光电传感器ppt课件.ppt

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1、光电效应光电效应外光电效应外光电效应内光电效应内光电效应光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管光导效应光导效应光生伏特效应光生伏特效应光敏电阻光敏电阻光敏二极管光敏二极管光敏三极管光敏三极管光电池光电池一、光谱一、光谱光波：波长为10106nm的电磁波可见光：波长380780nm紫外线：波长10380nm， 波长300380nm称为近紫外线 波长200300nm称为远紫外线 波长10200nm称为极远紫外线，红外线：波长780106nm 波长3m（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3m 的红外线称为远红外线。 光谱分布如图所示。 概概 述述光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速光的

2、波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速c=2.997931010cm/s，通常，通常c31010cm/s。光的波长。光的波长和频率和频率的关系为的关系为 的单位为的单位为Hz，的单位为的单位为cm。 C=hE 光电传感器光电传感器 光电传感器通常是指光电传感器通常是指能感受到由紫外能感受到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件化成电信号的器件。其工作原理是基于。其工作原理是基于一些物质的光电效应。一些物质的光电效应。 光信号光信号光电传感器光电传感器电信号电信号光光 电电 鼠鼠 标标光电开关向外发射的电子叫做光电向外发射的电子叫做光电子。基

3、于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。增管等。（1） 光电导效应光电导效应n 在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有有光敏电阻光敏电阻。（2） 光生伏特效应光生伏特效应n 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势（电荷堆积）的现象叫做光生伏特效应。势（电荷堆积）的现象叫做光生伏特效应。

4、n 基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。三极管。n1）定义）定义n物体受到光照后物体受到光照后的现象称为外的现象称为外光电效应或称光电发射效应，光电效应或称光电发射效应，这种多发生于这种多发生于金属和金属氧化物金属和金属氧化物。在光电器件中，光电管、。在光电器件中，光电管、光电倍增管、微通道版和某些光电器件都是光电倍增管、微通道版和某些光电器件都是建立在光电发射效应基础上的建立在光电发射效应基础上的。光度量单位光度量单位lmslmhd dt lmcd2cdm2lmmlx2lmm1lmWQ/(名称名称符号符号定义方程定义方程单位单位单位符号

5、单位符号光量光量Q流明秒流明秒流明小时流明小时Lmslmh光通量光通量= dQ/dt流明流明lm发光强度发光强度II=dQ/d坎德拉坎德拉cd（光）亮（光）亮度度LL=d2/ddAcos/ddAcos =dI/dAcos坎德拉坎德拉每平方米每平方米cd/m2光出射度光出射度MM=d/dA/dA流明每平方米流明每平方米lm/m2（光）照（光）照度度EE=d/ /dAdA勒克斯（流明勒克斯（流明每平方米）每平方米）lxn光通量：光通量是每单位时间到达、离开或通过曲面的光能数量。 单位：流明（lm）n光强：光强是发光强度的简称。表示光源在单位立体角内光通量的多少。I，单位（cd）， I=Nh/Atn

6、照度：单位面积上的光通量，E，单位（lx）n3）光电发射第一定律光电发射第一定律n 当入射光线的频谱成分不变时，当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的饱光电阴极的饱和光电发射电流和光电发射电流 IK 与被阴极所吸收的光通量与被阴极所吸收的光通量K 成正比。即成正比。即n IK = SK Kn式中式中S SK K 为表征光电发射灵敏度的系数为表征光电发射灵敏度的系数。这个关系。这个关系式看上去十分简单，但却非常重要。因为它是用式看上去十分简单，但却非常重要。因为它是用光电探测器进行光度测量、光电转换的一个最重光电探测器进行光度测量、光电转换的一个最重要的依据。要的依据。4）光电发射第二定律）光电

7、发射第二定律 发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而线发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性地增大，而与入射光的光强无关。即光电子发射的能性地增大，而与入射光的光强无关。即光电子发射的能量关系符合爱因斯坦方程：量关系符合爱因斯坦方程：oevmh2max21式中式中:h 为普朗克恒量（为普朗克恒量（ 6.626055 0.0000040 10-34 J.s ）；）；v 为入射光频率；为入射光频率；me 为光电子的质量；为光电子的质量；vmax 为出射光电子的最大速率；为出射光电子的最大速率；0 为光电阴极的逸出功。为光电阴极的逸出功。 光电效应中从金属出来光电效应中从金属出来的电子，

