传感器原理光传感器精选PPT.ppt

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1、传感器原理传感器原理光传感光传感器器第1页，此课件共57页哦第五章第五章 光传感器光传感器 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 外光电效应器件外光电效应器件 第三节第三节 内光电效应器件内光电效应器件 第四节第四节 新型光电传感器新型光电传感器 第五节第五节 光敏传感器的应用举例光敏传感器的应用举例光光传传感感器器是是各各种种光光电电检检测测系系统统中中实实现现光光电电转转换换的的关关键键元元件件，它它是是把把光光信信号号（红红外外、可可见见及及紫紫外外光光辐辐射）转变成为电信号的器件射）转变成为电信号的器件。第2页，此课件共57页哦一、光谱一、光谱光波光波：波长为：波长为10106nm的电

2、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波长波长3m（即（即3000nm）以下的称近红外线）以下的称近红外线波长超过波长超过3m的红外线称为远红外线。的红外线称为远红外线。光谱分布如图所示。光谱分布如图所示。第一节第一节 概概 述述第3页，此课件共57页哦远远紫紫外外近近紫紫外外可见光可见光近红外近红外远红外远红外极远紫外极远紫外0.010.11100.0

3、50.55波长波长/mm光光的的波波长长与与频频率率的的关关系系由由光光速速确确定定，真真空空中中的的光光速速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。=31010cm/s第4页，此课件共57页哦二、光源（发光器件）二、光源（发光器件）1 1、钨丝白炽灯、钨丝白炽灯用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射光谱是的辐射光谱是连续的。连续的。发光范围发光范围：可见光外、大量红外线和紫外线，所以任何光敏：可见光外、大量红外线和紫外

4、线，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。元件都能和它配合接收到光信号。2 2、气体放电灯、气体放电灯定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。气气体体放放电电灯灯的的光光谱谱是是不不连连续续的的，光光谱谱与与气气体体的的种种类类及及放放电电条条件件有有关关。改改变变气气体体的的成成分分、压压力力、阴阴极极材材料料和和放放电电电电流流大大小小，可可得得到到主主要要在在某某一一光光谱谱范范围围的的辐辐射射。它它们们经经常常用作光电检测仪器的用作光电检测仪器的单色光源单色光源。气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/21/3

5、。第5页，此课件共57页哦3 3、发光二极管、发光二极管LED（LightEmittingDiode）由由半半导导体体PN结结构构成成，其其工工作作电电压压低低、响响应应速速度度快快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。在半导体在半导体PN结中，结中，P区的空穴由于扩散而移动到区的空穴由于扩散而移动到N区，区，N区的电子则扩散到区的电子则扩散到P区，在区，在PN结处形成势垒（内电场），从结处形成势垒（内电场），从而抑制了空穴和电子的继续扩散。而抑制了空穴和电子的继续扩散。当当PN结上加有正向电压时，结上加有正向电压时，势垒（内电场）降低，

6、电子由势垒（内电场）降低，电子由N区注入到区注入到P区，空穴则由区，空穴则由P区区注入到注入到N区，称为少数载流子注入。区，称为少数载流子注入。所注入到所注入到P区里的电子区里的电子和和P区里的空穴复合区里的空穴复合，注入到，注入到N区里的空穴和区里的空穴和N区里的电子复区里的电子复合合，这种复合同时伴随着以，这种复合同时伴随着以光子形式放出能量光子形式放出能量，因而有发光，因而有发光现象。现象。第6页，此课件共57页哦4 4、激光器、激光器激光是激光是20世纪世纪60年代出现的最重大科技成就之一，年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特具有高方向性、高单色性和高

7、亮度三个重要特性。激光波长从性。激光波长从0.24m到远红外整个光频波段到远红外整个光频波段范围。范围。激光器种类激光器种类繁多，按工作物质分类：繁多，按工作物质分类：固体固体激光器（如红宝石激光器）激光器（如红宝石激光器）气气体体激激光光器器（如如氦氦-氖氖气气体体激激光光器器、二二氧氧化化碳碳激激光光器）器）半导体半导体激光器（如砷化镓激光器）激光器（如砷化镓激光器）液体液体激光器。激光器。第7页，此课件共57页哦三、光电效应三、光电效应是是指指物物体体吸吸收收了了光光能能后后转转换换为为该该物物体体中中某某些些电电子子的的能能量量，从从而而产产生生的的电电效效应应。光光电电传传感感器器的

