傳感器第七章1 光電式傳感器

1、第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 光電效應(yīng)與光電器件光電效應(yīng)與光電器件第三節(jié)第三節(jié) 光纖傳感器光纖傳感器內(nèi)容提要內(nèi)容提要學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo) 了解光的特性及光源類型；掌握外光電了解光的特性及光源類型；掌握外光電效應(yīng)定義及器件類型、內(nèi)光電效應(yīng)定義及器效應(yīng)定義及器件類型、內(nèi)光電效應(yīng)定義及器件類型；掌握各光電器件原理；了解光電傳件類型；掌握各光電器件原理；了解光電傳感器應(yīng)用；理解光纖的結(jié)構(gòu)及傳光原理；掌感器應(yīng)用；理解光纖的結(jié)構(gòu)及傳光原理；掌握光纖傳感器測(cè)量及調(diào)制原理。握光纖傳感器測(cè)量及調(diào)制原理。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感

2、器 第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述一、光的特性一、光的特性二、光源（發(fā)光器件）二、光源（發(fā)光器件） 1 1、白熾光源、白熾光源 2 2、氣體放電光源、氣體放電光源第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 可見光：可見光：波長(zhǎng)波長(zhǎng)380780nm紫外線：紫外線：波長(zhǎng)波長(zhǎng)10380nm 波長(zhǎng)波長(zhǎng)300380nm稱為稱為近紫外線近紫外線 波長(zhǎng)波長(zhǎng)200300nm稱為稱為遠(yuǎn)紫外線遠(yuǎn)紫外線 波長(zhǎng)波長(zhǎng)10200nm稱為稱為極遠(yuǎn)紫外線極遠(yuǎn)紫外線紅外線：紅外線：波長(zhǎng)波長(zhǎng)780106nm 波長(zhǎng)波長(zhǎng)3m（即（即3000nm）以下的稱）以下的稱近紅外線近紅外線 波長(zhǎng)超過(guò)波長(zhǎng)超過(guò)3m 的紅外線稱為的紅外線稱為

3、遠(yuǎn)紅外線遠(yuǎn)紅外線光波光波：波長(zhǎng)為波長(zhǎng)為10106nm的電磁波的電磁波一、光的特性一、光的特性第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 二、光源（發(fā)光器件）二、光源（發(fā)光器件）1 1、白熾光源、白熾光源 最為普通的是用鎢絲通電加熱作為光輻射源。最為普通的是用鎢絲通電加熱作為光輻射源。一般白熾燈的輻射一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的光譜是連續(xù)的。 發(fā)光范圍：發(fā)光范圍：320 nm2500 nm320 nm2500 nm, , 所以任何光敏元所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號(hào)。件都能和它配合接收到光信號(hào)。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動(dòng)態(tài)特性壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動(dòng)態(tài)特

4、性差，但對(duì)接收光敏元件的光譜特性要求不高，是可差，但對(duì)接收光敏元件的光譜特性要求不高，是可取之處。取之處。 第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 2 2、氣體放電光源、氣體放電光源 利用電流通過(guò)氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈利用電流通過(guò)氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈即即氣體放電燈。氣體放電燈。 光譜是光譜是不連續(xù)不連續(xù)的，的，光譜與氣體的種類及放光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)電條件有關(guān)。改變氣體的成分、壓力、陰極材。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料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。圍的輻射。 汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀汞燈、氫

5、燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈光譜燈。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 低壓汞燈低壓汞燈的輻射波長(zhǎng)為的輻射波長(zhǎng)為254nm254nm，鈉燈鈉燈的輻射波長(zhǎng)為的輻射波長(zhǎng)為589nm589nm，可被用作單色光源可被用作單色光源。 光譜燈涂以熒光劑，由于光線與涂層材料的作用，光譜燈涂以熒光劑，由于光線與涂層材料的作用，熒光劑可以熒光劑可以將氣體放電譜線轉(zhuǎn)化為更長(zhǎng)的波長(zhǎng)將氣體放電譜線轉(zhuǎn)化為更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，通過(guò)，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)，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

6、能量為白熾燈如照明日光燈。氣體放電燈消耗的能量為白熾燈1/2-11/2-1/3/3。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 構(gòu)成：構(gòu)成：由由半導(dǎo)體半導(dǎo)體PNPN結(jié)結(jié)構(gòu)成。構(gòu)成。特點(diǎn)：特點(diǎn)：工作電壓低、工作電流很小；抗沖擊和工作電壓低、工作電流很?。豢箾_擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長(zhǎng)；通過(guò)調(diào)制通抗震性能好，可靠性高，壽命長(zhǎng)；通過(guò)調(diào)制通過(guò)的電流強(qiáng)弱可以方便地調(diào)制發(fā)光的強(qiáng)弱。過(guò)的電流強(qiáng)弱可以方便地調(diào)制發(fā)光的強(qiáng)弱。 +-第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 Laser: Light amplification

7、by Laser: Light amplification by stimulated emission of radiationstimulated emission of radiation）0.15m0.15m到遠(yuǎn)紅外整個(gè)光頻波段范圍到遠(yuǎn)紅外整個(gè)光頻波段范圍第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 第二節(jié)第二節(jié) 光電效應(yīng)與光電器件光電效應(yīng)與光電器件一、外光電效應(yīng)一、外光電效應(yīng)二、內(nèi)光電效應(yīng)二、內(nèi)光電效應(yīng)三、基本概念三、基本概念四、外光電效應(yīng)器件四、外光電效應(yīng)器件五、內(nèi)光電效應(yīng)器件五、內(nèi)光電效應(yīng)器件六、應(yīng)用舉例六、應(yīng)用舉

