《光电式传感器讲》PPT课件.ppt

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1、第七章第七章 光电式传感器光电式传感器光电传感器的构成：光源、光学通路、光电元件。光电传感器的构成：光源、光学通路、光电元件。光电传感器的构成：光源、光学通路、光电元件。光电传感器的构成：光源、光学通路、光电元件。应用：应用：应用：应用：1 1 1 1、光量变化的非电量；、光量变化的非电量；、光量变化的非电量；、光量变化的非电量；2 2 2 2、能转换成光量变化的其他非电量。、能转换成光量变化的其他非电量。、能转换成光量变化的其他非电量。、能转换成光量变化的其他非电量。特点：非接触、响应快、性能可靠。特点：非接触、响应快、性能可靠。特点：非接触、响应快、性能可靠。特点：非接触、响应快、性能可靠

2、。被测量被测量被测量被测量的变化的变化的变化的变化光信号光信号光信号光信号的变化的变化的变化的变化电信号电信号电信号电信号的变化的变化的变化的变化 光光光光电电电电式式式式传传传传感感感感器器器器的的的的应应应应用用用用可可可可归归归归纳纳纳纳为为为为四四四四种种种种基基基基本本本本形形形形式式式式，即辐射式即辐射式即辐射式即辐射式(直射式直射式直射式直射式)、吸收式、遮光式、反射式、。、吸收式、遮光式、反射式、。、吸收式、遮光式、反射式、。、吸收式、遮光式、反射式、。7.1 7.1 7.1 7.1 概概概概 述述述述1 1 光的特性光的特性光的特性光的特性光波是波长为光波是波长为光波是波长为

3、光波是波长为101010106 6nmnm的电磁波。的电磁波。的电磁波。的电磁波。1000,000 nm1000,000 nm10 nm10 nm780 nm780 nm380 nm380 nm可见光可见光可见光可见光红外光红外光红外光红外光紫外光紫外光紫外光紫外光性质：性质：性质：性质：光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。吸收等性质。吸收等性质。吸收等性质。1905190519051905年年年年，爱爱爱爱因因因因斯斯斯斯坦坦坦坦提提提提出出出出了了了了光光光光子子

4、子子假假假假设设设设：光光光光在在在在空空空空间间间间传传传传播播播播时时时时，是是是是不不不不连连连连续续续续的的的的，也也也也具具具具有有有有粒粒粒粒子子子子性性性性，即即即即一一一一束束束束光光光光是是是是一一一一束束束束以以以以光光光光速速速速运运运运动动动动的的的的粒粒粒粒子子子子流流流流，爱爱爱爱因因因因斯斯斯斯坦坦坦坦把把把把这这这这些些些些不不不不连连连连续续续续的的的的量量量量子子子子称称称称为为为为“光光光光量量量量子子子子”。1926192619261926年年年年，美美美美国国国国物物物物理理理理学学学学家家家家刘刘刘刘易易易易斯斯斯斯把把把把这这这这一一一一名名名名词

5、词词词改改改改称称称称为为为为“光子光子光子光子”，并沿用至今。，并沿用至今。，并沿用至今。，并沿用至今。每个光子的能量为每个光子的能量为每个光子的能量为每个光子的能量为 E E E E=h h h h 可见，光的频率愈高，可见，光的频率愈高，可见，光的频率愈高，可见，光的频率愈高，光子的能量愈大。光子的能量愈大。光子的能量愈大。光子的能量愈大。2 2 光源（发光器件）光源（发光器件）光源（发光器件）光源（发光器件）1 1）.白炽光源白炽光源白炽光源白炽光源最为普通的是最为普通的是最为普通的是最为普通的是用钨丝通电加热作为光辐射源。一般白用钨丝通电加热作为光辐射源。一般白用钨丝通电加热作为光辐

