传感器原理与应用第八章 光电传感器PPT讲稿.ppt

传感器原理与应用第八章 光电传感器第1页，共99页，编辑于2022年，星期三第八章 光电传感器 光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化再转换成电量的传感光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化再转换成电量的传感光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化再转换成电量的传感光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化再转换成电量的传感器，它的物理基础是光电效应。具有结构简单、性能可靠、精度高、器，它的物理基础是光电效应。具有结构简单、性能可靠、精度高、器，它的物理基础是光电效应。具有结构简单、性能可靠、精度高、器，它的物理基础是光电效应。具有结构简单、性能可靠、精度高、反应快等优点，在现代测量和自动控制系统中，应用非常广泛，是一反应快等优点，在现代测量和自动控制系统中，应用非常广泛，是一反应快等优点，在现代测量和自动控制系统中，应用非常广泛，是一反应快等优点，在现代测量和自动控制系统中，应用非常广泛，是一种很有发展前途的新型传感器。种很有发展前途的新型传感器。种很有发展前途的新型传感器。种很有发展前途的新型传感器。n n 一般由光源、光学器件、光电元件三部分组成，光源发射出一一般由光源、光学器件、光电元件三部分组成，光源发射出一一般由光源、光学器件、光电元件三部分组成，光源发射出一一般由光源、光学器件、光电元件三部分组成，光源发射出一定光通量的光线，由光电元件接受，在检测时，被测量使光源发射定光通量的光线，由光电元件接受，在检测时，被测量使光源发射定光通量的光线，由光电元件接受，在检测时，被测量使光源发射定光通量的光线，由光电元件接受，在检测时，被测量使光源发射出的光通量变化，因而使接受光通量的光电元件的输出电量也发生出的光通量变化，因而使接受光通量的光电元件的输出电量也发生出的光通量变化，因而使接受光通量的光电元件的输出电量也发生出的光通量变化，因而使接受光通量的光电元件的输出电量也发生变化，实现将被测量转换成电量。输出的电量可以是模拟量，也可变化，实现将被测量转换成电量。输出的电量可以是模拟量，也可变化，实现将被测量转换成电量。输出的电量可以是模拟量，也可变化，实现将被测量转换成电量。输出的电量可以是模拟量，也可以是数字量。以是数字量。以是数字量。以是数字量。第2页，共99页，编辑于2022年，星期三n n光是一种电磁波，不同波长的光分布如图光是一种电磁波，不同波长的光分布如图光是一种电磁波，不同波长的光分布如图光是一种电磁波，不同波长的光分布如图n n这些光的频率（波长）虽然不相同，但都有反射、折射、散射、这些光的频率（波长）虽然不相同，但都有反射、折射、散射、这些光的频率（波长）虽然不相同，但都有反射、折射、散射、这些光的频率（波长）虽然不相同，但都有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。衍射、干涉和吸收等性质。衍射、干涉和吸收等性质。衍射、干涉和吸收等性质。第3页，共99页，编辑于2022年，星期三光电传感器常用光源有：光电传感器常用光源有：白帜灯光源、气体放电光源（碳灯、低压高压水银灯、钠弧灯、白帜灯光源、气体放电光源（碳灯、低压高压水银灯、钠弧灯、汕弧灯）、气体激光器（氦氖、二氧化碳、氩离子激光器）、固汕弧灯）、气体激光器（氦氖、二氧化碳、氩离子激光器）、固态激光器、半导体激光器、发光二极管等。态激光器、半导体激光器、发光二极管等。第一节第一节 常用光电器件常用光电器件 光是由具有一定能量的粒子组成，根据爱因斯坦光粒子光是由具有一定能量的粒子组成，根据爱因斯坦光粒子学说，学说，每个光子所具有的能量每个光子所具有的能量E E 与其频率与其频率f f 的大小成正比的大小成正比（即（即E E =hfhf，式中，式中h h=6.62610=6.62610-34-34JSJS，为普朗克常数）。，为普朗克常数）。光照射在光照射在物体上可看成一连串具有能量的光子对物体的轰击，物体吸物体上可看成一连串具有能量的光子对物体的轰击，物体吸收光子能量而产生相应的电效应，即光电效应收光子能量而产生相应的电效应，即光电效应。这是实现光。这是实现光电转换的物理基础。