8、例第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 定義：定義：利用光電器件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)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。（電壓、電流、電阻等）的裝置。構(gòu)成：構(gòu)成：光源、光學(xué)通路、光電元件。光源、光學(xué)通路、光電元件。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 一、一、 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 定義：定義：在光照射下在光照射下, ,電子逸出物體表面向外發(fā)射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(yīng)現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng), ,亦稱亦稱光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)。 1887 1887年，首先是赫茲（年，首先是赫茲（M.HertzM.Hertz）在證明

9、波動(dòng)理）在證明波動(dòng)理論實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)的；論實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)的； 19021902年，勒納（年，勒納（Lenard)Lenard)也對(duì)其進(jìn)行了研究，指也對(duì)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(wú)法根據(jù)當(dāng)時(shí)的理論加以解釋面逸出的現(xiàn)象。但無(wú)法根據(jù)當(dāng)時(shí)的理論加以解釋 ； 19051905年，愛因斯坦提出了光子假設(shè)。年，愛因斯坦提出了光子假設(shè)。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 每個(gè)光子的能量： h普朗克常數(shù)，普朗克常數(shù)，6.6266.62610

10、10-34-34JsJs；光的頻率（光的頻率（s s-1-1）Eh83 10/m s 第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 02021Amvhvm電子質(zhì)量；v0電子逸出速度。愛因斯坦光電方程：愛因斯坦光電方程：n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，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。意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。n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

11、逸出功電子逸出功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，稱為有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率紅限頻率或波長(zhǎng)限?；虿ㄩL(zhǎng)限。光線頻率低于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；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。頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會(huì)有光電子射出。n光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能光電子逸出物體表面具有初始

12、動(dòng)能mv02 /2。基于外光電效應(yīng)的光電器件：光電管、光電倍增管基于外光電效應(yīng)的光電器件：光電管、光電倍增管第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 第二節(jié)第二節(jié) 光電效應(yīng)與光電器件光電效應(yīng)與光電器件一、外光電效應(yīng)一、外光電效應(yīng)二、內(nèi)光電效應(yīng)二、內(nèi)光電效應(yīng)三、基本概念三、基本概念四、外光電效應(yīng)器件四、外光電效應(yīng)器件五、內(nèi)光電效應(yīng)器件五、內(nèi)光電效應(yīng)器件六、應(yīng)用舉例六、應(yīng)用舉例1 1、光電導(dǎo)效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)2 2、光生伏特效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 二、內(nèi)光電效應(yīng)二、內(nèi)光電效應(yīng) 當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率當(dāng)光照射在物體上，使物體的電

13、阻率發(fā)生發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)叫做內(nèi)光電效應(yīng)。 1、 光電導(dǎo)效應(yīng)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)在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這過(guò)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)。（種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。（器件：光敏電阻器件：光敏電阻）第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 自由電子所占能帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶不存在電子所占能帶價(jià)電子所占能帶價(jià)電子所占能帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶禁帶禁帶EgEg hch 為了實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須

14、大于光電導(dǎo)材料的為了實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度禁帶寬度E Eg g，即，即第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 2、 光生伏特效應(yīng)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(shì)的現(xiàn)象叫在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)做光生伏特效應(yīng)（器件：光電池和光敏二極管、光敏三極管）。（器件：光電池和光敏二極管、光敏三極管）。 勢(shì)壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）勢(shì)壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）光線照射光線照射PNPN結(jié)時(shí)，設(shè)光子能量大于禁帶寬度結(jié)時(shí)，設(shè)光子能量大于禁帶寬度EgEg，使價(jià)

15、帶中的電，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在阻擋層內(nèi)電場(chǎng)的作用下，子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在阻擋層內(nèi)電場(chǎng)的作用下，被光激發(fā)的電子移向被光激發(fā)的電子移向N N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P P區(qū)外側(cè)，區(qū)外側(cè)，從而使從而使P P區(qū)帶正電，區(qū)帶正電，N N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動(dòng)勢(shì)，這就是結(jié)光電區(qū)帶負(fù)電，形成光電動(dòng)勢(shì)，這就是結(jié)光電效應(yīng)。效應(yīng)。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 側(cè)向光電效應(yīng)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（光電器件如半導(dǎo)體光電位置敏感器件（PSDPSD）。）。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器

16、 第二節(jié)第二節(jié) 光電效應(yīng)與光電器件光電效應(yīng)與光電器件一、外光電效應(yīng)一、外光電效應(yīng)二、內(nèi)光電效應(yīng)二、內(nèi)光電效應(yīng)三、基本概念三、基本概念四、外光電效應(yīng)器件四、外光電效應(yīng)器件五、內(nèi)光電效應(yīng)器件五、內(nèi)光電效應(yīng)器件六、應(yīng)用舉例六、應(yīng)用舉例1 1、暗電流、暗電流2 2、響應(yīng)度、響應(yīng)度3 3、光譜、光譜4 4、等效噪聲功率、等效噪聲功率NEPNEP第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 三、基本概念三、基本概念1 1、暗電流、暗電流 光傳感器接入電路后即使沒有光照射，由于熱電子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(chǎng)致發(fā)射和晶格振蕩激發(fā)載流子，使電路有電流發(fā)射、場(chǎng)致發(fā)射和晶格振蕩