8、的工工作作原原理理基基于于光光电电效效应。光电效应分为应。光电效应分为外光电效应外光电效应和和内光电效应内光电效应两大类两大类1 1、外光电效应、外光电效应在在光光线线的的作作用用下下，物物体体内内的的电电子子逸逸出出物物体体表表面面向向外外发发射射的的现现象象称称为为外外光光电电效效应应。向向外外发发射射的的电电子子叫叫做做光光电电子子。基基于于外外光光电效应的光电器件有电效应的光电器件有光电管光电管、光电倍增管光电倍增管等。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：E=hh普朗克常数，普朗克常数，6.62610-34Js；光的频率（光的频率（s-1）第

9、8页，此课件共57页哦根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能根据爱因斯坦假设，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，必须使量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子光子的能量大于该物体的表面逸出功的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量，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。该方

10、程称为爱因斯坦光电效应方程。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。第9页，此课件共57页哦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

11、反之之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。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，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。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，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。器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电

12、压与为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。入射光的频率成正比。第10页，此课件共57页哦当光照射在物体上，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或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为分为光电导效应光电导效应和和光生伏特效应光生伏特效应两类：两类：（1）光电导效应光电导效应在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过在光线作用，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

13、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象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。光敏电阻。2 2、内光电效应、内光电效应第11页，此课件共57页哦过过程程：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内的的空空穴浓度增加，从而使电导率变大。穴浓度增加，从而使电导率变大。导带导带价带价带禁带禁带自由电子所占能带自

14、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价电子所占能带价电子所占能带Eg电子能级示意图电子能级示意图第12页，此课件共57页哦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，只有波长小波长小于于0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间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。的跃进，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材料为了实现能级的跃迁，入射

15、光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度的禁带宽度Eg，即，即第13页，此课件共57页哦（2）光生伏特效应光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向的电在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应动势的现象叫做光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。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结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。以这就是结光电效应。以PN结结为例，光线照射为例，光线照射PN结时，

16、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，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻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用下，被光激发的电子移向挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，区外侧，被光激发的空穴移向被光激发的空穴移向P区外侧，从而使区外侧，从而使P区带正电，区带正电，N区带区带负电，形成光电动势。负电，形成光电动势。第14页，此课件共57页哦侧向光电效应。侧向光电效应。当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入。当光照

17、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，就出现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，电子迁移率比空穴大，那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，未被光照射部分带负电，光照部分与分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于该效应的光电未被光照部分产生光电动势。基于该效应的光电器

18、件如半导体光电位置敏感器件（器件如半导体光电位置敏感器件（PSD）。）。第15页，此课件共57页哦利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。倍增管。一、光电管及其基本特性一、光电管及其基本特性光电管的结构示意图光电管的结构示意图光光阳极阳极光电阴极光电阴极光窗光窗1.1.结构与工作原理结构与工作原理光电管有光电管有真空光电管真空光电管和和充气光充气光电管电管或称或称电子光电管电子光电管和和离子光电管离子光电管两类。两者结构

19、相似，如图。它们两类。两者结构相似，如图。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。矩形或圆形，置于玻璃管的中央。第二节第二节 外光电效应器件外光电效应器件第16页，此课件共57页哦光光电电器器件件的的性性能能主主要要由由伏伏安安特特性性、光光照照特特性性、光光谱谱特特性性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。（1 1）光电管

20、的伏安特性光电管的伏安特性2.2.主要性能主要性能在在一一定定的的光光照照射射下下，对对光光电电器器件件的的阴阴极极所所加加电电压压与与阳阳极极所所产产生生的的电电流流之之间间的的关关系系称称为为光光电电管管的的伏伏安安特特性性。光光电电管管的的伏伏安安特特性性如如图图所所示示。它它是是应应用用光光电电传传感感器器参参数的主要依据。数的主要依据。图图4.2-2光电管的伏安特性光电管的伏安特性5020lm40lm60lm80lm100lm120lm100150200024681012阳极与末级倍增极间的电压阳极与末级倍增极间的电压/VIA/A第17页，此课件共57页哦（2 2）光电管的光照特性光

21、电管的光照特性通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。其特性光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线如图所示。曲线曲线如图所示。曲线1表示表示氧铯阴极氧铯阴极光电光电管的光照特性，光电流管的光照特性，光电流I与光通量成线性关系。与光通量成线性关系。曲线曲线2为为锑铯阴极锑铯阴极的光电的光电管光照特性，它成非线管光照特性，它成非线性关系。性关系。光照特性曲线光照特性曲线的斜率（光电流与入射的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。光电管的灵敏度。光电管的