光电器件的作用原理是基于一些物质的光电效电转换的物理基础。光电器件的作用原理是基于一些物质的光电效应。应。第4页，共99页，编辑于2022年，星期三 光电效应依其表现形式的不同，通常可分为三大类。光电效应依其表现形式的不同，通常可分为三大类。光电导效应光电导效应光照改变半导体的导电率光照改变半导体的导电率，从而引起半，从而引起半导体电阻值的变化效应，光敏电阻属于这类光电效应器件。导体电阻值的变化效应，光敏电阻属于这类光电效应器件。光生伏特效应光生伏特效应光照改变半导体光照改变半导体PNPN结电场结电场，从而引起，从而引起PNPN结电势的变化效应，故又称结电势的变化效应，故又称PNPN结光电效应，光电池、光敏结光电效应，光电池、光敏晶体管等属于这类光电效应器件。晶体管等属于这类光电效应器件。光电发射效应光电发射效应某些物质（如金属丝）在光的照射下，某些物质（如金属丝）在光的照射下，能从表面向外部发射电子的现象能从表面向外部发射电子的现象，称之为光电发射效应，利，称之为光电发射效应，利用这种效应制作的光电器件有光电管和光电倍增管。用这种效应制作的光电器件有光电管和光电倍增管。光电发射效应发生在物体的表面，因而又称之为光电发射效应发生在物体的表面，因而又称之为外光电效应外光电效应；相应地，光电导效应和光生伏特效应被称为相应地，光电导效应和光生伏特效应被称为内光电效应内光电效应。本。本文下面仅介绍几种常见的内光电效应器件及其应用。文下面仅介绍几种常见的内光电效应器件及其应用。第5页，共99页，编辑于2022年，星期三n n从阴极开始及在每个倍增极间依次加上加速电压，设每极倍从阴极开始及在每个倍增极间依次加上加速电压，设每极倍从阴极开始及在每个倍增极间依次加上加速电压，设每极倍从阴极开始及在每个倍增极间依次加上加速电压，设每极倍增率为增率为增率为增率为 ，经过经过经过经过NN次倍增极后，光电倍增管的光电流倍增到次倍增极后，光电倍增管的光电流倍增到次倍增极后，光电倍增管的光电流倍增到次倍增极后，光电倍增管的光电流倍增到NN。称为二次电子反射比。因此，有非常小的光功率输入称为二次电子反射比。因此，有非常小的光功率输入称为二次电子反射比。因此，有非常小的光功率输入称为二次电子反射比。因此，有非常小的光功率输入可得到相当大的电流。可得到相当大的电流。可得到相当大的电流。可得到相当大的电流。第6页，共99页，编辑于2022年，星期三 半导体光电导效应内部机理如图半导体光电导效应内部机理如图8 81 1所示。所示。一、光敏电阻一、光敏电阻 1 1光敏电阻的光电效应光敏电阻的光电效应 光敏电阻是典型的光电导效应器件。无光照时，其阻值很高；光敏电阻是典型的光电导效应器件。无光照时，其阻值很高；有光照时，其阻值大大下降，光照越强阻值越低；光照停止，又恢有光照时，其阻值大大下降，光照越强阻值越低；光照停止，又恢复高阻状态。复高阻状态。图81 光电导效应能带图第7页，共99页，编辑于2022年，星期三 半导体受光照时，其共价键中的价电子吸收光子能量，由价带穿越共价键中的价电子吸收光子能量，由价带穿越禁带到达导带，成为光生自由电子禁带到达导带，成为光生自由电子，使得半导体中自由电子空穴对增加，导电率提高，电阻值下降。光照停止时，失去光子能量的光生自由电子又重新迭落回价带与空穴复合，自由电子空穴对减少，导电率下降，电阻值提高。图中E Eg g称为禁带宽度称为禁带宽度，价电子吸收的光子能量E Eg时，才能穿越禁带成为自由电子。光照越强、具有能量E的光子数越多，光生自由电子-空穴对越多，电阻值越小。光照停止或光强减小使EEg时，光生自由电子又迭回价带成为价电子，使电阻值增加或恢复高阻状态。n每个光子所具有的能量每个光子所具有的能量E E数学表达式：n E=hf=hc/频率越高，或波长越短，光子所具有的能量就越大。光子所具有的能量就越大。产生自由光生电子的入射光临界波长产生自由光生电子的入射光临界波长0为 满足 EEg 有 0 1242/Eg(nm)Si的禁带宽度Eg为1.2ev,Ge0.75ev,硫化镉cds2.4ev,CdSe1.8ev第8页，共99页，编辑于2022年，星期三n n说明：说明：n n 1 1、光照越强，表明具有、光照越强，表明具有、光照越强，表明具有、光照越强，表明具有hfhf能量的光子数越多，能量的光子数越多，能量的光子数越多，能量的光子数越多，n n 价带电子吸收光子能量的机会越多，成为导价带电子吸收光子能量的机会越多，成为导价带电子吸收光子能量的机会越多，成为导价带电子吸收光子能量的机会越多，成为导 n n 带电子机会越，电导率越大。