6、射源。一般白用钨丝通电加热作为光辐射源。一般白炽灯的辐射炽灯的辐射炽灯的辐射炽灯的辐射光谱是连续的光谱是连续的光谱是连续的光谱是连续的。发光范围：发光范围：发光范围：发光范围：320 nm2500 nm320 nm2500 nm320 nm2500 nm320 nm2500 nm,所以任何光敏元件都所以任何光敏元件都所以任何光敏元件都所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。能和它配合接收到光信号。能和它配合接收到光信号。能和它配合接收到光信号。特点：特点：特点：特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但寿命短

7、而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。2 2）.气体放电光源气体放电光源气体放电光源气体放电光源利用电流通过气体产生发光现象制成的灯即利用电流通过气体产生发光现象制成的灯即利用电流通过气体产生发光现象制成的灯即利用电流通过气体产生发光现象制成的灯即气体放电气体放电气体放电气体放电灯。灯。灯。灯。它的光谱是它的光谱是它的光谱是它的光谱是不连续不连续不连续不连续的，的，的，的，光谱与气体的种类及放电条件有光谱与气体的种类

8、及放电条件有光谱与气体的种类及放电条件有光谱与气体的种类及放电条件有关关关关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射可得到主要在某一光谱范围的辐射可得到主要在某一光谱范围的辐射可得到主要在某一光谱范围的辐射。汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长为，

9、钠灯的辐射波长为589nm，可被用作单色光源。，可被用作单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，通过荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如照明日光灯。如照明日光灯。气体放电灯消耗的能量为白炽灯气体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/3。构成：构成：构成：构成：由由由由半导体半导体半导体半导体PNPNPNPN结结结结构成。构成。构成。构成。特点：特点：特点：特点：工作电压低、响应速度快

10、、寿命长、体积小、工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。重量轻，因此获得了广泛的应用。重量轻，因此获得了广泛的应用。重量轻，因此获得了广泛的应用。3 3）.发光二极管（发光二极管（发光二极管（发光二极管（LEDLight Emitting DiodeLEDLight Emitting Diode）R RU UNP+-UiD+_原理：原理：原理：原理：当加正向电压时当加正向电压时当加正向电压时当加正向电压时，势垒降低，电子由，势垒降低，电子由，势垒降低，电子由，势垒降低，电子由N N

11、N N区注入到区注入到区注入到区注入到P P P P区，区，区，区，和和和和P P P P区里的空穴复合；空穴则由区里的空穴复合；空穴则由区里的空穴复合；空穴则由区里的空穴复合；空穴则由P P P P区注入到区注入到区注入到区注入到N N N N区，和区，和区，和区，和N N N N区区区区里的电子复合，这种电子空穴对的里的电子复合，这种电子空穴对的里的电子复合，这种电子空穴对的里的电子复合，这种电子空穴对的复合同时伴随着光复合同时伴随着光复合同时伴随着光复合同时伴随着光子的放出子的放出子的放出子的放出，因而发光。，因而发光。，因而发光。，因而发光。电电电电子子子子和和和和空空空空穴穴穴穴复复

12、复复合合合合，所所所所释释释释放放放放的的的的能能能能量量量量等等等等于于于于PNPNPNPN结结结结的的的的禁禁禁禁带带带带宽宽宽宽度度度度（即即即即能能能能量量量量间间间间隙隙隙隙）E E E Eg g g g。所所所所放放放放出出出出的的的的光光光光子子子子能能能能量量量量用用用用hhhh表表表表示示示示，有有有有普朗克常数普朗克常数普朗克常数普朗克常数h h h h=6.610=6.610=6.610=6.610-34-34-34-34；光速光速光速光速c c c c=310=310=310=3108 8 8 8m/sm/sm/sm/s；hc=19.810-26mWs=12.410-7

13、meVE Eg g的单位为的单位为的单位为的单位为eVeV，1eV=1.61eV=1.6 1010-19-19J J。可见光的波长可见光的波长可见光的波长可见光的波长 近似地认为在近似地认为在近似地认为在近似地认为在710710-7-7mm以下，所以制作以下，所以制作以下，所以制作以下，所以制作可见光区的发光二极管，其材料的禁带宽度至少应大可见光区的发光二极管，其材料的禁带宽度至少应大可见光区的发光二极管，其材料的禁带宽度至少应大可见光区的发光二极管，其材料的禁带宽度至少应大于于于于 h ch c/=1.8 eV =1.8 eV 普通二极管是用硅或锗制造的，这两种材料的禁带宽度普通二极管是用硅

