《光电传感器》课件.ppt

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1、第第5 5章章 光电式传感器光电式传感器5.1常用光电器件常用光电器件5.2光栅传感器光栅传感器5.3固态图像传感器固态图像传感器上一页下一页返回教学目标：了解和掌握光电效应及其形式以及教学目标：了解和掌握光电效应及其形式以及相应的光电器件工作原理。掌握光敏电阻、光相应的光电器件工作原理。掌握光敏电阻、光电池、光敏晶体管（光敏二极管、光敏三极管）电池、光敏晶体管（光敏二极管、光敏三极管）的结构特点及相应的基本特性和参数。的结构特点及相应的基本特性和参数。光电式传感器光电式传感器定义定义：是一种将光信号转换成电信号的装置。：是一种将光信号转换成电信号的装置。以光电元件作为转化元件，可以将被测的非

2、电量通过以光电元件作为转化元件，可以将被测的非电量通过光量的变化再转化成电量的传感器。光电式传感器一般由光量的变化再转化成电量的传感器。光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元件三部分组成。光源、光学元件和光电元件三部分组成。物理基础物理基础：光电效应：光电效应优点优点：结构简单、性能可靠、精度高、反映快。：结构简单、性能可靠、精度高、反映快。应用应用：现代测量和自动控制系统，应用广泛，前景广阔。：现代测量和自动控制系统，应用广泛，前景广阔。上一页下一页返回光电效应光电效应下一页返回定义：定义：是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子

3、的能量，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类：应和内光电效应两大类：1）外光电效应）外光电效应在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。管、光电倍增管等。光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：光是由被看做具有一定能

4、量的光粒子组成，每个光子所光是由被看做具有一定能量的光粒子组成，每个光子所具有的能量具有的能量E正比于其光的频率。光射在物体上（半导体材正比于其光的频率。光射在物体上（半导体材料）可以看成是一串有能量的光粒子轰击在物体上，物体吸料）可以看成是一串有能量的光粒子轰击在物体上，物体吸收了能量为收了能量为E的光后产生了电效应。的光后产生了电效应。根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子

5、的动能。外光电的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过所需时间不超过10-9s。根据能量守恒定理根据能量守恒定理式中式中m电子质量；电子质量；v0电子逸出速度。电子逸出速度。A0电子逸出表面的功（束缚电子的能量）电子逸出表面的功（束缚电子的能量）该方程称为爱因斯坦光电效应方程n光光电电子子能能否否产产生生，取取决决于于光光电电子子的的能能量量是是否否大大于于该该物物体体的的表表面面电电子子逸逸出出功功A0。不不同同的的物物质质具具有有不不同同的的逸逸出出

6、功功，即即每每一一个个物物体体都都有有一一个个对对应应的的光光频频阈阈值值，称称为为红红限限频频率率或或波波长长限限。光光线线频频率率低低于于红红限限频频率率，光光子子能能量量不不足足以以使使物物体体内内的的电电子子逸逸出出，因因而而小小于于红红限限频频率率的的入入射射光光，光光强强再再大大也也不不会会产产生生光光电电子子发发射射；反反之之，入入射射光光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。n当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，

7、逸出的电子数也就越多。光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。n光电子逸出物体表面具有初始动能光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2，因此外光电效应器，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。频率成正比。区分光强和光能量：光强区分光强和光能量：光强光子的多少引起光的强弱光子的多少引起光的强弱光能量光能量E=hf下一页返回2 2）内光电效应）内光电效应 当光照射在物体

8、上，使物体的电阻率当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类：光电导效应和光生伏特效应两类：（1 1）光电导效应光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过在光线作用下，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，这种现象渡到自由状态，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有光敏被称为光电导效应。基于这种效应的

9、光电器件有光敏电阻。电阻。过过程程：当当光光照照射射到到半半导导体体材材料料上上时时，价价带带中中的的电电子子受受到到能能量量大大于于或或等等于于禁禁带带宽宽度度的的光光子子轰轰击击，并并使使其其由由价价带带越越过过禁禁带带跃跃入入导导带带，如如图图，使使材材料料中中导导带带内内的的电电子子和和价价带带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。导带价带禁带自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带Eg材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限导材料，总存在一个照射光波长限0，只有波长小于