8、有的从金属表面直的电子，有的从金属表面直接飞出，有的从内部出来沿接飞出，有的从内部出来沿途与其它粒子碰撞，损失部途与其它粒子碰撞，损失部分能量，因此电子速度会有分能量，因此电子速度会有差异，直接从金属表面飞出差异，直接从金属表面飞出的速度的速度Vm最大，其动能为最大，其动能为最最大初动能。大初动能。VVm光电子的最大初动能与入射光强度无关，只随入光电子的最大初动能与入射光强度无关，只随入射光的频率增大而增大。射光的频率增大而增大。n5）光电发射第三定律光电发射第三定律 当光照射某一给定金属或某种物质时，无论当光照射某一给定金属或某种物质时，无论光的强度如何，如果入射光的频率小于这一金光的强度如

9、何，如果入射光的频率小于这一金属的属的红限红限o ，就不会产生光电子发射。显然，就不会产生光电子发射。显然，在红限处光电子的初速应该为零，因此，金属在红限处光电子的初速应该为零，因此，金属的红限为的红限为n v o = o / h nO 为光电阴极的逸出功为光电阴极的逸出功nh 为普朗克恒量为普朗克恒量不同单色光照射不同不同单色光照射不同金属，要产生光电效金属，要产生光电效应，必须有一个应，必须有一个最低频率。 如锌板用如锌板用紫外线紫外线照射，照射，能产生光电效应，用能产生光电效应，用黄黄光光照射则不能产生光电照射则不能产生光电效应。效应。实验结论 任何一种金属，都有一个任何一种金属，都有一

10、个极限频率极限频率，入射光的，入射光的频率必须大于这个极限频率才能产生光电效应，频率必须大于这个极限频率才能产生光电效应，低于这个频率的光，无论光强怎样大，也不能产低于这个频率的光，无论光强怎样大，也不能产生光电效应。生光电效应。n6 6）光电发射的瞬时性）光电发射的瞬时性n 光电发射的瞬时性是光电发射的一个重要光电发射的瞬时性是光电发射的一个重要特性。特性。实验证明，光电发射的延迟时间不超实验证明，光电发射的延迟时间不超过过 3 10-13 s 的数量级。的数量级。因此，实际上可因此，实际上可以认为光电发射是无惯性的，以认为光电发射是无惯性的，这就决定了外这就决定了外光电效应器件具有很高的频

11、响。光电效应器件具有很高的频响。 光电管是一个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有光阴极、光电管是一个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有光阴极、阳极，光阴极涂有光敏材料，当光线照射在光敏材料上时，如阳极，光阴极涂有光敏材料，当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量果光子的能量E E大于电子的逸出功大于电子的逸出功A A（E EA A），会有电子逸出产），会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，电流在回路电阻子流，电流在回路电阻R R上产生正比于电流大小的压降。上产生正比于电流大小的压降。RUI 光强入射光的频

12、谱成分不变时入射光的频谱成分不变时，产生的光电子与光强成正比，产生的光电子与光强成正比 提出问题：提出问题：两束强度相同而频率不同的光，入射到同一金属表面上，若均能两束强度相同而频率不同的光，入射到同一金属表面上，若均能产生光电效应，则在单位时间内从金属表面逸出的光电子数为：产生光电效应，则在单位时间内从金属表面逸出的光电子数为：A、相同、相同 B、频率小的多、频率小的多 C、频率大的多、频率大的多 D、无法确定、无法确定正确理解入射光的强度与光子数的关系正确理解入射光的强度与光子数的关系光的强度是在垂直于光的传播方向上，单位时间内在单位面积光的强度是在垂直于光的传播方向上，单位时间内在单位面

13、积上所接收到的光的能量，而不是光子数。上所接收到的光的能量，而不是光子数。光电管主要用于：光电管主要用于：n分光光度计分光光度计n光电比色计等分析仪器光电比色计等分析仪器 n各种自动装置各种自动装置n 光电开关，通讯，光电池光电开关，通讯，光电池 光照很弱时，光电管产生光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。如核仪器常使用光电倍增管。如核仪器中闪烁探测器都使用的是光电中闪烁探测器都使用的是光电倍增管做光电转换元件。倍增管做光电转换元件。 光电倍增管是利用光电倍增管是利用二次电二次电子释放效应子释放效应，高速电子撞击固，高速电子撞击固体表面，发