带电子机会越，电导率越大。带电子机会越，电导率越大。带电子机会越，电导率越大。n n 2 2、空穴在价带内运动参与导电；电子在导带内、空穴在价带内运动参与导电；电子在导带内、空穴在价带内运动参与导电；电子在导带内、空穴在价带内运动参与导电；电子在导带内n n 运动参与导电；运动参与导电；运动参与导电；运动参与导电；n n n n 紫外光光子能量大于红外光电子能量。紫外光光子能量大于红外光电子能量。紫外光光子能量大于红外光电子能量。紫外光光子能量大于红外光电子能量。第9页，共99页，编辑于2022年，星期三 图图8 82 2是光敏电阻光电效应实验电路是光敏电阻光电效应实验电路，当偏压，当偏压U U 一定时，一定时，检流计指示电流检流计指示电流I I 的大小决定于光敏电阻上的光照强度。的大小决定于光敏电阻上的光照强度。图82 光敏电阻光电效应实验电路第10页，共99页，编辑于2022年，星期三 无光照时无光照时，检流计指示的电流很小，此时的电流称之为，检流计指示的电流很小，此时的电流称之为暗电暗电流流；此时光敏电阻的阻值很高，相应称之为；此时光敏电阻的阻值很高，相应称之为暗电阻暗电阻，暗电阻，暗电阻通常为兆欧级。通常为兆欧级。有光照时有光照时，检流计指示的电流较大，此电流称之为，检流计指示的电流较大，此电流称之为亮电流亮电流；此时，光敏电阻的阻值显著减小，相应称之为此时，光敏电阻的阻值显著减小，相应称之为亮电亮电阻阻，亮电阻一般为千欧以内。，亮电阻一般为千欧以内。由光照所产生的自由电子由光照所产生的自由电子空穴流称之为空穴流称之为光电流光电流，显然，显然光光电流是亮电流与暗电流之差电流是亮电流与暗电流之差，由于暗电流很小，在工程分析时，由于暗电流很小，在工程分析时可把亮电流看成光电流。可把亮电流看成光电流。第11页，共99页，编辑于2022年，星期三 2 2光敏电阻种类光敏电阻种类 光敏电阻是一个纯电阻性两端器件，适用于交、直流电路，光敏电阻是一个纯电阻性两端器件，适用于交、直流电路，因而应用广泛，种类很多。对光照敏感的半导体光敏元件都可因而应用广泛，种类很多。对光照敏感的半导体光敏元件都可以制成光敏电阻，目前人类已开发应用的光波频谱范围为以制成光敏电阻，目前人类已开发应用的光波频谱范围为0.1HZ0.1HZ10102121HZHZ，相应的波长为，相应的波长为3103109 9m m0.3Pm0.3Pm。半导体光敏元半导体光敏元件的敏感光波长为纳米波件的敏感光波长为纳米波，按其最佳工作波长范围可分为三类。，按其最佳工作波长范围可分为三类。（1 1）对紫外光敏感元件对紫外光敏感元件 紫外光紫外光是指紫外线（波长是指紫外线（波长=10=10380nm380nm）的内侧光波，）的内侧光波，波长波长约约300300380nm380nm。对这类光敏感的材料有氧化锌（。对这类光敏感的材料有氧化锌（ZnOZnO）、硫化）、硫化锌（锌（ZnSZnS）、硫化镉（）、硫化镉（CdSCdS）、硒化镉（）、硒化镉（CdSeCdSe）等，这类敏感元）等，这类敏感元件适于作件适于作、射线检测及光电控制电路。射线检测及光电控制电路。第12页，共99页，编辑于2022年，星期三 （2 2）对可见光敏感元件对可见光敏感元件 可见光波长范围约可见光波长范围约380380760nm760nm，对这类光敏感的材料有硒，对这类光敏感的材料有硒（SeSe）、硅（）、硅（SiSi）、锗（）、锗（GeGe）及硫化铊（）及硫化铊（TiSTiS）、硫化镉（）、硫化镉（CdSCdS）等，尤其是）等，尤其是TiSTiS光敏元件，它既适用于可见光，也适用于红光敏元件，它既适用于可见光，也适用于红外光。这类敏感元件适用了光电计数、光电耦合、光电控制外光。这类敏感元件适用了光电计数、光电耦合、光电控制等场合。等场合。（3 3）对红外光敏感元件对红外光敏感元件 红外光红外光是红外线（波长是红外线（波长=760=7601101106 6nmnm）的内侧光波，）的内侧光波，波长约波长约7607606000nm6000nm。对这类光敏感的材料有硫化铅（。对这类光敏感的材料有硫化铅（PbSPbS）、硒）、硒化铅（化铅（PbSePbSe）、锑化铟（）、锑化铟（InSbInSb）等，这类敏感元件主要用来探）等，这类敏感元件主要用来探测不可见目标。测不可见目标。