10、，只有波长小于0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。从而使光电导体的电导率增加。式中式中、分别为入射光的频率和波长。分别为入射光的频率和波长。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度材料的禁带宽度Eg，即，即（2）光生伏特效应光生伏特效应在在光光线线作作用用下下能能够够使使物物体体产产生生一一定定方方向向的的电电动动势势（电电荷堆积）的现象叫做光生伏特效应。荷堆积）的现象叫做光生伏特效应。基基于于该该效效应应的的光光电电器器件件有有光光电电池

11、池和和光光敏敏二二极极管管、三三极极管。管。势垒效应（结光电效应）势垒效应（结光电效应）。接触的半导体和接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。以便引起光电动势，这就是结光电效应。以PN结为例，光线结为例，光线照射照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移区外侧，被光激发的空穴移向向P区外侧，从而使

12、区外侧，从而使P区带正电，区带正电，N区带负电，形成光电动区带负电，形成光电动势。势。侧向光电效应侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时，载流子浓度梯当半导体光电器件受光照不均匀时，载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。如果就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子电子迁移率比空穴大，那

13、么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件（器件（PSD）。）。5.1常用光电器件常用光电器件5.1.1 光敏电阻光敏电阻5.1.2 光电池光电池5.1.3 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管5.1.4 常用光电器件的应用常用光电器件的应用下一页返回511光敏电阻1.光敏电阻的光电效应光敏电阻的光电效应2光敏电阻

14、种类光敏电阻种类3光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数4.光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性上一页下一页返回1.光敏电阻的光电效应光敏电阻的光电效应光敏电阻特性：光敏电阻特性：当无光照时：光敏电阻值当无光照时：光敏电阻值(暗电阻暗电阻)很大，电路中电流很小很大，电路中电流很小当有光照时：光敏电阻值当有光照时：光敏电阻值(亮电阻亮电阻)急剧减少，电流迅速增急剧减少，电流迅速增加光照停止时：恢复高阻状态加光照停止时：恢复高阻状态优点：优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。高，耐冲击、耐

15、振动、抗过载能力强和寿命长等。不足：不足：需要外部电源，有电流时会发热。需要外部电源，有电流时会发热。上一页下一页返回光敏电阻又称为光导管，是基于内光电效应中的光电光敏电阻又称为光导管，是基于内光电效应中的光电导效应（即光照改变电导率）。导效应（即光照改变电导率）。上一页下一页返回接受光照时：接受光照时：其共价键中的价电子吸收光子能量，由价带穿越禁带到其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，使得半导体中自由电子达导带，成为光生自由电子，使得半导体中自由电子空穴空穴对增加，导电率提高，电阻值下降。对增加，导电率提高，电阻值下降。光照停止时：光照停止时：失去光子能

16、量的光生自由电子又重新迭落回价带与空穴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，自由电子复合，自由电子空穴对减少，导电率下降，电阻值提高。空穴对减少，导电率下降，电阻值提高。EgEg禁带宽度，价电子吸收光子能量禁带宽度，价电子吸收光子能量E EEgEg，才能穿越禁，才能穿越禁带成为自由电子。带成为自由电子。u 光照越强、光照越强、E E越大，光生自由电子越多，电阻值越小。越大，光生自由电子越多，电阻值越小。u 光照停止或光强减小使光照停止或光强减小使E EEgEg时，光生自由电子又迭回价时，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。带成为价电子，使电阻值增加或恢

17、复高阻状态。形成原因：形成原因：上一页下一页返回偏压偏压U一定时，检流计指示电流一定时，检流计指示电流I的大小的大小决定于光敏电阻上的光照强度：决定于光敏电阻上的光照强度：无光照时无光照时：I很小，此电流称之为很小，此电流称之为暗电流暗电流；光敏电阻的阻值很高，相应称之为光敏电阻的阻值很高，相应称之为暗电阻暗电阻（兆欧级）（兆欧级）有光照时有光照时：I较大，此电流称之为较大，此电流称之为亮电流亮电流；光敏电光敏电阻的阻值显著减小，相应称之为阻的阻值显著减小，相应称之为亮电阻亮电阻（千欧（千欧以内）以内）光电流光电流：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，为亮电流与暗电流空穴流，

18、为亮电流与暗电流之差。之差。由于暗电流很小，在工程分析时可把亮电流看成光电流。由于暗电流很小，在工程分析时可把亮电流看成光电流。光敏电阻光电效应实验电路光敏电阻光电效应实验电路光敏电阻的结构1.玻璃玻璃2.光电导层光电导层3.电极电极4.绝缘衬底绝缘衬底5.金属壳金属壳6.黑色绝缘玻璃黑色绝缘玻璃7.引线引线光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。上一页下一页返回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、