14、或锗制造的，这两种材料的禁带宽度普通二极管是用硅或锗制造的，这两种材料的禁带宽度普通二极管是用硅或锗制造的，这两种材料的禁带宽度E E E Eg g g g分别为分别为分别为分别为和和和和 eVeVeVeV，显然不能使用。，显然不能使用。，显然不能使用。，显然不能使用。通通通通常常常常用用用用的的的的砷砷砷砷化化化化镓镓镓镓和和和和磷磷磷磷化化化化镓镓镓镓两两两两种种种种材材材材料料料料固固固固溶溶溶溶体体体体，写写写写作作作作GaAsGaAsGaAsGaAs1-x1-x1-x1-xP P P Px x x x，x x x x代代代代表表表表磷磷磷磷化化化化镓镓镓镓的的的的比比比比例例例例，当

15、当当当x x x x时时时时，可可可可得得得得到到到到的的的的材材材材料料料料。改改改改变变变变x x x x值值值值还还还还可可可可以以以以决决决决定定定定发发发发光光光光波波波波长长长长，使使使使 在在在在550550550550900nm900nm900nm900nm间变化。间变化。间变化。间变化。与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表：与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表：与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表：与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表：材料材料材料材料波长波长波长波长/nm/nm/nm/nm材料材料材料材料波长波长波长波长/nm/nm/nm/nmZnSZnSZ

16、nSZnS340340340340CuSe-ZnSeCuSe-ZnSeCuSe-ZnSeCuSe-ZnSe400400400400630630630630SiCSiCSiCSiC480480480480ZnZnZnZnx x x xCdCdCdCd1-x1-x1-x1-xTeTeTeTe590590590590830830830830GaPGaPGaPGaP565,680565,680565,680565,680GaAsGaAsGaAsGaAs1-x1-x1-x1-xP P P Px x x x550550550550900900900900GaAsGaAsGaAsGaAs9009009009

17、00InPInPInPInPx x x xAsAsAsAs1-x1-x1-x1-x9109109109103150315031503150InPInPInPInP920920920920InInInInx x x xGaGaGaGa1-x1-x1-x1-xAsAsAsAs8508508508501350135013501350 LED LED LED LED材料材料材料材料 发发发发光光光光二二二二极极极极管管管管的的的的光光光光谱谱谱谱特特特特性性性性如如如如图图图图所所所所示示示示。图图图图中中中中砷砷砷砷磷磷磷磷化化化化镓镓镓镓曲曲曲曲线线线线有有有有两两两两根根根根，这这这这是是是是因

18、因因因为为为为其其其其材材材材质质质质成成成成分分分分稍稍稍稍有有有有差差差差异异异异而而而而得得得得到到到到不不不不同同同同的的的的峰峰峰峰值值值值波波波波长长长长 p p p p。除除除除峰峰峰峰值值值值波波波波长长长长 p p p p决决决决定定定定发发发发光光光光颜颜颜颜色色色色之之之之外外外外，峰峰峰峰的的的的宽宽宽宽度度度度（用用用用 描描描描述述述述）决决决决定定定定光光光光的的的的色色色色彩彩彩彩纯纯纯纯度度度度，越越越越小小小小，其光色越纯。其光色越纯。其光色越纯。其光色越纯。发光二极管的光谱特性发光二极管的光谱特性发光二极管的光谱特性发光二极管的光谱特性0.20.20.40

19、.40.60.60.80.8 1.01.0 0 060060070070080080090090010001000GaAsPGaAsPp=670nmp=670nmp=670nmp=670nmp=655nmp=655nmp=655nmp=655nmGaAsPGaAsPp=565nmp=565nmp=565nmp=565nmGaPGaPp=950nmp=950nmp=950nmp=950nmGaAsGaAs/nmnmnmnm相相相相对对对对灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度 U U U U/V/V/V/V I I I I/mA/mA/mA/mA -10-10-10-10 -5-5-5-5 0 0 0 0 1