第13页，共99页，编辑于2022年，星期三图83 部分光敏元件的光谱特性 3 3光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性 （1）光谱（响应）特性 光光敏敏电电阻阻的的光光谱谱特特性性是是指指光光电电流流对对不不同同波波长长单单色色光光的的相相对对灵灵敏敏度度。图图8 83 3表表示示部部分分光光敏敏元元件件的的光光谱谱特特性性，其其中中硫硫化化锌锌对对波波长长为为300nm300nm左左右右的的紫紫外外光光最最敏敏感感；硫硫化化镉镉光光敏敏波波长长的的峰峰值值在在670nm670nm左左右右；硫硫化化铊铊的的敏敏感感波波长长范范围围很很宽宽，约约3003001400nm1400nm，其其峰峰值值波波长长为为1000nm1000nm左左右右；硫硫化化铅铅具具有有很很宽宽的的敏敏感感波波长长范范围围，其峰值波长约其峰值波长约2300nm2300nm。（。（0.70.7峰值左右为敏感波长峰值范围）峰值左右为敏感波长峰值范围）第14页，共99页，编辑于2022年，星期三 （2 2）光照特性光照特性 光敏电阻的光照特性是指在光敏电阻的光照特性是指在一定的电压下一定的电压下，光电流光电流I I 与光照强度与光照强度E E 的关系的关系。如图。如图8 84 4所示，光敏电阻具有很高所示，光敏电阻具有很高的光照灵敏度，且具有明显的非线性，可作控制元件，不的光照灵敏度，且具有明显的非线性，可作控制元件，不宜作计量元件。宜作计量元件。图84 光敏电阻的光照特性 光照强度(照度)是物体被照明的程度，也即物体表面所得到的光通量与被照面积之比，单位是Ix(l勒克斯是1流明的光通量均匀照射在1平方米面积上所产生的照度)光照强度的测量用照度计。第15页，共99页，编辑于2022年，星期三 （3 3）伏安特性伏安特性 光敏电阻的伏安特性是指在光敏电阻的伏安特性是指在一定强度的光照下一定强度的光照下，光敏光敏电阻的端电压与光电流的关系电阻的端电压与光电流的关系。如图。如图8 85 5所示，伏安特性所示，伏安特性是一个线性关系特性，但不同材料的光敏电阻具有不同的是一个线性关系特性，但不同材料的光敏电阻具有不同的伏安特性，且各类光敏电阻都有最大允许功耗和最大允许伏安特性，且各类光敏电阻都有最大允许功耗和最大允许电压的要求，超过此极限值将会导致元件永久性损坏。电压的要求，超过此极限值将会导致元件永久性损坏。图85 光敏电阻的伏安特性 第16页，共99页，编辑于2022年，星期三 (4(4）频频率特性率特性 频频率特性系指光敏率特性系指光敏电电阻上的阻上的光光电电流流对对入射光入射光调调制制频频率率的响的响应应特性特性。如。如图图8 86 6所示，一般来所示，一般来说说，调调制制频频率率f f 越高，越高，电电流相流相对对灵敏度灵敏度K Kr r 越低，越低，这这反映光敏元件具有一定的惰性，反映光敏元件具有一定的惰性，有的材料光响有的材料光响应时间应时间达几百毫秒。光敏达几百毫秒。光敏电电阻的响阻的响应时间应时间不不但与元件的材料有关，而且但与元件的材料有关，而且还还与光照与光照强强弱有关，光照越弱有关，光照越强强，响响应应的的时间时间越短。越短。图86 光敏电阻的频率特性光照，产生自由电子空穴对；光照停止，电子空穴复合，需要一定时间，第17页，共99页，编辑于2022年，星期三 （5 5）温度特性温度特性 温度特性系指温度特性系指光敏光敏电电阻工作特性受温度的影响阻工作特性受温度的影响。例如。例如温度升高温度升高时时，它的暗，它的暗电电阻减小，即暗阻减小，即暗电电流增加、灵敏度下流增加、灵敏度下降。同降。同时时，温度上升，温度上升还还引起光引起光谱谱特性曲特性曲线线左移，左移，导导致光敏致光敏电电阻敏感波阻敏感波长长减小。减小。图图8 87 7是硫化是硫化铅铅光光谱谱温度特性。温度特性。图87 硫光铅光谱温度特性 第18页，共99页，编辑于2022年，星期三第19页，共99页，编辑于2022年，星期三n n灯光控制器安装在驾驶室仪表板上方。傍晚尾灯亮，光线更灯光控制器安装在驾驶室仪表板上方。傍晚尾灯亮，光线更暗前灯亮。会车时，还具有自动变光功能。暗前灯亮。会车时，还具有自动变光功能。第20页，共99页，编辑于2022年，星期三第21页，共99页，编辑于2022年，星期三 当光照射到PN结上时，如果光子能量足够大，就将在PN结附近激发出大量的电子空穴对。在在PNPN结电场作用下，结电场作用下，N N区的区的光生空穴被拉光生空穴被拉向向P P区，区，P P区的光生电子区的光生电子被拉向被拉向N N区区；其结果在P区聚积正电荷，带正电，在N区聚积负电荷，带负电，即在P区和N区间形成一定伏特数的电位差，称之为光生电势。