14、出二次电子，将光体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。电流在管内进行放大。相机相机 SPECT光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。n当有光子入射到光阴极当有光子入射到光阴极K上，只要光子的能量大于光上，只要光子的能量大于光阴极材料的脱出功，就会有电子从阴极的表面逸出阴极材料的脱出功，就会有电子从阴极的表面逸出而成为光电子。而成为光电子。在在K和和D1之间的电场作用下，光电之间的电场作用下，光电子被加速后轰击第一倍增极子被加速后轰击第一倍增极D1，从而使，从而使D1产生二产生二次电子发射次电子发射每一个电子的轰击约可产生每一个

15、电子的轰击约可产生35个二个二次电子次电子，这样就实现了电子数目的放大。，这样就实现了电子数目的放大。D1产生的产生的二次电子被二次电子被D2和和D1之间的电场加速后轰击之间的电场加速后轰击D2，。这样的过程一直持续到最后一级倍增极。这样的过程一直持续到最后一级倍增极Dn，每经过一级倍增极，电子数目便被放大一次，每经过一级倍增极，电子数目便被放大一次，倍增极的数目有倍增极的数目有813个，最后一级倍增极个，最后一级倍增极Dn发射发射的二次电子被阳极的二次电子被阳极A收集。若倍增电极有收集。若倍增电极有n级，各级级，各级的倍增率为的倍增率为，则光电倍增管的倍增率可以认为是，则光电倍增管的倍增率可

16、以认为是n，因此，光电倍增管有极高的灵敏度。因此，光电倍增管有极高的灵敏度。（2 2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总总灵敏度灵敏度。 光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm(光通量流明)，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。 另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。 （3 3）暗电流和本底脉冲）暗电流和本底脉冲 一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使用

17、，使其只对入射光起作用；但是由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电暗电流流，这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除。 如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，本底本底电流电流具有脉冲形式脉冲形式。 光电倍增管的光电特性与直线最大偏离是3%10131010109107105103101在45mA处饱和10141010106102光通量/1m阳极电流/ A（4 4）光电

18、倍增管的光电特性）光电倍增管的光电特性 光电特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较好光谱特性的管子，在很宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于10-4lm时，有较好的线性关系。当光通量大，开始出现非线性，如图所示。例：例：阴极电流阴极电流Ik=Sk k,放大系数放大系数G=Ia/Ik=Sa/Sk例：例：GSB126，国产光电倍增管，国产光电倍增管阴极面积阴极面积Ak=2cm2, 灵敏度灵敏度Sk=20 A/lm,G=105,阳极允许电流阳极允许电流Ia=200 A。求允许照度求允许照度Ek解：求阴极电流解：求阴极电流Ik: Ik=Ia

19、/G= 200/105 =210-3( A)求最大允许光通量求最大允许光通量 k, k=Ik/Sk=2 10-3/20=10-4 lm求允许照度求允许照度EkEk= k/Ak= 10-4 / 2 10-4 =0.5lxn光路系统光路系统： 激光光源，光路系统（透镜、滤光片）激光光源，光路系统（透镜、滤光片）n电子系统：电子系统：光电倍增管（光电倍增管（PMT），补偿电路），补偿电路n液流系统液流系统： 鞘液系统，样品流动系统鞘液系统，样品流动系统n数据系统：数据系统：计算机，数据测量和分析软件计算机，数据测量和分析软件。n细胞分选系统细胞分选系统流式细胞仪的结构流式细胞仪的结构 闪烁体闪烁体光

20、电倍增管光电倍增管( (打拿极打拿极) )反射层反射层管座管座分压器分压器高压高压多道或单道多道或单道光阴极光阴极阳极阳极荧光荧光光子光子光电子光电子暗盒暗盒窗窗前置放大器前置放大器闪烁探测器的工作过程：闪烁探测器的工作过程：(1) 辐射辐射射入闪烁体使射入闪烁体使闪烁体原子闪烁体原子电离电离或或激发激发，受激原子受激原子退激退激而发出波长在而发出波长在可见光波段可见光波段的的。(2) 荧光光子荧光光子被收集到被收集到(PMT)的的，通过，通过打出打出。(3) ，并在，并在输出输出信信号号。闪烁探测器输出信号的过程闪烁探测器输出信号的过程IaIkn影像核医学以影像核医学以放射性核素（药物）在体