20、 1 1 12 2 2 2GaAsP(GaAsP(GaAsP(GaAsP(红红红红)GaAsP(GaAsP(GaAsP(GaAsP(绿绿绿绿)反向电压应反向电压应反向电压应反向电压应在在在在5V5V5V5V以下以下以下以下!发发发发光光光光二二二二极极极极管管管管的的的的伏伏伏伏安安安安特特特特性性性性与与与与普普普普通通通通二二二二极极极极管管管管相相相相似似似似，但但但但随随随随材材材材料料料料禁禁禁禁带带带带宽宽宽宽度度度度的的的的不不不不同同同同，开开开开启启启启（点点点点燃燃燃燃）电电电电压压压压略略略略有有有有差差差差异异异异。红红红红色色色色约为开启，绿色约为。约为开启，绿色约为

21、。约为开启，绿色约为。约为开启，绿色约为。砷磷化镓发光二极管的伏安曲线砷磷化镓发光二极管的伏安曲线4 4 4 4）、激光器）、激光器）、激光器）、激光器激光（激光（激光（激光（Laser:Light amplification by stimulated emission of radiation）是是是是20202020世纪世纪世纪世纪60606060年代出现的最重年代出现的最重年代出现的最重年代出现的最重大科技成就之一。具有高方向性、高单色性、高亮度大科技成就之一。具有高方向性、高单色性、高亮度大科技成就之一。具有高方向性、高单色性、高亮度大科技成就之一。具有高方向性、高单色性、高亮度和高

22、的相干性四个重要特性。激光波长一般从到远红和高的相干性四个重要特性。激光波长一般从到远红和高的相干性四个重要特性。激光波长一般从到远红和高的相干性四个重要特性。激光波长一般从到远红外整个光频波段范围。外整个光频波段范围。外整个光频波段范围。外整个光频波段范围。X-X-X-X-射线激光器。射线激光器。射线激光器。射线激光器。激光器种类繁多，按工作物质分类：激光器种类繁多，按工作物质分类：激光器种类繁多，按工作物质分类：激光器种类繁多，按工作物质分类：u固体激光器固体激光器固体激光器固体激光器（如红宝石激光器）（如红宝石激光器）（如红宝石激光器）（如红宝石激光器）u气体激光器气体激光器气体激光器气

23、体激光器（如氦（如氦（如氦（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）氖气体激光器、二氧化碳激光器）氖气体激光器、二氧化碳激光器）氖气体激光器、二氧化碳激光器）u液体激光器液体激光器液体激光器液体激光器（染料激光器）。（染料激光器）。（染料激光器）。（染料激光器）。u半导体激光器半导体激光器半导体激光器半导体激光器（如砷化镓激光器）（如砷化镓激光器）（如砷化镓激光器）（如砷化镓激光器）（1 1 1 1）固体激光器）固体激光器）固体激光器）固体激光器 典型实例是红宝石激光器，是典型实例是红宝石激光器，是典型实例是红宝石激光器，是典型实例是红宝石激光器，是1960196019601960年人类发明的第一

24、年人类发明的第一年人类发明的第一年人类发明的第一台激光器（台激光器（台激光器（台激光器（T.Maiman）。）。工作物质为工作物质为红宝石红宝石-掺掺0.05%Cr+3 的的的的Al2O3棒。棒。Nd:YAG激光器 掺掺 Nd+3 离子的激光器有三种离子的激光器有三种:玻璃玻璃钇铝石榴石钇铝石榴石钇铝石榴石钇铝石榴石氟化钇锂氟化钇锂（YLF：LiYF4)Nd+3Y3Al5O12激活离子激活离子激活离子激活离子 基基基基质质质质钇铝石榴石钇铝石榴石钇铝石榴石钇铝石榴石（2 2 2 2）气体激光器）气体激光器）气体激光器）气体激光器工作物质是气体。工作物质是气体。工作物质是气体。工作物质是气体。种