17、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。輸出，此電流稱為暗電流，也稱隨機(jī)電流。fIdN2eI頻帶寬度，暗電流平均值fdI2 2、響應(yīng)度、響應(yīng)度光傳感器輸出的電壓或電流與光通量之比。光傳感器輸出的電壓或電流與光通量之比。SIIR SVVR 第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 3 3、光譜、光譜光傳感器輸出與輸入光波長(zhǎng)的關(guān)系曲線。光傳感器輸出與輸入光波長(zhǎng)的關(guān)系曲線。4 4、等效噪聲功率、等效噪聲功率NEPNEP 即能夠產(chǎn)生與傳感器輸出噪聲電壓或電流相等即能夠產(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(cè)的光的功率。的入射光功率的大小。

18、反映最小可探測(cè)的光的功率。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 第二節(jié)第二節(jié) 光電效應(yīng)與光電器件光電效應(yīng)與光電器件一、外光電效應(yīng)一、外光電效應(yīng)二、內(nèi)光電效應(yīng)二、內(nèi)光電效應(yīng)三、基本概念三、基本概念四、外光電效應(yīng)器件四、外光電效應(yīng)器件五、內(nèi)光電效應(yīng)器件五、內(nèi)光電效應(yīng)器件六、應(yīng)用舉例六、應(yīng)用舉例（一）、光電管及其基本特性（一）、光電管及其基本特性1 1、結(jié)構(gòu)與工作原理、結(jié)構(gòu)與工作原理2 2、主要性能、主要性能（二）、光電倍增管及其基本特性（二）、光電倍增管及其基本特性1 1、結(jié)構(gòu)和工作原理、結(jié)構(gòu)和工作原理2 2、主要參數(shù)、主要參數(shù)第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感

19、器 四、外光電效應(yīng)器件四、外光電效應(yīng)器件（一）、光電管及其基本特性（一）、光電管及其基本特性1. 1. 結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)與工作原理 當(dāng)光照射在陰極上時(shí)，中央陽(yáng)極可以收集從陰極當(dāng)光照射在陰極上時(shí)，中央陽(yáng)極可以收集從陰極上溢出的電子，在外電場(chǎng)作用下形成電流上溢出的電子，在外電場(chǎng)作用下形成電流I。 光光陽(yáng)極陽(yáng)極光窗光窗光電陰極光電陰極第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 （1）內(nèi)充有少量的惰性氣）內(nèi)充有少量的惰性氣體，如氬、氖；體，如氬、氖；（2）當(dāng)充氣光電管的陰極）當(dāng)充氣光電管的陰極被光照射后，光電子在飛向被光照射后，光電子在飛向陽(yáng)極的過(guò)程中，和氣體的原陽(yáng)極的過(guò)程中，和氣體的原

20、子發(fā)生碰撞使氣體電離；子發(fā)生碰撞使氣體電離；（3）增大了光電流，從而）增大了光電流，從而使靈敏度增加；使靈敏度增加；（4）但導(dǎo)致充氣光電管的）但導(dǎo)致充氣光電管的光電流與入射光強(qiáng)度不成比光電流與入射光強(qiáng)度不成比例，因而穩(wěn)定性較差。例，因而穩(wěn)定性較差。陽(yáng)極陰極陽(yáng)極陰極充氣光電管充氣光電管第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 真空光電管真空光電管 充氣光電管充氣光電管 2 2、主要性能：、主要性能：伏安特性、光照特性、光譜特性伏安特性、光照特性、光譜特性（1 1）光電管的）光電管的伏安特性伏安特性第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳

21、感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 （2 2）、光電管的）、光電管的光照特性光照特性 指當(dāng)光電管的陽(yáng)極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，指當(dāng)光電管的陽(yáng)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。光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。225507510000.51.52.0/1mIA/ A1.02.51第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 （3 3）、光電管）、光電管光譜特性光譜特性 保持光通量和陰極電壓不變，陽(yáng)極電流與光波保持光通量和陰極電壓不變，陽(yáng)極電流與光波長(zhǎng)之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。長(zhǎng)之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。 同一光電管對(duì)于不同頻率光的靈敏度不

22、同，同一光電管對(duì)于不同頻率光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。這就是光電管的光譜特性。 所以，對(duì)各種不同波長(zhǎng)區(qū)域的光，應(yīng)選用不所以，對(duì)各種不同波長(zhǎng)區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。同材料的光電陰極。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 銻鉀鈉銫陰極光譜范圍較寬，為銻鉀鈉銫陰極光譜范圍較寬，為3000850030008500，靈敏度也較高，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