22、光照特性光电管的光照特性255075100200.51.52.0/1mIA/A1.02.51第18页，此课件共57页哦（3 3）光电管光谱特性）光电管光谱特性由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。性。一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率同的红限频率0，因此它们可用于不同的光谱范围。除，因此它们可用于不同的光谱范围。除此之外，即使

23、照射在阴极上的入射光的频率高于红限频此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率率0，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。第19页，此课件共57页哦国产国产GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红限红限

24、0=7000，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率：换效率：25%30%。它适用于。它适用于白光光源白光光源，因而被广泛地应用，因而被广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中。对于各种光电式自动检测仪表中。对红外光源红外光源，常用银氧铯阴，常用银氧铯阴极，构成红外传感器。对极，构成红外传感器。对紫外光源紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴，常用锑铯阴极和镁镉阴极。另外，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为极。另外，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为30008500，灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型，灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型

25、的光电阴极；但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特的光电阴极；但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异，因而在测量和控制技术中，这些光电管可以性有很大差异，因而在测量和控制技术中，这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。一般充气光电管当入射光频率大于一般充气光电管当入射光频率大于8000Hz时，光电流将有时，光电流将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。下降趋势，频率愈高，下降得愈多。第20页，此课件共57页哦二、光电倍增管及其基本特性二、光电倍增管及其基本特性当当入入射射光光很很微微弱弱时时，普普通通光光

26、电电管管产产生生的的光光电电流流很很小小，只只有有零零点点几几A，很很不不容容易易探探测测。这这时时常常用用光光电电倍倍增增管管对对电电流流进进行行放大，下图为其内部结构示意图。放大，下图为其内部结构示意图。1.1.结构和工作原理结构和工作原理由由光光阴阴极极、次次阴阴极极(倍倍增增电电极极)以以及及阳阳极极三三部部分分组组成成。光光阴阴极极是是由由半半导导体体光光电电材材料料锑锑铯铯做做成成；次次阴阴极极是是在在镍镍或或铜铜-铍铍的的衬衬底底上上涂涂上上锑锑铯铯材材料料而而形形成成的，的，次阴极多的可达次阴极多的可达30级级；阳极是最后用来收集电子；阳极是最后用来收集电子入射光入射光光电阴极

27、光电阴极第一倍增极第一倍增极阳极阳极第三倍增极第三倍增极的，收集到的电子数是阴极发射的，收集到的电子数是阴极发射电子数的电子数的105106倍。即光电倍倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电照时，它就能产生很大的光电流。流。第21页，此课件共57页哦（1 1）倍增系数）倍增系数MM倍增系数倍增系数M等于等于n个倍增电极的二次个倍增电极的二次电子发射系数电子发射系数的乘积。如果的乘积。如果n

28、个倍增电极的个倍增电极的都相同，则都相同，则M=因此，阳极电流因此，阳极电流I为为I=i i i i 光电阴极的光电流光电阴极的光电流光电倍增管的电流放大倍数光电倍增管的电流放大倍数为为=I/i=M与所加电压有关，与所加电压有关，M在在105108之间，稳定性为之间，稳定性为1左右，加左右，加速电压稳定性要在速电压稳定性要在0.1以内。如果有波动，倍增系数也要波以内。如果有波动，倍增系数也要波动，因此动，因此M具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极之间的具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极之间的电压为电压为10002500V，两个相邻的倍增电极的电位差为，两个相邻的倍增电极的电位差为50100V。对

29、所加电压越稳越好，这样可以减小统计涨落，从。对所加电压越稳越好，这样可以减小统计涨落，从而减小测量误差。而减小测量误差。2.2.主要参数主要参数第22页，此课件共57页哦103104105106255075100125极间电压极间电压/V放大倍数放大倍数光电倍增管的特性曲线光电倍增管的特性曲线第23页，此课件共57页哦（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。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上产生

30、的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度总灵敏度。光电倍增管的最大灵敏度可达光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极间，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，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。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。不能受强光照射，否则将会损坏。第24页，此课件共57页哦（3 3）暗电流和本底脉冲）暗电流和本底脉冲一一般般在在使使用用光光电电倍倍增增管管时时，必必须须把把管管子子放放在在暗暗室室里里避避光光使使用用，使使其其只只对对入入射射光光