图88 光电池的光电效应 二、光电池二、光电池 1 1光光电电池的光池的光电电效效应应 光光电电池是典型的光生伏特效池是典型的光生伏特效应应器件器件。无光照。无光照时时，两，两浓浓度差很大的度差很大的杂质杂质半半导导体体P P和和N N因因扩扩散运散运动动形成一个大面形成一个大面积积的的PNPN结结，PNPN结电场结电场方向是由方向是由N N区指向区指向P P区，如区，如图图8 88 8所示。所示。当光照射到当光照射到PNPN结上时，如果光子能量足够大，就将在结上时，如果光子能量足够大，就将在PNPN结附近激发出大量的电子结附近激发出大量的电子空穴对。空穴对。在在PNPN结电场作用下，结电场作用下，N N区的光生空穴被拉区的光生空穴被拉向向P P区，区，P P区的光生电子区的光生电子被拉向被拉向N N区区；其结果在；其结果在P P区区聚积正电荷，带正电，在聚积正电荷，带正电，在N N区聚积负电荷，带负电，区聚积负电荷，带负电，即在即在P P区和区和N N区间形成一定区间形成一定伏特数的电位差，称之伏特数的电位差，称之为光生电势。为光生电势。图88 光电池的光电效应第22页，共99页，编辑于2022年，星期三第23页，共99页，编辑于2022年，星期三 2 2光电池的基本特性光电池的基本特性 光光电电池池的的种种类类很很多多，如如硒硒光光电电池池、锗锗光光电电池池、硅硅光光电电池池、砷砷化化镓镓光光电电池池、氧氧化化亚亚铜铜光光电电池池等等。不不同同种种类类光光电电池池性性能能差差异异很很大大，其其中中硅硅光光电电池池性性能能最最好好，其其光光谱谱范范围围宽宽、频频率率特特性性好好、换换能能效效率率高，且工作性能稳定。高，且工作性能稳定。（1 1）光谱特性光谱特性 光电池对不同波长光的灵敏度是不同的，不同材料的光电池光电池对不同波长光的灵敏度是不同的，不同材料的光电池对入射光波长的敏感范围是不同的，图对入射光波长的敏感范围是不同的，图8 89 9为硅光电池和硒光电为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。池的光谱特性曲线。第24页，共99页，编辑于2022年，星期三 从图中可知，从图中可知，硅光电池敏感波长范围是硅光电池敏感波长范围是4504501100nm1100nm，峰值波，峰值波长为长为800nm800nm；硒光电池敏感波长范围是；硒光电池敏感波长范围是380380750nm750nm，峰值波长，峰值波长在在500500附近。可见，硅光电池适应光波长的范围比硒光电池宽附近。可见，硅光电池适应光波长的范围比硒光电池宽得很多。得很多。图89光电池的光谱特性 第25页，共99页，编辑于2022年，星期三 （2 2）光照特性光照特性 光光电电池池在在不不同同光光照照强强度度下下，有有不不同同的的光光生生电电势势或或光光生生电流，图电流，图8 81010所示为硅光电池的光照特性。所示为硅光电池的光照特性。图810 硅光电池光照特性第26页，共99页，编辑于2022年，星期三 图中图中短路电流是指光电流输出端短路时的电流，即光生电流短路电流是指光电流输出端短路时的电流，即光生电流。硅光电池短路电流密度约为硅光电池短路电流密度约为151530mA/cm30mA/cm2 2，此电流在很宽的光照，此电流在很宽的光照范围内都具有线性关系，因而范围内都具有线性关系，因而光电池宜作电流源使用光电池宜作电流源使用。图图中中开开路路电电压压是是指指光光电电池池输输出出端端开开路路时时的的电电压压，即即光光生生电电势势。单单片片硅硅光光电电池池的的开开路路电电压压约约为为0.450.450.6V0.6V，此此电电压压在在20002000L LX X以以内内光光照照下下趋趋于于线线性性，在在20002000L LX X以以上上为为非非线线性性，因因而而光光电电池池不不宜宜作电压源使用作电压源使用。图图8 81111是光电池是光电池开路电压和短路电流开路电压和短路电流的实验电路。在此的实验电路。在此实验实验电路中，忽略了电路中，忽略了光电池光电池PNPN结结电容及结结电容及PNPN结漏电流的影响。结漏电流的影响。第27页，共99页，编辑于2022年，星期三 光电池的开路电压等于图（光电池的开路电压等于图（a a）中的光生电势）中的光生电势E E，光电，光电池的短路电流等于图（池的短路电流等于图（b b）中的光生电流）中的光生电流I IS S。