25、类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。常用的有常用的有常用的有常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器以及二氧化碳激光器、准分子激光器以及二氧化碳激光器、准分子激光器以及二氧化碳激光器、准分子激光器等，其形状像普等，其形状像普等，其形状像普等，其形状像普通的放电管一样，能连续工作，单色性

26、好。波长覆盖通的放电管一样，能连续工作，单色性好。波长覆盖通的放电管一样，能连续工作，单色性好。波长覆盖通的放电管一样，能连续工作，单色性好。波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。了从紫外到远红外的频谱区域。了从紫外到远红外的频谱区域。了从紫外到远红外的频谱区域。（3 3 3 3）液体激光器）液体激光器）液体激光器）液体激光器种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中较为重要的是光器，其中较为重要的是光器，其中较为重要的是光器，其中较为重要的是有

27、机染料激光器有机染料激光器有机染料激光器有机染料激光器。它的最大。它的最大。它的最大。它的最大特点是发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效特点是发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效特点是发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效特点是发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作用。用。用。用。（4 4 4 4）半导体激光器）半导体激光器）半导体激光器）半导体激光器与与与与前前前前几几几几种种种种相相相相比比比比出

28、出出出现现现现较较较较晚晚晚晚，其其其其成成成成熟熟熟熟产产产产品品品品是是是是砷砷砷砷化化化化镓镓镓镓激激激激光光光光器器器器。特特特特点点点点：效效效效率率率率高高高高、体体体体积积积积小小小小、重重重重量量量量轻轻轻轻、结结结结构构构构简简简简单单单单，适适适适宜宜宜宜在在在在飞飞飞飞机机机机、军军军军舰舰舰舰、坦坦坦坦克克克克上上上上应应应应用用用用以以以以及及及及步步步步兵兵兵兵随随随随身身身身携携携携带带带带。其其其其缺缺缺缺点点点点是是是是输输输输出出出出功功功功率率率率较较较较小小小小。目目目目前前前前半半半半导导导导体体体体激激激激光光光光器器器器可可可可选选选选择择择择的波

29、长主要局限在红光和红外区域。的波长主要局限在红光和红外区域。的波长主要局限在红光和红外区域。的波长主要局限在红光和红外区域。两类：外光电效应和内光电效应。两类：外光电效应和内光电效应。两类：外光电效应和内光电效应。两类：外光电效应和内光电效应。1 1 外光电效应外光电效应外光电效应外光电效应在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做的现象叫做的现象叫做的现象叫做外光电效应。外光电效应。外光电效应。外光电效应。6.2 6.2 光电效应光电效应光电

30、效应光电效应18871887年，首先是赫兹（）在证明波动理论实验中首次年，首先是赫兹（）在证明波动理论实验中首次年，首先是赫兹（）在证明波动理论实验中首次年，首先是赫兹（）在证明波动理论实验中首次发现的；发现的；发现的；发现的；19021902年，勒纳（年，勒纳（年，勒纳（年，勒纳（Lenard)Lenard)也对其进行了研究，指出光也对其进行了研究，指出光也对其进行了研究，指出光也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现

31、象。但无法根据当时的理论加以解释逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释 ；19051905年，爱因斯坦提出了光子假设。年，爱因斯坦提出了光子假设。年，爱因斯坦提出了光子假设。年，爱因斯坦提出了光子假设。爱因斯坦光电效应方程：爱因斯坦光电效应方程：爱因斯坦光电效应方程：爱因斯坦光电效应方程：1.1.1.1.光电子能否产生，取决于光子的能量是光电子能否产生，取决于光子的能量是光电子能否产生，取决于光子的能量是光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功否大于该物体的表面电子逸出功否大于该物体的表面电

32、子逸出功否大于该物体的表面电子逸出功A A A A。2.2.2.2.一定时，产生的光电流和光强成正比。一定时，产生的光电流和光强成正比。一定时，产生的光电流和光强成正比。一定时，产生的光电流和光强成正比。3.3.3.3.逸出的光电子具有动能。逸出的光电子具有动能。逸出的光电子具有动能。逸出的光电子具有动能。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。2 2 内光电效应内光电效应内光电效应内光电效应 当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产当光照在物体上