19、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。半导体光敏元件的敏感光波长为纳米波，按以制成光敏电阻。半导体光敏元件的敏感光波长为纳米波，按其最佳工作波长范围分三类：其最佳工作波长范围分三类：（1）对紫外光敏感元件）对紫外光敏感元件紫外光是指紫外线紫外光是指紫外线(波长波长10380nm)的内侧光波，波长的内侧光波，波长约约300380nm。对这类光敏感的材料有氧化锌、硫化锌等，适。对这类光敏感的材料有氧化锌、硫化锌等，适于作于作射线检测及光电控制电路。射线检测及光电控制电路。（2）对可见光敏感元件）对可见光

20、敏感元件可见光波长范围约可见光波长范围约380760nm，对这类光敏感的材料有硒、，对这类光敏感的材料有硒、硅、锗等，适用于光电计数、光电耦合、光电控制等场合。硅、锗等，适用于光电计数、光电耦合、光电控制等场合。（3）对红外光敏感元件）对红外光敏感元件红外光是红外线红外光是红外线(波长波长7601106nm)的内侧光波，波长的内侧光波，波长约约7606000nm。对这类光敏感的材料有硫化铅、硒化钳等，。对这类光敏感的材料有硫化铅、硒化钳等，主要用来探测不可见目标。主要用来探测不可见目标。上一页下一页返回3光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数（1）暗电阻和暗电流）暗电阻和暗电流光光敏敏电电阻阻在

21、在室室温温条条件件下下，在在全全暗暗后后经经过过一一定定时时间间测测量量的的电电阻阻值值，称称为为暗暗电电阻阻。此此时时流流过过的的电电流，称为暗电流。流，称为暗电流。越小越好越小越好（2）亮电阻）亮电阻光光敏敏电电阻阻在在某某一一光光照照下下的的阻阻值值，称称为为该该光光照照下下的的亮亮电电阻阻，此此时时流流过过的的电电流流称称为为亮亮电电流流。越大越好越大越好（3）光电流）光电流亮亮电电流流与与暗暗电电流流之之差差，称称为为光光电电流流。越越大大越好越好上一页下一页返回4光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性（1）光谱特性）光谱特性（2）光照特性）光照特性（3）伏安特性）伏安特性（4）响应时

22、间和频率特性）响应时间和频率特性（5）温度特性）温度特性（6）稳定性）稳定性上一页下一页返回（1）光谱特性定义定义：光电流对不同波长的单色光，灵敏度是不同的，即：光电流对不同波长的单色光，灵敏度是不同的，即即产生的光电流的大小不同。即产生的光电流的大小不同。上一页下一页返回光波：光波：波长为波长为10106nm的电磁波的电磁波可见光：可见光：波长波长380780nm紫外线：紫外线：波长波长10380nm，波长波长300380nm称为近紫外线称为近紫外线波长波长200300nm称为远紫外线称为远紫外线波长波长10200nm称为极远紫外线，称为极远紫外线，红外线：红外线：波长波长780106nm因

23、为因为f不同，光的能量不同，所以光电组对不同不同，光的能量不同，所以光电组对不同f的光具有的光具有不同的灵敏度。不同的灵敏度。光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化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，峰值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。在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。结论：结论：在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种在选用光敏电阻时，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。类结合起来考虑，才能获得满意的效果。上一页下一页返

24、回204060801004008001200160020002400/nm312相对灵敏度1硫化镉2硒化镉3硫化铅一般光敏电阻具有较高的灵敏度、很好的光谱特性，一般光敏电阻具有较高的灵敏度、很好的光谱特性，其光谱响应可从紫外区到红外区。其光谱响应可从紫外区到红外区。（2）光照特性定义定义：在一定电压下，光敏电阻的光电流：在一定电压下，光敏电阻的光电流I与光强与光强E之间之间的关系。的关系。上一页下一页返回012345I/mA L/lx1000 2000右图表示右图表示CdS硫化镉光敏电阻硫化镉光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但同类

25、型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。统中用作光电开关。（3）伏安特性定义定义：在一定强度的光照下，光敏电阻的端电压与光电流的关系。在一定强度的光照下，光敏电阻的端电压与光电流的关系。上一页下一页返回图中曲线图中曲线1、2分别表示照度为分别表示照度为零零及及照度为照度为某值某值时的伏安特性。由曲线可知，时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下在给定偏压下,光照度越大，光电流也光照度越大，光电流也越大。在一定的光照