23、眼所不能勝任的工作，如坦克和裝甲車的夜視鏡等。所不能勝任的工作，如坦克和裝甲車的夜視鏡等。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 光照很弱時(shí)，光電管產(chǎn)生光照很弱時(shí)，光電管產(chǎn)生的電流很小，為提高靈敏度的電流很小，為提高靈敏度常常使用光電倍增管。如核常常使用光電倍增管。如核儀器中閃爍探測(cè)器都使用的儀器中閃爍探測(cè)器都使用的是光電倍增管做光電轉(zhuǎn)換元是光電倍增管做光電轉(zhuǎn)換元件。件。 光電倍增管是利用二次電光電倍增管是利用二次電子釋放效應(yīng)，高速電子撞擊子釋放效應(yīng)，高速電子撞擊固體表面，發(fā)出二次電子，固體表面，發(fā)出二次電子，將光電流在管內(nèi)進(jìn)行放大。將光電流在管內(nèi)進(jìn)行放大。（二）、光電倍增管及

24、其基本特性（二）、光電倍增管及其基本特性第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 （二）、光電倍增管及其基本特性（二）、光電倍增管及其基本特性1. 1. 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理組成：光陰極組成：光陰極(K)(K)、次陰極、次陰極( (倍增電極倍增電極)(D)(Di i) )、陽(yáng)極、陽(yáng)極(A)(A) 光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成；次陰極是光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成；次陰極是在鎳或銅在鎳或銅- -鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的，次陰鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的，次陰極多的可達(dá)極多的可達(dá)3030級(jí)；級(jí)；陽(yáng)極是最后用來(lái)收集電子陽(yáng)極是最后用來(lái)收集電子的，收集的，收集到的電

25、子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的10105 510108 8倍。倍。 使用時(shí)在各個(gè)使用時(shí)在各個(gè)倍增電極上均加上電壓倍增電極上均加上電壓，陰極電位陰極電位最低最低，以后，以后依次升高依次升高，陽(yáng)極最高陽(yáng)極最高。相鄰兩個(gè)倍增電極。相鄰兩個(gè)倍增電極之間有電位差，因此存在之間有電位差，因此存在加速電場(chǎng)加速電場(chǎng)。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 入入射射光光光電陰極光電陰極第一倍第一倍增極增極陽(yáng)極陽(yáng)極第三倍第三倍增極增極 由于相鄰兩個(gè)倍增電極之由于相鄰兩個(gè)倍增電極之間有電位差，因此，存在加速間有電位差，因此，存在加速電場(chǎng)，從陰極打擊出的光電子，電場(chǎng)，從陰極打擊出的

26、光電子，在電場(chǎng)的加速下，打到第一個(gè)在電場(chǎng)的加速下，打到第一個(gè)倍增電極上，引起二次電子發(fā)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射，每個(gè)電子能從這倍增電極上打出上打出3636倍的次級(jí)電子，被打倍的次級(jí)電子，被打出的次級(jí)電子再經(jīng)電場(chǎng)加速，出的次級(jí)電子再經(jīng)電場(chǎng)加速，打在第三倍增電極上，電子數(shù)打在第三倍增電極上，電子數(shù)又增加又增加3636倍，如此不斷倍增下倍，如此不斷倍增下去，陽(yáng)極作后收集到的電子數(shù)去，陽(yáng)極作后收集到的電子數(shù)將達(dá)到將達(dá)到10105 5-10-108 8倍的光電子。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

27、依次升高，陽(yáng)極電位最高，同時(shí)這些倍增電極在一定能量位依次升高，陽(yáng)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。的電子轟擊下，能夠產(chǎn)生更多的次級(jí)電子。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 2 2、主要參數(shù)、主要參數(shù)（1 1）倍增系數(shù)）倍增系數(shù)M 如果如果n個(gè)倍增電極的個(gè)倍增電極的都都相同，則相同，則M= 因此，因此，陽(yáng)極電流陽(yáng)極電流 I 為為i i 光電陰極的光電流光電陰極的光電流光電倍增管的電流放大光電倍增管的電流放大倍數(shù)倍數(shù)為為 n 103 104 105 106255075100125極

28、間電壓極間電壓/V 放大倍數(shù)放大倍數(shù)nIi/nI iM與所加電壓有關(guān)，與所加電壓有關(guān)，M在在105108之間，穩(wěn)定性為之間，穩(wěn)定性為1左右，加速左右，加速電壓穩(wěn)定性要在電壓穩(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)，以內(nèi)。如果有波動(dòng)，倍增系數(shù)也要波動(dòng)，因此因此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，兩個(gè)相鄰的倍增電極的電位差為50100V。對(duì)所加。對(duì)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(cè)量誤差。電壓越穩(wěn)越好，這樣可以減小統(tǒng)計(jì)漲落，從而減小測(cè)量誤差。 第七章第七章 光電式與

29、光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 （2 2）光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度）光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度 陰極靈敏度：陰極靈敏度：一個(gè)光子在光電倍增管的陰極上能一個(gè)光子在光電倍增管的陰極上能夠打出的平均電子數(shù)。夠打出的平均電子數(shù)。 總靈敏度：總靈敏度：一個(gè)光子在陽(yáng)極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)。一個(gè)光子在陽(yáng)極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)。 注意：注意：極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓極間電壓越高，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)。由于光電也不能太高，太高反而會(huì)使陽(yáng)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，否則將倍增管的靈敏度很高，所以不能受強(qiáng)光照射，否則將