实验表明，。实验表明，负载电阻负载电阻R RL L越小，光照特性的线性关系越好越小，光照特性的线性关系越好，因而在使用，因而在使用中应尽量选择负载电阻小的场合。硒光电池具有与硅光电中应尽量选择负载电阻小的场合。硒光电池具有与硅光电池相似的光照特性。池相似的光照特性。图8-11 光电池光照特性实验电路（a）开路电压 （b）短路电流第28页，共99页，编辑于2022年，星期三 （3 3）频率特性频率特性 光电池输出光电流随入射光调制频率的关系如图光电池输出光电流随入射光调制频率的关系如图8 81212所示。由图可知，所示。由图可知，硅光电池具有较稳定的频率特性硅光电池具有较稳定的频率特性，适，适用于作高速计数的运算器电池。用于作高速计数的运算器电池。图812 光电池的频率特性第29页，共99页，编辑于2022年，星期三 （4 4）温度特性温度特性 温温度度特特性性是是描描述述光光电电池池的的开开路路电电压压和和短短路路电电流流随随温温度度变变化化的的关关系系。图图8 81313是是硅硅光光电电池池在在10001000L LX X照照度度下下的的温温度度特性。特性。图813 硅光电池的温度特性第30页，共99页，编辑于2022年，星期三 由由图图可可知知，硅硅光光电电池池的的开开路路电电压压随随温温度度升升高高而而迅迅速速下下降降，温温度度每每上上升升11，开开路路电电压压约约降降低低3mV3mV。硅硅光光电电池池的的短短路路电电流流随随温温度度升升高而缓慢上升高而缓慢上升，温度每上升，温度每上升11，短路电流约增加，短路电流约增加2A2A。由由于于温温度度变变化化对对光光电电池池的的光光电电转转换换性性能能影影响响很很大大，因因而而光光电电池池在在作作为为测测量量元元件件使使用用时时，一一定定要要有有恒恒温温或或温温度度补补偿偿措措施施。同同时时，在在强强光光照照射射时时必必须须考考虑虑光光电电池池PNPN结结的的热热容容限限及及散散热措施。通常，硅光电池使用温度不允许超过热措施。通常，硅光电池使用温度不允许超过125125。第31页，共99页，编辑于2022年，星期三n n光电池种类很多，但主要的是硅光电池。光电池种类很多，但主要的是硅光电池。国产系列有方型和圆型。适用于光电检测，国产系列有方型和圆型。适用于光电检测，近红外探测，光电读出，光电耦合，光栅近红外探测，光电读出，光电耦合，光栅测距，光电开关，硅蓝光电池作色探测器，测距，光电开关，硅蓝光电池作色探测器，及太阳能电池等。及太阳能电池等。第32页，共99页，编辑于2022年，星期三 三、光敏二极管和光敏晶体管三、光敏二极管和光敏晶体管 1 1光敏管的光电效应光敏管的光电效应 光光敏敏二二极极管管和和光光敏敏晶晶体体管管也也是是典典型型的的光光生生伏伏特特性性效效应应器器件件。图图8 81414是光敏二极管的原理结构和基本电路。是光敏二极管的原理结构和基本电路。图814 光敏二极管原理结构和基本电路第33页，共99页，编辑于2022年，星期三第34页，共99页，编辑于2022年，星期三 工作于反向偏置状态工作于反向偏置状态下的下的光敏二极管具有典型的光生伏特效光敏二极管具有典型的光生伏特效应应。无光照射时，处于反偏状态下的光敏二极管呈高阻截止状。无光照射时，处于反偏状态下的光敏二极管呈高阻截止状态，只有少数载流子形成极小的暗电流。态，只有少数载流子形成极小的暗电流。当有光照射时，光生当有光照射时，光生电子和空穴在电子和空穴在PNPN结电场和外加反向偏压的共同作用下，形成光结电场和外加反向偏压的共同作用下，形成光电流电流I I。光照越强，光激发的光生电子和空穴越多，形成的光电。光照越强，光激发的光生电子和空穴越多，形成的光电流越大，光敏二极管呈低阻导通状态。流越大，光敏二极管呈低阻导通状态。第35页，共99页，编辑于2022年，星期三 图图8 81515是光敏晶体管的原理结构和基本电路。是光敏晶体管的原理结构和基本电路。图815 光敏晶体管原理结构和基本电路第36页，共99页，编辑于2022年，星期三 光光敏敏晶晶体体管管是是在在光光敏敏二二极极管管的的基基础础上上，为为了了获获得得更更大大的的电电流流增增益益，根根据据一一般般三三极极管管的的电电流流放放大大原原理理，利利用用硅硅或或锗锗单单晶晶制制成成的的NPNNPN或或PNPPNP结结构构。如如图图8 81515所所示示，光光敏敏晶晶体体管管亦亦有有发发射射区区、基基区区和和集集电电区区，基基区区是是受受光光区区，为为了了扩扩大大光光的的照照射射面面，基基区区的的面面积积比比较较大大。