31、起起作作用用；但但是是由由于于环环境境温温度度、热热辐辐射射和和其其它它因因素素的的影影响响，即即使使没没有有光光信信号号输输入入，加加上上电电压压后后阳阳极极仍仍有有电电流流，这这种种电电流流称称为为暗暗电电流流，这这是是热热发发射射所所致致或或场场致致发发射射造造成成的的，这这种种暗暗电电流流通通常常可可以以用用补补偿偿电电路路消消除。除。如如果果光光电电倍倍增增管管与与闪闪烁烁体体放放在在一一处处，在在完完全全蔽蔽光光情情况况下下，出出现现的的电电流流称称为为本本底底电电流流，其其值值大大于于暗暗电电流流。增增加加的的部部分分是是宇宇宙宙射射线线对对闪闪烁烁体体的的照照射射而而使使其其激

32、激发发，被被激激发发的的闪闪烁烁体体照射在光电倍增管上而造成的，照射在光电倍增管上而造成的，本底电流本底电流具有具有脉冲形式脉冲形式。第25页，此课件共57页哦光电光电倍增倍增管的管的光照光照特性特性与与直直线线最最大大偏偏离是离是3%10131010109107105103101在在45mA处处饱和饱和10141010106102光通量光通量/1m阳阳极极电电流流/A（4 4）光电倍增管的光谱特性）光电倍增管的光谱特性光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电光谱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。对于较好的管子，在很宽的阴极上的光通量之间的函

33、数关系。对于较好的管子，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。光通量大，开始出现非线性，时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图所示。如图所示。第26页，此课件共57页哦利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件的光电器件称称内光电效应器件内光电效应器件，常见的有，常见的有光敏电阻、光敏电阻、光电池光电池和和光敏晶体管光敏晶体管等。等。一、光敏电阻一、光敏电阻光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作光敏电阻又称光导管，为纯电

34、阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重优点：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、抗过载能量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。力强和寿命长等。不足：需要外部电源，有电流时会发热。不足：需要外部电源，有电流时会发热。第三节第三节 内光电效应器件内光电效应器件第27页，此课件共57页哦1.1.光敏电阻的工作原理和结构光敏电阻的工作原理和结构当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，

35、而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。致使光导体的电导率变大。为实现能级的跃迁，入射光的为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg，即，即 h h=Eg(eV)式中式中和和入射光的频率和波长。入射光的频率和波长。一种光电导体，存在一个照射光的波长限一种光电导体，存在一个照射光的波长限C，只有波，只有波长小于长小于C的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃的

36、光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。迁，从而使光电导体电导率增加。第28页，此课件共57页哦光光敏敏电电阻阻的的结结构构如如图图所所示示。管管芯芯是是一一块块安安装装在在绝绝缘缘衬衬底底上上带带有有两两个个欧欧姆姆接接触触电电极极的的光光电电导导体体。光光导导体体吸吸收收光光子子而而产产生生的的光光电电效效应应，只只限限于于光光照照的的表表面面薄薄层层，虽虽然然产产生生的的载载流流子子也也有有少少数扩散到内部去，但扩散深度有数扩散到内部去，但扩散深度有A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料光导电材料绝缘衬低绝缘衬低引线引线

37、电极电极引线引线光电导体光电导体限限，因因此此光光电电导导体体一一般般都都做做成成薄薄层层。为为了了获获得得高高的的灵灵敏敏度度，光光敏敏电电阻阻的的电电极极一一般般采采用用梳梳状状图图案，案，结构见下图。结构见下图。第29页，此课件共57页哦1-光导层光导层;2-玻璃窗口玻璃窗口;3-金属外壳金属外壳;4-电极电极;5-陶瓷基座陶瓷基座;6-黑黑色色绝绝缘缘玻玻璃璃;7-电阻引线。电阻引线。RG1234567(a)结构结构(b)电极电极(c)符号符号它它是是在在一一定定的的掩掩模模下下向向光光电电导导薄薄膜膜上上蒸蒸镀镀金金或或铟铟等等金金属属形形成成的的。这这种种梳梳状状电电极极，由由于于

38、在在间间距距很很近近的的电电极极之之间间有有可可能能采采用用大大的的灵灵敏敏面面积积，所所以以提提高高了了光光敏敏电阻的灵敏度。图（电阻的灵敏度。图（c）是光敏电阻的代表符号。）是光敏电阻的代表符号。CdS光敏电阻的结构和符号光敏电阻的结构和符号第30页，此课件共57页哦光光敏敏电电阻阻的的灵灵敏敏度度易易受受湿湿度度的的影影响响，因因此此要要将将导导光光电电导导体体严严密密封封装装在在玻玻璃璃壳壳体体中中。如如果果把把光光敏敏电电阻阻连连接接到到外外电电路路中中，在在外外加加电电压压的的作作用用下下，用用光光照照射射就就能能改改变变电电路路中中电电流流的的大大小小，其其连线电路如图所示。连线