30、會(huì)損壞。會(huì)損壞。 第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 （3 3）暗電流和本底脈沖）暗電流和本底脈沖 暗電流：暗電流： 由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使由于環(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(yáng)極仍有電流，這種電沒有光信號(hào)輸入，加上電壓后陽(yáng)極仍有電流，這種電流稱為暗電流。流稱為暗電流。 本底電流：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，情況下，出現(xiàn)的電流稱為本底電流，其值大于暗電流。其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線對(duì)閃爍體的照射而使其激發(fā)，增加的部

31、分是宇宙射線對(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，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的，本底本底電流電流具有具有脈沖形式脈沖形式。 第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 光電光電倍增倍增管的管的光照光照特性特性與直線最大與直線最大偏離是偏離是3%10131010109107105103101在在 4 5 m A處飽和處飽和10141010106102光通量光通量/1m陽(yáng)陽(yáng)極極電電流流/ A（4 4）光電倍增管的光譜特性）光電倍增管的光譜特性第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 國(guó)產(chǎn)光電倍增管的技術(shù)參數(shù)國(guó)產(chǎn)光電倍增管的技術(shù)參數(shù)

32、第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 第二節(jié)第二節(jié) 光電效應(yīng)與光電器件光電效應(yīng)與光電器件一、外光電效應(yīng)一、外光電效應(yīng)二、內(nèi)光電效應(yīng)二、內(nèi)光電效應(yīng)三、基本概念三、基本概念四、外光電效應(yīng)器件四、外光電效應(yīng)器件五、內(nèi)光電效應(yīng)器件五、內(nèi)光電效應(yīng)器件六、應(yīng)用舉例六、應(yīng)用舉例（一）、光敏電阻（一）、光敏電阻1 1、光敏電阻的結(jié)構(gòu)、光敏電阻的結(jié)構(gòu)2 2、光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性、光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性（二）、光電池（二）、光電池1 1、光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理、光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理2 2、基本特性、基本特性1 1、光敏二極管、光敏二極管（三）、光敏二極管和光敏三極管（三）、光敏二

33、極管和光敏三極管2 2、高速光電二極管、高速光電二極管3 3、光敏三極管、光敏三極管（四）光電耦合器件（四）光電耦合器件第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 五、內(nèi)光電效應(yīng)器件五、內(nèi)光電效應(yīng)器件 （一）、光敏電阻（一）、光敏電阻 光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件，其工作原理光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件，其工作原理是基于是基于光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)，其，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小阻值隨光照增強(qiáng)而減小。1 1、光敏電阻的結(jié)構(gòu)、光敏電阻的結(jié)構(gòu)電極電極半導(dǎo)體半導(dǎo)體玻璃底板玻璃底板在玻璃底板上均勻地涂上一層薄薄的半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)體的兩端導(dǎo)體物

34、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(guò)引出線端接入電連接，光敏電阻就通過(guò)引出線端接入電路。為了防止周圍介質(zhì)的影響，在半導(dǎo)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(zhǎng)范圍內(nèi)分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長(zhǎng)范圍內(nèi)透射率最大。為了提高靈敏度，光敏電透射率最大。為了提高靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案。阻的電極一般采用梳狀圖案。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器

35、第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 2. 2. 光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性 （1 1）暗電流、亮電流、光電流）暗電流、亮電流、光電流 暗電流：暗電流：光敏電阻在室溫條件下，全暗（光敏電阻在室溫條件下，全暗（無(wú)光照無(wú)光照射射）后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間測(cè)量的電阻值，稱為暗電阻。此）后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間測(cè)量的電阻值，稱為暗電阻。此時(shí)在給定電壓下流過(guò)的電流為暗電流。時(shí)在給定電壓下流過(guò)的電流為暗電流。 亮電流：亮電流：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該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(guò)的電流為亮電流。光照下的亮電阻。此時(shí)流過(guò)的電流為亮電流。 光電

36、流：光電流：亮電流與暗電流之差。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。靈敏度越高。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 （2 2）光照特性）光照特性0.050.100.150.200.250 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0光通量光通量/lm/lm光電流光電流/mA/mA多數(shù)是非線性的；多數(shù)是非線性的；不宜做線性測(cè)量元件不宜做線性測(cè)量元件;多做開關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器。多做開關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器。

37、第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 （3 3）光譜特性）光譜特性 0 500 1000 1500 2000 250020406080100硫化鎘硫化鎘硫化鉈硫化鉈硫化鉛硫化鉛入射光波長(zhǎng)入射光波長(zhǎng)/nm/nm相對(duì)靈敏度相對(duì)靈敏度/%/% 硫化鎘硫化鎘的峰值在的峰值在可見光可見光區(qū)域，區(qū)域， 硫化鉛硫化鉛的峰值在的峰值在紅外紅外區(qū)域。區(qū)域。 選用時(shí)把元件和選用時(shí)把元件和光源結(jié)合起來(lái)考慮。光源結(jié)合起來(lái)考慮。光敏電阻對(duì)入射光的光譜具有選擇作用，即光敏電阻對(duì)不同光敏電阻對(duì)入射光的光譜具有選擇作用，即光敏電阻對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光有不同的靈敏度。光敏電阻的相對(duì)光敏靈敏度波長(zhǎng)的入射光有不同的