26、度下，所加的电压越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。越大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何光但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。性损坏。501001502001220I/A040U/V（4）响应时间和频率特性时延特性：时延特性：当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过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

27、，而在停止光照后，光电流一段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，这就是光敏电阻的时延特性。也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。通常用响应时间通常用响应时间t表示。表示。上一页下一页返回光敏电阻的频率特性频率特性频率特性：是指光照的交变（调制）频率与光敏电阻光电：是指光照的交变（调制）频率与光敏电阻光电流输出的关系。其原因在于光敏电阻突然受到光照，光电流输出的关系。其原因在于光敏电阻突然受到光照，光电流并不是立刻上升到饱和值，光突然消失光电流也不是立流并不是立刻上升到饱和值，光突然消失光电流也不是立刻降为刻降为0，在时间上有一个滞后。，在时间上有一个滞后。不同材料的光敏电

28、阻具有不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同。频率特性也就不尽相同。上一页下一页返回20406080100I/%f/Hz010102103104硫化铅硫化镉如图。硫化铅的使用频率如图。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场它不能用在要求快速响应的场合。合。（5）温度特性 光敏电阻性能光敏电阻性能(灵敏度、暗电阻灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲随着温度的升高，其暗电阻

29、和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流I和温度和温度T的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。冷器使光敏电阻的温度降低。上一页下一页返回I/A100150200-50-1030 5010-30T/C204060801000/mI/mA+20C-20C（6）稳定性上一页下一页返回图中曲线图中曲线1、2分别表示两种型号分别表示两种型号CdS硫化镉光敏电阻

30、的稳定性。硫化镉光敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，由于初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定体内机构工作不稳定，以及，以及电阻体与其介质电阻体与其介质的作用还没有达到平衡的作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、I/%408012016021T/h0400 800 1200 1600光照及加负载情况下，经一至二周的光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。光敏电阻在开老化，性能可达稳定。光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上升，有些样品阻值下降，但最阻值上升，有些样品阻值下降，但

31、最后达到一个稳定值后就不再变了。这后达到一个稳定值后就不再变了。这就是光敏电阻的主要优点。就是光敏电阻的主要优点。光敏电阻的使用寿命在密封良好、光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下，几乎是使用合理的情况下，几乎是无限长无限长的。的。5.1.2光电池光电池上一页下一页返回光光电电池池是是利利用用光光生生伏伏特特效效应应把把光光直直接接转转变变成成电电能能的的器器件件。由由于于它它可可把把太太阳阳能能直直接接变变电电能能，因因此此又又称称为为太太阳阳能能电电池池。它它是是发发电电式式有有源源元元件件，有有较较大大面面积积的的PN结结，当当光光照照射射在在PN结结上上时时，在在结结的两端出

32、现电动势。的两端出现电动势。命命名名方方式式：把把光光电电池池的的半半导导体体材材料料的的名名称称冠冠于于光光电电池池(或或太太阳阳能能电电池池)之之前前。如如，硒硒光光电电池池、砷砷化化镓镓光光电电池池、硅硅光光电电池池等等。目目前前，应应用最广、最有发展前途的是硅光电池。用最广、最有发展前途的是硅光电池。u硅光电池价格便宜，硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光转换效率高，寿命长，适于接受红外光。u硒硒光光电电池池光光电电转转换换效效率率低低)、寿寿命命短短，适适于于接接收收可可见见光光(响响应应峰值波长峰值波长0.56m)，最适宜制造照度计。，最适宜制造照度计。u砷砷化化镓

33、镓光光电电池池转转换换效效率率比比硅硅光光电电池池稍稍高高，光光谱谱响响应应特特性性则则与与太太阳阳光光谱谱最最吻吻合合。且且工工作作温温度度最最高高，更更耐耐受受宇宇宙宙射射线线的的辐辐射射。因因此此，它它在在宇宇宙宙飞飞船船、卫卫星星、太太空空探探测测器器等等电电源源方方面面的的应应用用是是有有发发展展前前途的。途的。1光电池的结构和工作原理光电池的结构和工作原理上一页下一页返回硅硅光光电电池池的的结结构构如如图图所所示示。它它是是在在一一块块N型型硅硅片片上上用用扩扩散散的的办办法法掺掺入入一一些些P型型杂杂质质(如如硼硼)形形成成PN结结。当当光光照照到到PN结结区区时时，如如果果光光