21、内的分布放射性核素（药物）在体内的分布作为作为成像依据，反映了人体代谢、组织功能和结构形态。成像依据，反映了人体代谢、组织功能和结构形态。 n影像核医学显像的条件为：影像核医学显像的条件为：n具有能够选择性聚焦在特定脏器、组织和病变的具有能够选择性聚焦在特定脏器、组织和病变的放放射性核素或放射性标记药物射性核素或放射性标记药物，使该脏器、组织或病变，使该脏器、组织或病变与临近组织之间达到一定的放射性浓度差；与临近组织之间达到一定的放射性浓度差；n利用核医学利用核医学显像装置显像装置探测到这种放射性浓度差，根探测到这种放射性浓度差，根据需要采用合适的影像设备以一定的方式将它们显示据需要采用合适的

22、影像设备以一定的方式将它们显示成像，得到的就是脏器、组织或病变的影像。成像，得到的就是脏器、组织或病变的影像。 数字化数字化nCR指的是用光激励存储荧光体作为探测器的X射线投影成像方法 成像机制成像机制 ： X射线入射基于光激励荧光粉（PSP）的成像板（IP）产生一帧潜影（latent image），潜影存储于成像板中。用激光激励成像板，成像板会发射出和潜影能量分布一致的光，这些光被捕捉后被转换成电信号，从而潜影被转换成可以传输和存储的数字图像。 CR成像过程1: X光穿过人体被IP（）吸收形成潜影。2: 通过激光激发，IP释放出光子，通过光电倍增管转换成电信号。3: 通过数模转换把图像存储于

23、计算机中，或打印成胶片。4: 由于存储于光激励荧光粉中的能量在激光读取过程中不会全部释放（还留有残影），所以成像板需要用高强度荧光灯照射刷除，以用于下一次成像。nDR之所以称为“直接数字化放射摄影”的实质就是不用中间介质直接拍出数字 X-光像；n其工作过程是：X线穿过人体(备查部位)投射到平板探测器上，然后探测器将线影像信息直接转化为数字影像信息并同步传输到采集工作站上，最后利用工作站的医用专业软件进行图像的后处理。 nCR摄影过程摄影过程n准备曝光读取擦除完成(需要时间6分钟)nDR摄影过程摄影过程n准备曝光完成(需要时间1.5分钟)n平板DRnCCD DRFiber Optic Taper

24、：图：图像缩小和放大的作用，广像缩小和放大的作用，广泛用在泛用在CCD耦合中耦合中电子电子- -空穴空穴对对，光线愈光线愈强，阻值愈低。强，阻值愈低。3.光敏电阻的结构光敏电阻的结构在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口窗口的金属或塑料外壳内。的金属或塑料外壳内。A光导电材料绝缘衬低引线电极引线光电导体三种结构形式三种结构形式暗电流（越小越好）暗电流（越小越好）二二.光敏电阻的主要参数和基本特性光敏电阻的主要参数和

25、基本特性n（一）暗电阻、亮电阻、光电流（一）暗电阻、亮电阻、光电流n暗电流暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流。电阻。此时在给定电压下流过的电流。n亮电流亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流。该光照下的亮电阻。此时流过的电流。n光电流光电流：亮电流与暗电流之差。：亮电流与暗电流之差。n光敏电阻的光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。性能越好。也就

26、是说，也就是说，暗电流越小，光电暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高灵敏度越高。 n 实用的光敏电阻的实用的光敏电阻的暗电阻暗电阻往往超过往往超过1M,甚至高达甚至高达100M，而亮电阻，而亮电阻则在则在几几k以下，以下，暗电阻与亮电阻之比在暗电阻与亮电阻之比在102106之间，可见光敏电阻的之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。灵敏度很高。 :(0.5 1):(1)ggIS E USUE光照度指数，光电导，：照度电压指数 欧姆接触为 ，：外加电压照度指数值 （ 1）gIS E U光ESGRg11（ 1）1111,lglglgloglglglgBAgABgAgB