39、电路如图所示。光光敏敏电电阻阻具具有有很很高高的的灵灵敏敏度度，很很好好的的光光谱谱特特性性，光光谱谱响响应应可可从从紫紫外外区区到到红红外外区区范范围围内内。而而且且体体积积小小、重重量量轻、性能稳定、价格便宜轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。，因此应用比较广泛。RGRLEI第31页，此课件共57页哦（2 2）光照特性）光照特性下图表示下图表示CdS光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下，光敏光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特电阻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，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作

40、定量检测性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。光电开关。012345I/mAL/lx10002000第32页，此课件共57页哦（3 3）光谱特性）光谱特性光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅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，峰值在红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。因此，外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选在选用光敏电

41、阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑考虑，才能获得满意的效果。，才能获得满意的效果。204060801004080120160200240/m312相相对对灵灵敏敏度度1硫化镉硫化镉2硒化镉硒化镉3硫化铅硫化铅第33页，此课件共57页哦（4 4）伏安特性伏安特性在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。图中曲线关系称为伏安特性。图中曲线1、2分别表示照度为分别表示照度为零零及照及照度为度为某值某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下时的伏安特性。由曲线可知，

42、在给定偏压下,光照度光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现大，光电流越大，而且无饱和现5010015020012U/V02040象。但是电压不能无限地增象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损可能导致光敏电阻永久性损坏。坏。I/A第34页，此课件共57页哦（5 5）频率特性）频率特性当光敏电阻受到脉冲光

43、照射时，光电流要经过一段时间才能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，光电流也不立刻为零，这就达到稳定值，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。由于不同材料的光敏，是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏，20406080100I/%f/Hz010102103104电阻时延特性不同，所以它电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。们的频率特性也不同，如图。硫化铅的使用频率比硫化镉硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合

44、。能用在要求快速响应的场合。硫化铅硫化铅硫化镉硫化镉第35页，此课件共57页哦（6 6）稳定性）稳定性图中曲线图中曲线1、2分别表示两种型号分别表示两种型号CdS光敏电阻的稳定光敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，由于性。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的作用还没有达到平衡电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二定的。但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。光敏电阻在开始一段时间的老周的老化，性能可达稳定。光敏电阻在开始一段时间的老化过程

45、中，有些样品阻值上化过程中，有些样品阻值上I/%408012016021T/h040080012001600升，有些样品阻值下降，但最升，有些样品阻值下降，但最后达到一个稳定值后就不再变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了。这就是光敏电阻的主要优点。点。光敏电阻的使用寿命在密光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下，封良好、使用合理的情况下，几乎是几乎是无限长无限长的。的。第36页，此课件共57页哦（7 7）温度特性）温度特性其性能其性能(灵敏度、暗电阻灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。随着温度的升高，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，光谱特性曲线

46、的峰值向波长短的方向其暗电阻和灵敏度下降，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。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，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。I/A100150200-50-10305010-30T/C2040608010001.02.03.04.0/mI/mA+20C-20C第37页，此课件共57页哦二、光电池二、光电池 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能

47、的器件光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池。它是由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池。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PN结，当光照射在结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。结上时，在结的两端出现电动势。命名方式：命名方式：把光电池的半导体材料的名称冠于光电池把光电池的半导体材料的名称冠于光电池(或太阳能电池或太阳能电池)之前。之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前,应用最

48、广、最有发应用最广、最有发展前途的是硅光电池。展前途的是硅光电池。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。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，适于接收可见光、寿命短，适于接收可见光(响应峰值波响应峰值波长长0.56m)，最适宜制造照度计。，最适宜制造照度计。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星

49、、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。第38页，此课件共57页哦光电池的示意图光电池的示意图硅光电池的结构如图所示。它是在一块硅光电池的结构如图所示。它是在一块N型硅片上用扩散型硅片上用扩散的办法掺入一些的办法掺入一些P型杂质型杂质(如硼如硼)形成形成PN结。结。当光照到当光照到PN结区时，结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在空穴对，在N区聚积负电荷，区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样区聚积正电荷，这样N区和区和P区之间出现电区之间出现电位差位差。若将。若将PN结

50、两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由的方向由P区流经外电路至区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。生电动势。1.1.光电池的结构和工作原理光电池的结构和工作原理+光光PNSiO2RL(a)光电池的结构图光电池的结构图I I光光(b)光电池的工作原理示意图光电池的工作原理示意图PN第39页，此课件共57页哦光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。IUIdUIRLI(a)(b)(c)图图光电池符号和基本工作电路光电池符号和基本工作电路第40页，此