34、子子能能量量足足够够大大，将将在在结结区区附附近近激激发发出出电电子子-空空穴穴对对，在在N区区聚聚积积负负电电荷荷，P区区聚聚积积正正电电荷荷，这这样样N区区和和P区区之之间间出出现现电电位位差差。若若将将PN结结两两端端用用导导线线连连起起来来，电电路路中中有有电电流流流流过过，电电流流的的方方向向由由P区区流流经经外外电电路路至至N区区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。若将外电路断开，就可测出光生电动势。光电池的示意图+光PNSiO2RL(a)光电池的结构图I光(b)光电池的工作原理示意图P N上一页下一页返回光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。光电池的表示符号、基本电路及

35、等效电路如图所示。IUIdUIRLI(a)(b)(c)光电池符号和基本工作电路2基本特性基本特性(1)光谱特性光谱特性(2)光照特性光照特性(3)频率响应频率响应(4)温度特性温度特性(5)稳定性稳定性上一页下一页返回（1）光谱特性上一页下一页返回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，因此波长的敏感范围是不同的，因此光电池的光谱特性决定于材料光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可。从曲线可看出，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在看出，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰

36、值波长在540nm附附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。204060801000.40.60.81.01.20.2I /%12/m1硒光电池2硅光电池实际中，使用时可根据光源选择光电池，也可以根据光电池来实际中，使用时可根据光源选择光电池，也可以根据光电池来选择相应的光源。选择相应的光源。(2)光照特性上一页下一页返回开开路路电电压压曲曲线线：光光生生电电动动势势与与照照度度之之间间的的特特性性曲曲线线，当当照照度度为

37、为2000lx2000lx时时趋趋向向饱饱和。（呈非和。（呈非线线性关系）性关系）短路短路电电流曲流曲线线：光：光电电流与照度之流与照度之间间的特性曲的特性曲线线。（呈。（呈线线性关系）性关系）所以：当光所以：当光电电阻作阻作为测为测量元件量元件时应时应取短路取短路电电流形式。流形式。L/klxL/klx5432100.10.20.30.40.5246810开路电压Uoc/V0.10.20.30.40.50.30.1012345Uoc/VIsc/mAIsc/mA(a)硅光电池(b)硒光电池开路电压短路电流短路电流光电池的短路电流上一页下一页返回定义定义：指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。

38、：指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足地满足“短路短路”条件。条件。下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx5010010005000RL=0结论：负载结论：负载RL越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。(3)频率特性结论：硅光电池具有较高的频率响应结论：硅光电池具有较高的频率响应,用于高速计

39、数的光电转换用于高速计数的光电转换上一页下一页返回光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池。由于光电池PN结面积较结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率响应曲线。大，极间电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率响应曲线。204060801000I/%1234512f/kHz1硒光电池2硅光电池总趋势：总趋势：f，I，这这是因是因为为响响应应有滞后。有滞后。(4)温度特性上一页下一页返回光电池的温度特性是

40、指光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系开路电压和短路电流随温度变化的关系。由图可见，。由图可见，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。2004060904060UOC/mVT/CISCUOCISC/A600400200UOC开路电压ISC短路电流硅光电池在1000

41、lx照度下的温度特性曲线结论：随结论：随T上升，下降很快上升，下降很快3mv/；随随T上升，上升，缓缓慢上升慢上升210-6A/；3.光光电电池作池作为为光光测测量元件使用量元件使用时时，应应注意采取相注意采取相应应的温度的温度补偿补偿措施。措施。(5)稳定性l当光电池密封良好、电极引线可靠、应当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光电池的性能是相当稳定的用合理时，光电池的性能是相当稳定的 硅光电池的性能比硒光电池更稳定硅光电池的性能比硒光电池更稳定 l影响性能和寿命因素影响性能和寿命因素：光电池的材料及制造工艺光电池的材料及制造工艺使用环境条件使用环境条件 上一页下一页返回5.1.3光

42、敏二极管和光敏晶体管l1工作原理工作原理l2基本特性基本特性上一页下一页返回1工作原理工作原理上一页下一页返回光电二极管和光电池一样，其基本结构光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个也是一个PN结。它和光电池相比，重要的结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。光生电势与光电池相同，但输出电流普好。光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几遍比光电池小，一般为几A到几十到几十A。1）光敏二极管上一页下一页返回光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃

43、外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态反向工作状态，如图所示。，如图所示。PN光光敏二极管符号RL 光PN光敏二极管接线上一页下一页返回光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。反向电流也叫做流很小。反向电流也叫做暗电流暗电流当光照射时，光敏二极当光照射时，光敏二极管的工作原理与光电池的工作原理很相似。管的工作原理与光电池的工作原理很相似。受光照射时，受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子结附近受光子轰击，吸收其能量而