27、ABBAAABABEBBBAEARGS ERRS ES ERERERRRRREREEE如果ax=N(a0,且a不等于1)，则数x叫做以a为底N的对数，记做x=logaNLogab=lgb/lga LogbLoga(三) 伏安特性n在一定的光照下，光敏电在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所加的电压阻的光电流与所加的电压关系关系n光敏电阻是一个纯电阻，光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，其伏因此符合欧姆定律，其伏安特性曲线为直线。安特性曲线为直线。n不同光照度对应不同直线不同光照度对应不同直线受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能超受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能

28、超过最高工作电压过最高工作电压图中虚线为允许功耗曲线图中虚线为允许功耗曲线由此可确定光敏电阻正常工作电压。由此可确定光敏电阻正常工作电压。光谱特性光谱特性： 光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对灵敏度与入射波长的敏度。光敏电阻的相对灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。响应。尤其硫化镉的峰值波长与尤其硫化镉的峰值波长与人眼的很敏感的峰值波长（人眼的很敏感的峰值波长（555nm）是很接近的，因此可用）是很

29、接近的，因此可用于与人眼有关的仪器，例如于与人眼有关的仪器，例如照相机照相机、照度计照度计、光度计光度计等。等。 光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。204060801000.

30、0400.080 0.120.160.200.24/m312相对灵敏度1硫化镉硫化镉2硒化镉硒化镉3硫化铅硫化铅n实验证明，光敏电阻的光电流实验证明，光敏电阻的光电流不能随着光强不能随着光强改变而立刻变化改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流，即光敏电阻产生的光电流有一定的有一定的惰性惰性，这种惰性通常用时间常数表，这种惰性通常用时间常数表示。示。（五）频率特性（五）频率特性 当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的刻为零，这就

31、是光敏电阻的时延特性时延特性。20406080100I / %f / Hz010102103104由于不同材料的光敏由于不同材料的光敏电阻时延特电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也性不同，所以它们的频率特性也不同。不同。硫化铅的使用频率比硫化硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时镉高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它延都比较大，所以，它不能用在不能用在要求快速响应的场合要求快速响应的场合。硫化铅硫化镉（6）前历效应）前历效应 1-黑暗放置黑暗放置3分钟后分钟后 2-黑暗放置黑暗放置60分钟后分钟后 3-黑暗放置黑暗放置24小时后小时后指光敏电阻的时间特性与工作前指光敏电

32、阻的时间特性与工作前“历史历史”有关有关的一种现象。即测试前光敏电阻所处状态对光敏电的一种现象。即测试前光敏电阻所处状态对光敏电阻特性的影响。阻特性的影响。暗态前历效应暗态前历效应：指光敏电阻测试或工作前处于：指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后光电流上升的缓慢程度暗态，当它突然受到光照后光电流上升的缓慢程度。工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就。工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重。越重。亮态前历效应亮态前历效应： 光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后工作时所要达到的照度不同

33、时，所出现的一种滞后现象。现象。知识延伸和巩固如图所示为光敏电阻如图所示为光敏电阻自动计数器自动计数器的示意图，其中的示意图，其中A为发光为发光仪器，仪器，B为水平传送带，由电动机带动做匀速直线运动。为水平传送带，由电动机带动做匀速直线运动。R1为光敏电阻为光敏电阻，R2为定值电阻，为定值电阻，R1、R2串联在电路中，电串联在电路中，电源电压保持不变源电压保持不变每当传送带上有易拉罐挡住由每当传送带上有易拉罐挡住由A射向射向R1的光线时，的光线时，R1的电阻值就增大，计数器就计数一次。的电阻值就增大，计数器就计数一次。则：则：（1）当传送带上有易拉罐挡住由）当传送带上有易拉罐挡住由A射向射向R