33、，使物体的电导率发生变化，或产当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。分为生光生电动势的现象。分为生光生电动势的现象。分为生光生电动势的现象。分为光电导效应和光生伏特效光电导效应和光生伏特效光电导效应和光生伏特效光电导效应和光生伏特效应（光伏效应）应（光伏效应）应（光伏效应）应（光伏效应）。1 1）光电导效应）光电导效应）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度在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状

34、态，而引起材料电导率的变化。到自由状态，而引起材料电导率的变化。到自由状态，而引起材料电导率的变化。到自由状态，而引起材料电导率的变化。自由电子所占能带自由电子所占能带自由电子所占能带自由电子所占能带不存在电子所占能带不存在电子所占能带不存在电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带价电子所占能带价电子所占能带价电子所占能带禁带禁带禁带禁带导带导带导带导带价带价带价带价带 EgEg电子能量电子能量电子能量电子能量E E E Eh Eg g当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半当光照射到光电导体

35、上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强导体材料，且光辐射能量又足够强导体材料，且光辐射能量又足够强导体材料，且光辐射能量又足够强,光电材料价带上光电材料价带上光电材料价带上光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大基于这种效应的光电器件有光敏电阻。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。势垒效应（结光电效应）势垒效应（结光电效应）势垒效应（结光电效应）势垒效应

36、（结光电效应）光照射光照射光照射光照射PNPNPNPN结时，若结时，若结时，若结时，若h h h h EgEgEgEg，使价带中的电子跃迁，使价带中的电子跃迁，使价带中的电子跃迁，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在到导带，而产生电子空穴对，在到导带，而产生电子空穴对，在到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场阻挡层内电场阻挡层内电场阻挡层内电场的作用的作用的作用的作用下，电子偏向下，电子偏向下，电子偏向下，电子偏向N N N N区外侧，空穴偏向区外侧，空穴偏向区外侧，空穴偏向区外侧，空穴偏向P P P P区外侧，使区外侧，使区外侧，使区外侧，使P P P P区带区带区带区带正电，正

37、电，正电，正电，N N N N区带负电，形成光生电动势。区带负电，形成光生电动势。区带负电，形成光生电动势。区带负电，形成光生电动势。）光生伏特效应：）光生伏特效应：）光生伏特效应：）光生伏特效应：在光作用下能使物体产生一定方在光作用下能使物体产生一定方在光作用下能使物体产生一定方在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。向电动势的现象。向电动势的现象。向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二基于该效应的器件有光电池和光敏二基于该效应的器件有光电池和光敏二基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。极管、三极管。极管、三极管。极管、三极管。P PN N侧向光电效应侧向光电效应侧向光

38、电效应侧向光电效应 当当当当半半半半导导导导体体体体光光光光电电电电器器器器件件件件受受受受光光光光照照照照不不不不均均均均匀匀匀匀时时时时，光光光光照照照照部部部部分分分分产产产产生生生生电电电电子子子子空空空空穴穴穴穴对对对对，载载载载流流流流子子子子浓浓浓浓度度度度比比比比未未未未受受受受光光光光照照照照部部部部分分分分的的的的大大大大，出出出出现现现现了了了了载载载载流流流流子子子子浓浓浓浓度度度度梯梯梯梯度度度度，引引引引起起起起载载载载流流流流子子子子扩扩扩扩散散散散，如如如如果果果果电电电电子子子子比比比比空空空空穴穴穴穴扩扩扩扩散散散散得得得得快快快快，导导导导致致致致光光光光

39、照照照照部部部部分分分分带带带带正正正正电电电电，未未未未照照照照部部部部分分分分带带带带负负负负电，从而产生电动势，即为电，从而产生电动势，即为电，从而产生电动势，即为电，从而产生电动势，即为侧向光电效应侧向光电效应侧向光电效应侧向光电效应。1 1光电管及其基本特性光电管及其基本特性光电管及其基本特性光电管及其基本特性 ）结构与工作原理）结构与工作原理）结构与工作原理）结构与工作原理外光电效应器件外光电效应器件外光电效应器件外光电效应器件）主要性能）主要性能）主要性能）主要性能（1 1 1 1）光电管的）光电管的）光电管的）光电管的伏安特性伏安特性伏安特性伏安特性 在一定的光照射下，对光电器