光光敏敏晶晶体体管管的的基基区区通通常常无无电电极极引引线线，工工作作时时相相当当于于基基极极开开路路，因因而而无无光光照照射射，只只能能形形成成很很小小的的暗暗电电流流。当当有有光光照照射射时时，基基区区产产生生的的光光生生电电子子和和空空穴穴形形成成基基极极电电流流，此此电电流流在在外外加加集集电电结结反反偏偏电电压压作作用用下下，放放大大而而成成为为集集电电极极电电流流。由由此此可可见见光光敏敏晶晶体体管管有有光光照照时时的的输输出出电电流流是是光光生生电电流流的的倍倍，因因而而有有比比光光敏敏二二极极管更高的灵敏度管更高的灵敏度。第37页，共99页，编辑于2022年，星期三 2 2光敏管的基本特性光敏管的基本特性 （1 1）光谱特性光谱特性 光敏二极管和光敏晶体管都是由硅或锗材料作敏感元光敏二极管和光敏晶体管都是由硅或锗材料作敏感元件，这两种敏感元件的光谱特性如图件，这两种敏感元件的光谱特性如图8 81616所示。所示。图816 光敏管的光谱特性 锗管的敏感波长范锗管的敏感波长范围是围是5005001800nm1800nm，峰值，峰值波长约为波长约为1500nm1500nm。显然。显然锗管的敏感范围比硅管锗管的敏感范围比硅管大，由于锗管温度性能大，由于锗管温度性能比较差，因而测可见光比较差，因而测可见光时，主要用硅管，探测时，主要用硅管，探测红外光时，主要用锗管红外光时，主要用锗管。第38页，共99页，编辑于2022年，星期三 （2）光照特性 光敏二极管与光敏晶体管的光照特性有明显不同，以硅管为例如图817所示。光敏二极管的光照特性近似为线性关系光敏二极管的光照特性近似为线性关系；光敏晶体管的光照特性为光敏晶体管的光照特性为非线性非线性，照度较小时，光电流随光照度加强而缓慢增加，当光照度较大时，光电流又趋于饱和。放大倍数在小电流和大电流时都要下降的缘故，光敏晶体管不利于弱光和强光检测。（a）光敏二极管 （b）光敏晶体管 图817 硅光敏管的光照特性第39页，共99页，编辑于2022年，星期三 （3）伏安特性 图818为硅光敏管在不同照度下的伏安特性。由图可见光敏管的输出电流与所加的偏置电压关系不大，具有近似的恒流特性具有近似的恒流特性；光敏晶光敏晶体管比光敏二极管的光电流大近百倍体管比光敏二极管的光电流大近百倍，因而具有更高的灵敏度；光敏二极管在零偏压下就有一定的电流输出，光敏晶体管有一段死区电压。（a）光敏二极管 （b）光敏晶体管 图818 硅光敏管的伏安特性第40页，共99页，编辑于2022年，星期三 （4）频率特性 光敏二极管的频率特性较好光敏二极管的频率特性较好，是半导体光敏器件中最好的一种，其响应速度达0.1s，截止频率高，适用于快速变化的光调制信号。光敏晶体管由于基区面积大，载流子穿越基区所需的时间长，因而其频率特性比二极管差。无论是哪一类光敏管，其负载电阻越大，无论是哪一类光敏管，其负载电阻越大，频率特性愈差频率特性愈差，图819 硅光敏晶体管频率特性 图819为硅光敏晶体管的频率特性。锗光敏管比硅光敏管频率特性差。第41页，共99页，编辑于2022年，星期三 （5）温度特性 无论是硅管还是锗管，对温度的变化都比较敏感，温温度度升升高高，热热激激发发产产生生的的电电子子空空穴穴对对增增加加，使使暗暗电电流流上上升升。尤其是锗管，其暗电流较大，温度特性较差，如图820（a）所示。温温度度升升高高对对光光电电流流影影响响不不大大，如图820（b）所示。对对于于在在高高温温低低照照度度下下工工作作的的光光敏敏晶晶体体管管，此此时时暗暗电电流流上上升升、亮亮电电流流下下降降，使使信信噪噪比比减减小小；为为了了提提高高信信噪噪比比，应应采取相应的温度补偿或降温措施采取相应的温度补偿或降温措施。图820 光敏管的温度特性第42页，共99页，编辑于2022年，星期三 四、常用光电器件的应用四、常用光电器件的应用 常常用用光光电电器器件件用用途途很很广广，可可组组成成各各种种实实用用的的光光电电传传感感器器，下面仅举几例。下面仅举几例。1 1光电耦合器光电耦合器 光光电电耦耦合合器器是是由由一一个个发发光光器器件件和和一一个个光光电电转转换换器器件件组组成成，一一般般用用金金属属或或塑塑料料外外壳壳封封装装。其其中中发发光光器器件件通通常常都都是是发发光光二二极极管管，光光电电转转换换器器件件一一般般是是光光敏敏二二极极管管或或光光敏敏晶晶体体管管，如如图图8 82121所所示。