34、1的光线时，定值的光线时，定值电阻电阻R2两端的电压将两端的电压将_。（填。（填“变大变大”、“变小变小”或或“不变不变”）（2）已知相邻的两个易拉罐中心之间的距离均为）已知相邻的两个易拉罐中心之间的距离均为20cm，若计数器从易拉罐第一次挡住光线开始计时，到恰好计数若计数器从易拉罐第一次挡住光线开始计时，到恰好计数101次共用时间次共用时间40s，则传送带的速度为多少，则传送带的速度为多少m/s？答案：答案：（1）由题意可知，当传送带上有易拉罐挡住由）由题意可知，当传送带上有易拉罐挡住由A射射向向R1的光线时，的光线时，R1的电阻值就增大，由于的电阻值就增大，由于R1、R2是是串联在电路中的

35、，当串联在电路中的，当R1电阻值增大，电阻值增大，R1分得的电压分得的电压就增大，就增大，R2两端的电压将变小；两端的电压将变小；（2）由）由vs/t(101-1)0.2m/40s0.5m/s。知识巩固光敏电阻适于作为光敏电阻适于作为 ( ) ( ) A、光的测量元件、光的测量元件B、光电导开关元件、光电导开关元件C、加热元件、加热元件D、发光元件、发光元件B知识巩固光敏电阻的性能好、灵敏度高，光敏电阻的性能好、灵敏度高，是指给定电压下是指给定电压下 ( ) ( ) A、暗电阻大、暗电阻大B、亮电阻大、亮电阻大C、暗电阻与亮电阻差值大、暗电阻与亮电阻差值大D、暗电阻与亮电阻差值小、暗电阻与亮电

36、阻差值小Cn照明灯的光电控制电路n火焰探测报警器n照相机快门照明灯的光电控制电路如图所示为一种最简单的由光敏电阻作光电敏感器件的照明灯光电自动控制电路。它由3部分构成:半波整流滤波电路,测光与控制的电路,执行电路,设使照明灯点亮的光照度为EV，继电器绕组的直流电阻为RJ，使继电器吸合的最小电流为Imin，光敏电阻的光电导灵敏度为Sg，暗电导go=0，则 光照下光照下p-n结的零偏模式结的零偏模式pnIpRL反向偏置：光照下反向偏置：光照下p-n结反向偏置：称光导工作模式结反向偏置：称光导工作模式 p-n结外接反向电压后，结外接反向电压后，p-n结势垒升高，多数载流子难结势垒升高，多数载流子难于

37、扩散，少数载流子易于漂移。于扩散，少数载流子易于漂移。光照下光照下p-n结的反偏模式结的反偏模式RLpnIpVbn1. 光电池光电池n2.光电二极管光电二极管n3.p-i-n管管n4.光电三极管光电三极管n5.雪崩光电二极管雪崩光电二极管 光电池是利用光生伏特效应把光直接转光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件变成电能的器件。 它可把太阳能直接变电能，因此又称为它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成。它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。它有较大面积的的，是发电式有源元件。它有较大面积的PN结，当光照射在结，当光照射在PN结上时，在结

38、的两端结上时，在结的两端出现电动势。出现电动势。n硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前等。目前,应用应用最广、最有发展前途的是最广、最有发展前途的是硅光电池硅光电池。n硅光电池价格便宜，硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接转换效率高，寿命长，适于接受红外光。受红外光。n硒光电池光电转换效率低硒光电池光电转换效率低(0.02)、寿命短，、寿命短，适于适于接收可见光接收可见光(响应峰值波长响应峰值波长0.56m)，最适宜制造，最适宜制造照度计。照度计。n砷化镓光电池砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与特性则

39、与太阳光谱太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。是有发展前途的。2、光电二极管（、光电二极管（ 光电二极管也称光敏二极管，其光电二极管也称光敏二极管，其基本结基本结构也是一个构也是一个PN结结。基本工作原理是当光照射。基本工作原理是当光照射半导体的半导体的PN结时，在反向电压的作用下，其结时，在反向电压的作用下，其反向电流随光照度变化而变化，由此来实现反向电流随光照度变化而变化，由此来实现将光信号转换成电信号的功能

