光電傳感器教材

光電傳感器光生伏特器件

光電發(fā)射器件光檢測元件分類光檢測元件分類光生伏特效應光導效應光電子發(fā)射光敏二極管（Si、Ge、CdTe）肖特基勢壘二極管（Si、Ge）PIN光敏二極管（Si、Ge）雪崩二極管（Si）掃描器、CCD、BBD、圖像傳感器（Si）紅外Ge電池（Ge-Hg、Au、Zn、Cu）光電池（CdS、CdSe、PbS、Te）光電倍增管（Cs系、K系）光電管（Ag、Cs2O-Cs）結構光電二極管是利用PN結單向導電性的結型光電器件,結構與一般二極管類似。PN結安裝在管的頂部,便于接受光照。外殼上面有一透鏡制成的窗口以使光線集中在敏感面上。為了獲得盡可能大的光生電流,PN結的面積比一般二極管要大。為了光電轉換效率高,PN結的深度較一般二極管淺。光電二極管電路原理如圖3.33所示。光電二極管可工作在兩種工作狀態(tài)。大多數(shù)情況下工作在反向偏壓狀態(tài)。光電二極管是基于半導體光伏效應而工作的。在半導體材料中,使導電類型不同的兩種材料相接觸,形成PN結。無光照時,反向偏置的PN結只有很小的反向漏電流(暗電流),形成內建電場。當光照射光電二極管,且光子能量大于PN結半導體材料的禁帶寬度,PN結各區(qū)域中的價電子吸收光能后將掙脫價鍵的束縛而成為自由電子,與此同時也產(chǎn)生一個自由空穴,這些由光照產(chǎn)生的自由電子-空穴對統(tǒng)稱為光生載流子。由于內建電場的作用,P區(qū)的光生空穴和N區(qū)的光生電子被PN結阻擋,不能進入結區(qū)。只有P區(qū)的光生電子可擴散到N區(qū)一側的結邊界,N區(qū)的光生空穴可擴散到P區(qū)一側的結邊界。同時結區(qū)產(chǎn)生的光生電子-空穴對受結電場的作用而分開,電子移向N區(qū),空穴移向P區(qū)。上述過程使得光生電子和空穴在PN結勢壘區(qū)被分開,P區(qū)和N區(qū)各自獲得光正電荷和負電荷,PN結的勢壘高度降低,形成光生電動勢,入射的光能就變成了電能。工作原理光電二極管的基本特性靈敏度光譜響應時間響應噪聲靈敏度入射到光敏面上輻射量的變化引起的電流變化與輻射量變化之比S=dI/dΦ光譜響應以等功率的不同單色輻射波長的光作用于光電二極管時，其響應程度或電流靈敏度與波長的關系。時間響應以f輻射作用于PN結光電二極管光敏面時，電流產(chǎn)生經(jīng)歷三個過程：（1）PN結區(qū)內產(chǎn)生的光生載流子渡越結區(qū)的時間td為漂移時間（2）PN結區(qū)外產(chǎn)生的光生在九子擴散到PN結區(qū)內所需的時間tp為擴散時間（3）由PN結電容c、管芯電阻Ri及負載電阻Rl構成的RC延遲時間tRC光電三極管2024/2/8基本結構光電晶體管和普通晶體管類似，也有電流放大作用。只是它的集電極電流不只是受基極電路的電流控制，也可以受光的控制。光電晶體管的外形，有光窗、集電極引出線、發(fā)射極引出線和基極引出線（有的沒有）。制作材料一般為半導體硅，管型為NPN型，國產(chǎn)器件稱為3DU系列。光電晶體管的靈敏度比光電二極管高，輸出電流也比光電二極管大，多為毫安級。但它的光電特性不如光電二極管好，在較強的光照下，光電流與照度不成線性關系。所以光電晶體管多用來作光電開關元件或光電邏輯元件。正常運用時，集電極加正電壓。因此，集電結為反偏置，發(fā)射結為正偏置，集電結為光電結。當光照到集電結上時，集電結即產(chǎn)生光電流Ip向基區(qū)注入，同時在集電極電路即產(chǎn)生了一個被放大的電流Ic（＝Ie＝（1＋β）Ip）β為電流放大倍數(shù)。因此，光電晶體管的電流放大作用與普通晶體管在上偏流電路中接一個光電二極管的作用是完全相同的。發(fā)射極集電極基極發(fā)射極集電極光電三極管的工作原理cbeIcIpIbVo光敏三極管的結構原理、工作原理和電氣圖形符號光電三極管的工作原理工作過程：一、光電轉換；二、光電流放大VCCVCC基本應用電路達林頓光電三極管電路為了提高光電三極管的頻率響應、增益和減小體積。將光電二極管、三極管制作在一個硅片上構成集成器件光電三極管的主要特性：光電三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。當入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降。因為光子能量太小，不足以激發(fā)電子空穴對。當入射光的波長縮短時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對不能到達PN結，因而使相對靈敏度下降。光譜特性入射光硅鍺λ/nm400080001200016000相對靈敏度/%10080604020

0硅的峰值波長為900nm，鍺的峰值波長為1500nm。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。伏安特性伏安特性光電三極管的伏安特性曲線如圖所示。光電三極管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特性一樣。因此，只要將入射光照在發(fā)射極e與基極b之間的PN結附近，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。光電三極管能把光信號變成電信號，而且輸出的電信號較大。I/mA024620406080U/V500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/μAL/lx200400600800100001.02.03.0光敏晶體管的光照特性光電三極管的光照特性如圖所示。它給出了光敏三極管的輸出電流I和照度之間的關系。它們之間呈現(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，從而使光電三極管既可作線性轉換元件，也可作開關元件。光照特性暗電流/mA1020305070T/oC25

0504060光電流/mA100

02003004008010203040506070T/oC光電三極管的溫度特性光電三極管的溫度特性曲線反映的是光電三極管的暗電流及光電流與溫度的關系。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。溫度特性光電三極管的頻率特性曲線如圖所示。光電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，光電三極管的頻率響應比光電