示。第43页，共99页，编辑于2022年，星期三 图821 光电耦合器的组合形式（a）通用光耦（b）高速光耦（c）高效光耦（d）高速高效率光耦第44页，共99页，编辑于2022年，星期三 （1 1）光电转换器光电转换器 光电耦合器按光电转换器的不同可分为四种类型光电耦合器按光电转换器的不同可分为四种类型，如图，如图8 82121所示。图中（所示。图中（a a）的光电转换器是一只光敏晶体管，这种）的光电转换器是一只光敏晶体管，这种光耦结构简单、成本低，常用于光耦结构简单、成本低，常用于50KHZ50KHZ以下工作频率，称之为以下工作频率，称之为通通用光耦用光耦。图中（。图中（b b）的光电转换器是由一只光敏二极管和一只高速）的光电转换器是由一只光敏二极管和一只高速开关管组成，由于光敏二极管比光敏三极管的响应速度快得多，光开关管组成，由于光敏二极管比光敏三极管的响应速度快得多，光敏二极管与高速开关管配合，可获得敏二极管与高速开关管配合，可获得1 1s s左右的响应速度，故称左右的响应速度，故称这种光耦为这种光耦为高速光耦高速光耦。图中（。图中（c c）的光电转换器是由一只光敏）的光电转换器是由一只光敏晶体管和一只放大管组成，此时虽然入射的光很小，但输出晶体管和一只放大管组成，此时虽然入射的光很小，但输出电流可达几十电流可达几十mAmA，故称其为，故称其为高效光耦高效光耦，可以直接驱动后级电路，可以直接驱动后级电路或执行器。图中（或执行器。图中（d d）的光电转换器是一个具有高速、高效率的）的光电转换器是一个具有高速、高效率的固态光电转换器件，固态光电转换器件，称之为称之为高速高效光耦高速高效光耦，用于高速大功率电用于高速大功率电路中。路中。第45页，共99页，编辑于2022年，星期三 (2(2）发光二极管发光二极管 发光二极管是只有一个发光二极管是只有一个PNPN结的半导体器件。最常用的发光结的半导体器件。最常用的发光二极管是二极管是砷化镓发光二极管砷化镓发光二极管，它和普通二极管一样，管芯是一，它和普通二极管一样，管芯是一个具有单向导电性能的个具有单向导电性能的PNPN结；在正向偏压作用下，结；在正向偏压作用下，PNPN结空间电荷结空间电荷区势垒下降，引起过量的载流子注入，注入的电子与空穴加速区势垒下降，引起过量的载流子注入，注入的电子与空穴加速复合时释放出光子能量，即把电能转换成光能。复合时释放出光子能量，即把电能转换成光能。砷化镓发光砷化镓发光二极管的峰值波长约二极管的峰值波长约880nm880nm940nm940nm，发出的是近红外光波，发出的是近红外光波，对硅和锗光敏器件都比较敏感对硅和锗光敏器件都比较敏感。第46页，共99页，编辑于2022年，星期三 砷化镓发光二极管的砷化镓发光二极管的伏安特性如图伏安特性如图8 82222所示，所示，其正向压降约其正向压降约1 12V2V，小功，小功率管率管1 11.3V1.3V，中功率管，中功率管1.6V1.6V左右，正向压降的大左右，正向压降的大小与正向电流有关。砷化小与正向电流有关。砷化镓发光二极管的反向击穿镓发光二极管的反向击穿电压比较低，其反向电压电压比较低，其反向电压一般不得超过一般不得超过5V5V，否则可，否则可能引起二极管反向击穿。能引起二极管反向击穿。图822 砷化镓发光二极管伏安性 光电耦合器输出、入电流间线性关系较差，因而不宜光电耦合器输出、入电流间线性关系较差，因而不宜作运算电路，但可以广泛应用于电平转换、电路隔离、固作运算电路，但可以广泛应用于电平转换、电路隔离、固态继电器及无触点开关等控制电路中。态继电器及无触点开关等控制电路中。第47页，共99页，编辑于2022年，星期三 2 2光电转速计光电转速计 图图8 82424是光电转速计原理图和计数输出电路。这里的光源可是光电转速计原理图和计数输出电路。这里的光源可以是自炽灯泡，光电转换器是一只光敏晶体管。当旋转轴转动时，以是自炽灯泡，光电转换器是一只光敏晶体管。当旋转轴转动时，光通过遮光盘上的透光孔照射到光敏晶体管光通过遮光盘上的透光孔照射到光敏晶体管3DU333DU33上，将光信号转上，将光信号转换为电信号，经换为电信号，经40694069反向器整形输出电脉中，根据电脉冲的反向器整形输出电脉中，根据电脉冲的个数就知道旋转轴的转速。个数就知道旋转轴的转速。第48页，共99页，编辑于2022年，星期三 图824 光电转速计（a）原理图 （b）电路图第49页，共99页，编辑于2022年，星期三 3 3反射式固体表面粗糙度计反射式固体表