40、。将光信号转换成电信号的功能。2）光电二极管和光电池的主要差别：）光电二极管和光电池的主要差别：n1.用途不同：用途不同：n光电池：能量转化，提高转化率；光电池：能量转化，提高转化率；n光电二极管：探测，灵敏度、响应快、高光电二极管：探测，灵敏度、响应快、高量子效率。量子效率。n2.特性差异：特性差异：n响应范围要求不同；响应范围要求不同；n响应时间不同；（光电二极管响应快）响应时间不同；（光电二极管响应快）n工作模式不同；（光电池零偏，光电二极工作模式不同；（光电池零偏，光电二极管反偏）管反偏）2）光电二极管和光电池的主要差别：）光电二极管和光电池的主要差别：偏置方式偏置方式 掺杂浓度掺杂浓

41、度（cm3）电阻率电阻率（ /cm）受光面积受光面积光电池光电池零偏1016-10190.1-0.01大光电二极管光电二极管反偏1012-10131000小3.结构差异结构差异4. 光电二极管频率特性好，光生电势与光电池相同，但光电二极管频率特性好，光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几输出电流普遍比光电池小，一般为几A到几十到几十A。P-N结局限性结局限性n-typep-typenEmitterBaseCollectorWindow5.雪崩光电二极管雪崩光电二极管 (APD) 具有内部倍增放大作用的光电二极管，是具有内部倍增放大作用的光电二极管，是利用利用PN结势垒区高反向

42、偏压下产生载流子结势垒区高反向偏压下产生载流子的雪崩效应（倍增）而得到的。的雪崩效应（倍增）而得到的。结构结构： 基片杂质浓度很高，实现雪崩倍增基片杂质浓度很高，实现雪崩倍增. 片子厚度较薄，保证较高的电场强度，载片子厚度较薄，保证较高的电场强度，载流子获得足够的能量流子获得足够的能量工作过程：工作过程： 初始载流子经过电场时，获初始载流子经过电场时，获得充分动能，从而速度很高，得充分动能，从而速度很高，在运动中与晶格原子碰撞产在运动中与晶格原子碰撞产生新的电子空穴对，新的电生新的电子空穴对，新的电子空穴对在强电场作用下分子空穴对在强电场作用下分别向相反方向运动，在运动别向相反方向运动，在运动

43、过程中又可能与晶格碰撞，过程中又可能与晶格碰撞，多次碰撞电离后多次碰撞电离后，便使载流，便使载流子迅速增加，从而反向电流子迅速增加，从而反向电流也迅速增大，形成也迅速增大，形成雪崩倍增雪崩倍增效应。效应。特性特性 雪崩光电二极管是利用雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。雪崩效应来工作的一种二极管。 这种管子工作电压很高，约这种管子工作电压很高，约100200V，接近于反，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电场中可得到极大的加速，同

44、时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。可达到几百。 当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的，即产生所谓的自持雪崩自持雪崩。 响应速度特别快，带宽可达响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前，是目前响应速度最快响应速度最快的一种光电二极管。的一种光电二极管。 由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法噪

45、声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用使用。 特性特性 光生伏特效应：光使得PN结产生电势 PN结不加电压作为电源用光电池光电池 加反偏电压，可以使其作为光电导用，产生光电流，光-电流，检测产生的电流，光电二极管，为了放大光电流，有光电三极管，雪崩光电二极管。pin管，提高响应时间五、应用五、应用 光电传感器的应用可归纳为光电传感器的应用可归纳为辐射式辐射式( (直射直射式式) )、吸收式、遮光式、反射式、四种基本形式。、吸收式、遮光式、反射式、四种基本形式。 五、应用五、应用 五、应用五、应用 五、应用五、应用 通过滤光片得一窄范围的光通过滤光片得一窄范围的光(几十几十nm)灵敏度和准灵敏

46、度和准确度较差确度较差六六.医学应用医学应用 光脉搏容积波3.无创激光多普勒血流测量形式无创激光多普勒血流测量形式There are three main measuring geometries in laser Doppler flowmetry in which our approach should be used.- Fiber optic probe geometry.- Integrated probe geometry.- Imaging geometry - non-contact measurements.00+ 0Laser beamPhotodetectormoving particlestationary particleVasculature diagramSkin diagramApplication for LDF1)1) LDF: Laser Doppler Flowmetry微血管中流动的血液造成了散射激光的多微血管中流动的血液造成了散射激光的多普勒频移，这个频移被光电检测后，经处普勒频移，这个频移被光电检测后，经处理绘制成彩色编码的血流图理绘制成彩色编码的血流图