38、靈敏度。光敏電阻的相對(duì)光敏靈敏度與入射波長(zhǎng)的關(guān)系稱為光敏電阻的光譜特性，亦稱為光譜響與入射波長(zhǎng)的關(guān)系稱為光敏電阻的光譜特性，亦稱為光譜響應(yīng)。對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng)，光敏電阻的靈敏度是不同的，而且不應(yīng)。對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng)，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。同材料的光敏電阻光譜響應(yīng)曲線也不同。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 （4 4） 伏安特性伏安特性 在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與光電在一定照度下，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。流之間的關(guān)系稱為伏安特性。0 10 20 30 40 5050100150200250I I

39、/ A/ AU U/V/V 在一定的光照度下，在一定的光照度下，所加的電壓越高，光所加的電壓越高，光電流越大，而且沒有電流越大，而且沒有飽和的現(xiàn)象。飽和的現(xiàn)象。 在給定的電壓下，在給定的電壓下，光電流的數(shù)值將隨光光電流的數(shù)值將隨光照增強(qiáng)而增大。照增強(qiáng)而增大。但是電壓不能無(wú)限地增大，因?yàn)槿魏喂饷綦娮瓒际茴~定功率、但是電壓不能無(wú)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(guò)最高工作電壓和最大額最高工作電壓和額定電流的限制。超過(guò)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。定電流，可能導(dǎo)致光敏電阻永久性損壞。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器

40、 （5 5）頻率特性）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)時(shí)間常數(shù)表示。表示。 不同材料的光敏電阻具有不同的時(shí)間常數(shù)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)），（毫秒數(shù)量級(jí)）， 因而它們的頻率特性也就各不相同。因而它們的頻率特性也就各不相同。入射光調(diào)制頻率入射光調(diào)制頻率/Hz/Hz相對(duì)靈敏度相對(duì)靈敏度/%/% 0 10 102 103 10420406080100硫化鎘硫化鎘硫化鉛硫化鉛多數(shù)光敏電阻

41、的時(shí)間多數(shù)光敏電阻的時(shí)間常數(shù)都很大。常數(shù)都很大。所以，所以，它不能用在要求快速它不能用在要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合。響應(yīng)的場(chǎng)合。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 （6 6）溫度特性）溫度特性I / A100150200-50-1030 5010-30T/ C100204060800 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 /m/mI / mA+20 C+20 C-20 C-20 C 隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，光譜隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，光譜特性曲線的峰值向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。特性曲線的峰值向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。 提高靈敏度提高靈敏度( (接收較長(zhǎng)波段的輻射接

42、收較長(zhǎng)波段的輻射):):將元件降溫使將元件降溫使用。例如，可利用制冷器使光敏電阻的溫度降低。用。例如，可利用制冷器使光敏電阻的溫度降低。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 （7 7）穩(wěn)定性）穩(wěn)定性第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 （二）、光電池（二）、光電池 定義：定義：利用利用光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的把光直接轉(zhuǎn)變成電能的光電器件光電器件( (太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池) )。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：有有較大面積的較大面積的PNPN結(jié)結(jié)，當(dāng)光照射在，當(dāng)光照射在PNPN結(jié)上時(shí)結(jié)上時(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)。故光電池是。故光電池是有

43、源元件有源元件。 分類：分類：硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池、硫硒光電池、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)展前途的是有發(fā)展前途的是硅光電池硅光電池和和硒光電池硒光電池。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 通信衛(wèi)星上的光電池通信衛(wèi)星上的光電池 第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 硅光電池的價(jià)格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長(zhǎng)，適硅光電池的價(jià)格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長(zhǎng)，適于接受紅外光。于接受紅外光。 硒光電池的光電轉(zhuǎn)換效率低、壽命短，適于接收硒光電池的光電轉(zhuǎn)換效率低、壽命短，

44、適于接收可見光?？梢姽狻?砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性與太陽(yáng)光譜最吻合，且工作溫度最高，更耐受應(yīng)特性與太陽(yáng)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、太空宇宙射線的輻射。因此，它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測(cè)器等的電源方面應(yīng)用最廣。探測(cè)器等的電源方面應(yīng)用最廣。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 1 1、光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理、光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理A硼 擴(kuò) 散 層SiO2膜P型 電 極N型 硅 片PN結(jié)電 極AII(a)(b)下電極下電極梳狀電極梳狀電極SiOSiO2 2抗抗反射膜反射

45、膜P PN NI IU U光電池的光電池的表示符號(hào)表示符號(hào)基本基本電路電路第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 若將若將PN結(jié)兩端用結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來(lái)，電路中有導(dǎo)線連起來(lái)，電路中有電流流過(guò)，電流的方向電流流過(guò)，電流的方向由由P區(qū)流經(jīng)外電路至區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，區(qū)。若將外電路斷開，就可測(cè)出就可測(cè)出光生電動(dòng)勢(shì)。光生電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)光照到當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將結(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)出在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子電子-空穴對(duì)空穴對(duì)，在在N區(qū)聚積負(fù)區(qū)聚積負(fù)電荷，電荷，P區(qū)聚積正電荷，區(qū)聚

46、積正電荷，這樣這樣N區(qū)和區(qū)和P區(qū)之間出區(qū)之間出現(xiàn)電位差?，F(xiàn)電位差。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 （1 1）光照特性）光照特性開路電壓曲線：開路電壓曲線：光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的特性曲線，光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的特性曲線，當(dāng)照度為當(dāng)照度為2000lx2000lx時(shí)趨向飽和。時(shí)趨向飽和。短路電流曲線：短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線。光電流與照度之間的特性曲線。2. 2. 基本特性基本特性開路電壓開路電壓0.10.30.2照度照度/lx/lx0 2000 4000 光生電流光生電流/ /mAmA0.20.60.4

