長，適于接受紅外光。硒光電池光電轉換效率低(0.02％)、壽命短，適于接收可見光(響應峰值波長0.56μm)，最適宜制造照度計。砷化鎵光電池轉換效率比硅光電池稍高，光譜響應特性則與太陽光譜最吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它主要用于宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等的電源。光電池的結構和工作原理當光照到PN結區(qū)時，如果光子能量足夠大，將在結區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，在N區(qū)聚積負電荷，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。光電池的示意圖+光PN－SiO2RL(a)光電池的結構圖I光(b)光電池的工作原理示意圖PN光電池的表示符號、基本電路及等效電路IUIdUIRLIΦ(a)(b)(c)光電池符號和基本工作電路光電池的基本特性(1)光譜特性光電池的光譜特性決定于材料。從曲線可看出，硒光電池在可見光譜范圍內有較高的靈敏度，峰值波長在540nm附近，適宜測可見光。硅光電池應用的范圍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應用。204060801000.40.60.81.01.20.2I/%12λ/μm1——硒光電池2——硅光電池（2）光照特性開路電壓曲線：光生電動勢與照度之間的特性曲線，當照度為2000lx時趨向飽和。短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線。L/klx

L/klx

5432100.10.20.30.40.5246810開路電壓Uoc

/V0.10.20.30.4

0.50.30.1012345Uoc/VIsc

/mAIsc/mA(a)硅光電池(b)硒光電池開路電壓短路電流短路電流短路電流，指外接負載相對于光電池內阻而言是很小的。光電池在不同照度下，其內阻也不同，因而應選取適當的外接負載近似地滿足“短路”條件。下圖表示硒光電池在不同負載電阻時的光照特性。從圖中可以看出，負載電阻RL越小，光電流與強度的線性關系越好，且線性范圍越寬。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx

50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=0(3)頻率特性光電池作為測量、計數、接收元件時常用調制光輸入。光電池的頻率響應就是指輸出電流隨調制光頻率變化的關系。由于光電池PN結面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。圖示為光電池的頻率響應曲線。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應，如曲線2，而硒光電池則較差，如曲線1。204060801000I/%1234512f/kHz1——硒光電池2——硅光電池（4）溫度特性光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關系。由圖可見，開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關系到應用光電池的儀器設備的溫度漂移，影響到測量或控制精度等主要指標，因此，當光電池作為測量元件時，最好能保持溫度恒定或采取溫度補償措施。2004060904060UOC/mVT/oCISCUOCISC

/μA600400200UOC——開路電壓ISC——短路電流硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線光電池的應用-太陽電池電源一、光譜光波：波長為10—106nm的電磁波可見光：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稱為遠紫外線波長10—200nm稱為極遠紫外線，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的紅外線稱為遠紅外線。光源和光電傳感器的選用遠紫外近紫外可見光近紅外遠紅外極遠紫外0.015波長/μm波數/cm-1頻率/Hz光子能量/eV1061051041035×1055×1045×10310155×101410145×10131001015050.55×101510163×1018光的波長λ和頻率ν的關系為νλ=3×1010cm/s光譜分布如圖所示。二、光源（發(fā)光器件）1、鎢絲白熾燈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：可見光、大量紅外線和紫外線，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號。特點：壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動態(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。在普通白熾燈基礎上制作的發(fā)光器件有溴鎢燈和碘鎢燈，其體積較小，光效高，壽命也較長。2、氣體放電燈定義：利用電流通過氣體產生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈。氣體放電燈的光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類及放電條件有關。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。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)稱為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長為254nm，鈉燈的輻射波長為589nm，它們經常用作光電檢測儀器的單色光源。如果光譜燈涂以熒光劑，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僅為白熾燈1/2—1/3。3、發(fā)光二極管LED（LightEmittingDiode）由半導體PN結構成，其工作電壓低、響應速度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應用。在半導體PN結中，P區(qū)的空穴由于擴散而移動到N區(qū)，N區(qū)的電子則擴散到P區(qū)，在PN結處形成勢壘，從而抑制了空穴和電子的繼續(xù)擴散。當PN結上加有正向電壓時，勢壘降低，電子由N區(qū)注入到P區(qū)，空穴則由P區(qū)注入到