40、件的阴极所加电压与在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性 真空光电管真空光电管真空光电管真空光电管 充气光电管充气光电管充气光电管充气光电管15015010010050502 20 020lm20lm40lm40lm60lm60lm80lm80lm100lm100lm120lm120lm4 46 68 810101212

41、阴极电压阴极电压阴极电压阴极电压/V/V/V/VI I I IA A A A/A/A/A/A2 20 01001005050弱光弱光弱光弱光强光强光强光强光1501504 46 68 810101212阴极电压阴极电压阴极电压阴极电压/V/V/V/VI I I IA A A A/A/A/A/A（2 2 2 2）光电管的）光电管的）光电管的）光电管的光照特性光照特性光照特性光照特性当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通量与光电流之间的关系。量与光电流之

42、间的关系。量与光电流之间的关系。量与光电流之间的关系。光照特性曲线的斜率光照特性曲线的斜率光照特性曲线的斜率光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。称为光电管的灵敏度。称为光电管的灵敏度。称为光电管的灵敏度。图图图图8-5 8-5 8-5 8-5 光电管的光照特性光电管的光照特性光电管的光照特性光电管的光照特性2525505075751001002 20 00.50.51.51.5 2.02.0/1m/1mI IA A/A/A1.01.02.52.51 11-1-氧铯阴极氧铯阴极氧铯阴极氧铯阴极2-2-锑铯阴极锑铯阴极锑铯阴极锑铯阴极(3)(3)(3)(3)光电管的光谱特性光电管的光谱特性光电管

43、的光谱特性光电管的光谱特性 一般光电阴极材料不同的光电管有不同的红限频率，一般光电阴极材料不同的光电管有不同的红限频率，一般光电阴极材料不同的光电管有不同的红限频率，一般光电阴极材料不同的光电管有不同的红限频率，因此它们可用于不同的光谱范围。因此它们可用于不同的光谱范围。因此它们可用于不同的光谱范围。因此它们可用于不同的光谱范围。另外，同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。另外，同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。另外，同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。另外，同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。以以以以GD-4GD-4型光电管为例，阴极是用型光电管为例，阴极是用型光电管为例，阴

44、极是用型光电管为例，阴极是用锑铯锑铯锑铯锑铯材料制成，其材料制成，其材料制成，其材料制成，其红红红红限限限限cc=700nm=700nm，对可见光范围的入射光灵敏度比较高。，对可见光范围的入射光灵敏度比较高。，对可见光范围的入射光灵敏度比较高。，对可见光范围的入射光灵敏度比较高。适用于白光光源，被应用于各种光电式自动检测仪表适用于白光光源，被应用于各种光电式自动检测仪表适用于白光光源，被应用于各种光电式自动检测仪表适用于白光光源，被应用于各种光电式自动检测仪表中。中。中。中。对对对对红外光源红外光源红外光源红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外探测器。，常用银氧铯阴极，构成红外探测器。，常用银氧铯

45、阴极，构成红外探测器。，常用银氧铯阴极，构成红外探测器。对对对对紫外光源紫外光源紫外光源紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。，常用锑铯阴极和镁镉阴极。，常用锑铯阴极和镁镉阴极。，常用锑铯阴极和镁镉阴极。国产光电管的技术参数国产光电管的技术参数国产光电管的技术参数国产光电管的技术参数 内光内光电电效效应应器件器件1.1.光敏电阻光敏电阻 (1)(1)工工作作原原理理 光光敏敏电电阻阻是是采采用用半半导导体体材材料料制制做做，利利用用内内光光电电效效应应工工作作的的光光电电元元件件。它它在在光光线线的的作作用用下下其其阻阻值值往往往往变变小小，这这种种现现象象称称为为光光导导效效应应，因因此此，光光