47、光生電壓光生電壓/ /V V短路電流短路電流第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 (2) (2) 光譜特性光譜特性 硅光電池硅光電池應(yīng)用的應(yīng)用的范圍范圍400nm1100nm，峰值波長(zhǎng)在，峰值波長(zhǎng)在850nm附附近，因此硅光電池可近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。用。 硒光電池硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長(zhǎng)在峰值波長(zhǎng)在540nm附近，附近，適宜測(cè)可見光適宜測(cè)可見光。常用于分常用于分析儀器、測(cè)量?jī)x表，析儀器、測(cè)量?jī)x表，如用照度計(jì)測(cè)定光的強(qiáng)度。如用照度計(jì)測(cè)定光的強(qiáng)度。20406080100硒硒硅硅入射光波長(zhǎng)

48、入射光波長(zhǎng) /nm/nm0 400 600 800 1000 1200相對(duì)靈敏度相對(duì)靈敏度/%/%第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 （3 3）溫度特性）溫度特性指指開路電壓開路電壓和和短路電流短路電流隨溫度變化的關(guān)系。隨溫度變化的關(guān)系。開路電壓開路電壓溫度溫度/光生電流光生電流/ /mAmA1.82.22.0光生電壓光生電壓/ /V V短路電流短路電流1002003004005000 20 40 60 80 100開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快。開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快。 關(guān)系到應(yīng)用光電池的關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測(cè)

49、量或控制精度等主響到測(cè)量或控制精度等主要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池作為測(cè)量元件時(shí)，作為測(cè)量元件時(shí)，最好能最好能保持溫度恒定，或采取溫保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。度補(bǔ)償措施。短路電流隨溫度升高而緩慢增加。短路電流隨溫度升高而緩慢增加。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 硅光電池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。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 1. 1. 光敏二極管光敏二極管 在電路中一般是處于在電路中一般是處于反向工作反向工作狀態(tài)。狀態(tài)。PN光光光敏二極管符號(hào)光敏二極管符號(hào)光敏二極管接線光敏二極管接線RL

50、光光PN（三）、光敏二極管和光敏三極管（三）、光敏二極管和光敏三極管第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 當(dāng)光照射時(shí)，光敏二當(dāng)光照射時(shí)，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)光不照射時(shí)，反向電阻很大當(dāng)光不照射時(shí)，反向電阻很大，光光敏二極管處于載止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)只敏二極管處于載止?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下，渡越阻擋層形成微小的反向電流即電流即暗電流暗電流；受光照射時(shí)，受光照射時(shí)，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子而

51、產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，從而使空穴對(duì)，從而使P區(qū)區(qū)和和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加區(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(chǎng)，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場(chǎng)的作用下，的作用下， P區(qū)的少數(shù)載流子渡區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入越阻擋層進(jìn)入N區(qū)，區(qū)， N區(qū)的少數(shù)載區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入流子渡越阻擋層進(jìn)入P區(qū)，從而使區(qū)，從而使通過(guò)通過(guò)PN結(jié)的反向電流大為增加，結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流這就形成了光電流。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 2 2、高速光電二極管、高速光電二極管P P、N N間加了層很厚的高

52、電阻率的本征半導(dǎo)體間加了層很厚的高電阻率的本征半導(dǎo)體I I。P P層做的很薄。層做的很薄。比普通的光電二極管施加較高的反偏壓。比普通的光電二極管施加較高的反偏壓。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 入射光照射在入射光照射在P P層上，層上， 由于由于P P層很薄，大量的層很薄，大量的光被較厚的光被較厚的I I層吸收，激層吸收，激發(fā)較多的載流子形成光電發(fā)較多的載流子形成光電流；又流；又PINPIN結(jié)光電二極管結(jié)光電二極管比比PNPN結(jié)光電二極管施加結(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)較高的反偏置電壓，使其耗盡層加寬。當(dāng)P P型和型和N N型型半導(dǎo)體結(jié)合后，在交

53、界處形成電子和空穴的濃度差半導(dǎo)體結(jié)合后，在交界處形成電子和空穴的濃度差別，因此，別，因此，N N區(qū)的電子要向區(qū)的電子要向P P區(qū)擴(kuò)散，區(qū)擴(kuò)散，P P區(qū)空穴向區(qū)空穴向N N區(qū)區(qū)擴(kuò)散。擴(kuò)散。偏壓偏壓價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶信號(hào)光信號(hào)光信號(hào)光信號(hào)光電極電極電極電極輸出端輸出端P I NP I N第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 P P區(qū)一邊失去空穴，區(qū)一邊失去空穴，留下帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，留下帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，N N區(qū)一邊失去電子，留下區(qū)一邊失去電子，留下帶正電的雜質(zhì)離子，在帶正電的雜質(zhì)離子，在PNPN交界面形成空間電荷交界面形成空間電荷（很薄的空間電荷區(qū)），（很薄的空間電荷區(qū)），在該區(qū)