44、产生电子-空穴对，从空穴对，从而使而使P区和区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进区的少数载流子渡越阻挡层进入入N区，区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通区，从而使通过过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。光敏二。光敏二极管的光电流极管的光电流I与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。照特性是线性的，所以适合检测等

45、方面的应用。2）光敏三极管上一页下一页返回光敏三极管有光敏三极管有PNP型和型和NPN型两种，如图。其结构与一般三极管很型两种，如图。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益相似，具有电流增益,只是它的只是它的发射极一边做的很大发射极一边做的很大,以扩大光的照射面积以扩大光的照射面积,且其基极不接引线且其基极不接引线。当集电极加上正电压。当集电极加上正电压,基极开路时基极开路时,集电极处于反向偏集电极处于反向偏置状态。置状态。当光线照射在集电结的基区时当光线照射在集电结的基区时,会产生电子会产生电子-空穴对空穴对,在内电场的作在内电场的作用下用下,光生电子被拉到集电极光生电子被拉到集电极,基区留

46、下空穴基区留下空穴,使基极与发射极间的电压升高使基极与发射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流形成输出电流,且集电极电流为光电流的且集电极电流为光电流的倍。倍。PPNNNPe bc RL Eec b光敏三极管对光电流有放大作用，较二极管灵敏度高。光敏三极管对光电流有放大作用，较二极管灵敏度高。和普通三极管对基极电流的放大作用原理相同。和普通三极管对基极电流的放大作用原理相同。2基本特性基本特性（1）光谱特性）光谱特性（2）光照特性）光照特性（3）伏安特性）伏安特性（4）频率特性）频率特性（5）温度特性）温度特性上一页下一页返回（1）光谱特性 存

47、存在在一一个个最最佳佳灵灵敏敏度度的的峰峰值值波波长长。当当入入射射光光的的波波长长增增加加时时，相相对对灵灵敏敏度度要要下下降降。因因为为光光子子能能量量太太小小，不不足足以以激激发发电电子子空空穴穴对对。当当入入射射光光的的波波长长缩缩短短时时，相相对对灵灵敏敏度度也也下下降降，这这是是由由于于光光子子在在半半导导体体表表面面附附近近就就被被吸吸收收，并并且且在在表表面面激激发发的的电电子子空空穴穴对对不不能能到到达达PN结结，因因而而使使相相对对灵灵敏敏度度下降。下降。硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性可见光或探测赤热状态物体时，可见光或探测赤热状态物体

48、时，一般都用硅管。一般都用硅管。在红外光进行探测时，则锗管较在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。为适宜。上一页下一页返回定义：在一定照度下，其灵敏度（输出光电流）与光波波长定义：在一定照度下，其灵敏度（输出光电流）与光波波长变化的关系。变化的关系。（2）光照特性硅光敏管的光照特性硅光敏管的光照特性上一页下一页返回 光敏二极管与光敏晶体管的光照特性明显不同，以硅管为例如图所示。光敏二极管与光敏晶体管的光照特性明显不同，以硅管为例如图所示。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非线性光敏晶体管的光照特性为非线性，照度较小时，光电流随光照度加强而

49、缓慢增加，当光照度较大时，光电流又照度较小时，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。趋于饱和。从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。定义：在一定偏压下，输出光电流与光照强度之间的关系。定义：在一定偏压下，输出光电流与光照强度之间的关系。可见：光敏二极管光照特性线性好，常用作检测元件。可见：光敏二极管光照特性线性好，常用作检测元件。（3）伏安特性上一页下一页返回u光敏管的输出电流与所加的偏量电压关系不大，具有近似的恒流特性；光敏管的输出电流与所加的偏量电压关系不大，具有近似的恒流特性；u光敏晶体管比光敏二

50、极管的光电流大近百倍，因而具有更高的灵敏度；光敏晶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；u光敏二极管在零偏压下就有一定的光敏二极管在零偏压下就有一定的电流输出，光敏晶体管却有一段死区电流输出，光敏晶体管却有一段死区电压。电压。（4）频率特性硅光敏晶体管的频率响应硅光敏晶体管的频率响应上一页下一页返回0100100050050001000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k入射光调制频率/HZ相对灵敏度/%定义：光敏管光电流输出与调制光频率的关系。定义：光敏管光电流输出与调制光频率的关系。1、无论是哪一类光敏管，其负载电阻越大，频率特性愈差。、无论是哪一