46、敏电阻又称光导管。敏电阻又称光导管。(a)(b)图图7-9 光敏电阻的结构和原理光敏电阻的结构和原理 光光敏敏电电阻阻的的原原理理结结构构如如图图所所示示。在在黑黑暗暗环环境境里里，它它的的电电阻阻值值很很高高，当当受受到到光光照照时时，只只要要光光子子能能量量大大于于半半导导体体材材料料的的禁禁带带宽宽度度，则则价价带带中中的的电电子子吸吸收收一一个个光光子子的的能能量量后后可可跃跃迁迁到到导导带带，并并在在价价带带中中产产生生一一个个带带正正电电荷荷的的空空穴穴，这这种种由由光光照照产产生生的的电电子子空空穴穴对对增增加加了了半半导导体体材材料料中中载载流流子子的的数数目目，使使其其电电阻

47、阻率率变变小小，从从而而造造成成光光敏敏电电阻阻阻阻值值下下降降。光光照照愈愈强强，阻阻值值愈愈低低。入入射射光光消消失失后后，由由光光子子激激发发产产生生的的电电子子空空穴穴对对将将逐逐渐渐复复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。在在光光敏敏电电阻阻两两端端的的金金属属电电极极之之间间加加上上电电压压，其其中中便便有有电电流流通通过过，受受到到适适当当波波长长的的光光线线照照射射时时，电电流流就就会会随随光光强强的的增增加加而而变变大大，从从而而实实现现光光电电转转换换。光光敏敏电电阻阻没没有有极极性性，纯纯粹粹是是一一个个电电阻阻。电电阻阻器器件件，使使

48、用用时时既既可加直流电压，也可以加交流电压。可加直流电压，也可以加交流电压。（2 2）基本特性和参数基本特性和参数 a)a)暗暗电阻、亮阻、亮电阻阻 光光敏敏电电阻阻在在室室温温和和全全暗暗条条件件下下测测得得的的稳稳定定电电阻阻值值称称为为暗暗电电阻阻，或或暗暗阻阻。此此时时流流过过的的电电流流称称为为暗暗电电流流。例例如如MG41-21MG41-21型光敏电阻型光敏电阻暗阻大于等于暗阻大于等于。光光敏敏电电阻阻在在室室温温和和一一定定光光照照条条件件下下测测得得的的稳稳定定电电阻阻值值称称为为亮亮电电阻阻或或亮亮阻阻。此此时时流流过过的的电电流流称称为为亮亮电电流流。MG41MG41212

49、1型光敏电阻型光敏电阻亮阻小于等于亮阻小于等于1k1k。亮电流与暗电流之差称为光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。显显然然，光光敏敏电电阻阻的的暗暗阻阻越越大大越越好好，而而亮亮阻阻越越小小越越好好，也也就就是是说说暗暗电电流流要要小小，亮亮电电流流要要大大。这这样样光光敏敏电电阻阻的的灵灵敏敏度就高。度就高。b)b)伏安特性伏安特性 在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与流在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与流过光敏电阻的电流之间的关系，称为伏安特性。过光敏电阻的电流之间的关系，称为伏安特性。c)c)光电特性光电特性 光光敏敏电电阻阻的的光光电电流流与与光光照照度度之之间间的的关关系系称称

50、为为光光电电特特性性。如如图图6-1-76-1-7所所示示，光光敏敏电电阻阻的的光光电电特特性性呈呈非非线线性性。因因此此不不适适宜宜做做检检测测元元件件，这这是是光光敏敏电阻的缺点之一，在自动控制中它常用做开关式光电传感器。电阻的缺点之一，在自动控制中它常用做开关式光电传感器。d)d)光谱特性光谱特性 对对于于不不同同波波长长的的入入射射光光，光光敏敏电电阻阻的的相相对对灵灵敏敏度度是是不不相相同同的的。各各种种材材料料的的光光谱谱特特性性如如图图6-1-86-1-8所所示示。从从图图中中看看出出，硫硫化化镉镉的的峰峰值值在在可可见见光光区区域域，而而硫硫化化铅铅的的峰峰值值在在红红外外区区