54、域中，多數(shù)載流子已擴(kuò)散到對(duì)方而復(fù)合掉，即在該區(qū)域中，多數(shù)載流子已擴(kuò)散到對(duì)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)，耗盡層消耗盡了，耗盡層的電阻率很高。擴(kuò)散越強(qiáng)，耗盡層越寬，越寬，PNPN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，加速了光電子的定向運(yùn)動(dòng)，結(jié)內(nèi)電場(chǎng)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。大大減小了漂移時(shí)間，因而提高了響應(yīng)速度。PINPIN結(jié)光結(jié)光電二極管仍然具有一般電二極管仍然具有一般PNPN結(jié)光電二極管的線性特性。結(jié)光電二極管的線性特性。偏壓偏壓價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶信號(hào)光信號(hào)光信號(hào)光信號(hào)光電極電極電極電極輸出端輸出端P I NP I N第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器

55、光電式與光導(dǎo)式傳感器 第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 在在PNPN結(jié)的結(jié)的P P區(qū)外增加一層摻區(qū)外增加一層摻雜濃度極高的雜濃度極高的P P + +層，且在其上加層，且在其上加上上高反偏壓。高反偏壓。偏壓偏壓輸出端輸出端價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶信號(hào)光信號(hào)光信號(hào)光信號(hào)光電極電極電極電極P P+ + P NP N第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 當(dāng)光入射到當(dāng)光入射到PNPN結(jié)時(shí)，光子被吸收而產(chǎn)生電結(jié)時(shí)，光子被吸收而產(chǎn)生電子子- -空穴對(duì)。如果電壓增加到使電場(chǎng)達(dá)到空穴對(duì)。如果電壓增加到使電場(chǎng)達(dá)到200kV/cm200kV/cm以上，初始電子（一次電子）在高電以上，

56、初始電子（一次電子）在高電場(chǎng)區(qū)獲得足夠能量而加速運(yùn)動(dòng)。場(chǎng)區(qū)獲得足夠能量而加速運(yùn)動(dòng)。高速運(yùn)動(dòng)的電高速運(yùn)動(dòng)的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，產(chǎn)生子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子新的電子- -空穴對(duì)空穴對(duì)。新產(chǎn)生的二次電子再次和。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。使載流子雪崩式倍增，構(gòu)成強(qiáng)大的光電流。 第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 3 3、光敏三極管、光敏三極管PPN becNNPe bC 集電結(jié)一邊做得很大，集電結(jié)一邊做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積

57、，且以擴(kuò)大光的照射面積，且基極一般不接引線?；鶚O一般不接引線。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 普通三極管普通三極管ICIBeEBECIERCRbcbNNP第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 光敏三極管光敏三極管ICIBeEBECIERCRbcbNNP基區(qū)很??；基區(qū)很??；基極不接引線；基極不接引線；集電極面積較大。集電極面積較大。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 當(dāng)集電極加上正電壓當(dāng)集電極加上正電壓, ,基極開基極開路時(shí)路時(shí), ,集電極處于反向偏置狀態(tài)。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)當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時(shí),

58、 ,會(huì)會(huì)產(chǎn)生電子產(chǎn)生電子- -空穴對(duì)空穴對(duì), ,在內(nèi)電場(chǎng)的作用在內(nèi)電場(chǎng)的作用下下, ,光生電子被拉到集電極光生電子被拉到集電極, ,基區(qū)留基區(qū)留下空穴下空穴, ,使基極與發(fā)射極間的電壓使基極與發(fā)射極間的電壓升高升高, ,這樣便有大量的電子流向集這樣便有大量的電子流向集電極電極, ,形成輸出電流形成輸出電流, ,且集電極電流且集電極電流為光電流的為光電流的倍。倍。 RL E第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 （1 1）光譜特性）光譜特性光敏三極管的主要特性：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(zhǎng)存在一個(gè)最佳靈敏度的峰值波長(zhǎng)20406080100400800120

59、01600入射光入射光波長(zhǎng)波長(zhǎng)/nm鍺鍺硅硅相對(duì)靈敏度（相對(duì)靈敏度（%）0硅的峰值波長(zhǎng)為硅的峰值波長(zhǎng)為90009000，鍺的，鍺的峰值波長(zhǎng)為峰值波長(zhǎng)為1500015000。由于鍺管。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。的性能較差。故在可見光或探故在可見光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般選用測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般選用硅管；硅管；但對(duì)紅外線進(jìn)行探測(cè)時(shí)但對(duì)紅外線進(jìn)行探測(cè)時(shí), ,則采用鍺管較合適。則采用鍺管較合適。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 （2 2）伏安特性）伏安特性500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA0 02

60、24 46 62020404060608080光敏晶體管的伏安特性光敏晶體管的伏安特性U U/V/V 同一般晶體管在不同一般晶體管在不同的基極電流時(shí)的輸出同的基極電流時(shí)的輸出特性一樣。特性一樣。只要將入射只要將入射光照在發(fā)射極光照在發(fā)射極e e與基極與基極b b之間的之間的PNPN結(jié)附近，所產(chǎn)結(jié)附近，所產(chǎn)生的光電流看作基極電生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管?？醋饕话愕木w管。光光敏三極管能把敏三極管能把光信號(hào)變光信號(hào)變成電信號(hào)成電信號(hào)，而且輸出的，而且輸出的電信號(hào)較大。電信號(hào)較大。第七章第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器光電式與光導(dǎo)式傳感器 光敏晶體管的光