no7.1 光電效應(yīng)與光電元件

1、第七章 光電式傳感器本章主要內(nèi)容：光電式傳感器是依據(jù)光電效應(yīng)、利用光電器件將光學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的傳感器。本章在闡述光電效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，介紹光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏二極管和晶體管等光電器件。要求初步了解光電式傳感器的原理及應(yīng)用。第一講 光電效應(yīng)和光電元件第一講 光電效應(yīng)和光電元件教學(xué)目的要求：1.掌握光波長與光子能量的關(guān)系、外光電效應(yīng)及其兩個(gè)基本概念。 2.掌握內(nèi)光電效應(yīng)、光導(dǎo)效應(yīng)原理，了解光敏電阻的結(jié)構(gòu)；掌握光敏電阻的工作原理、靈敏度與暗亮電阻的關(guān)系和光電特性的特點(diǎn)。 3.掌握光敏二極管和晶體管的結(jié)構(gòu)、工作原理及光電特性。4.掌握硒、硅光電池的結(jié)構(gòu)、工作原理、光電特性。5.掌握光電

2、耦合器件的工作原理與應(yīng)用。教學(xué)重點(diǎn)：各光電元件的結(jié)構(gòu)原理教學(xué)難點(diǎn)：光電元件的特性參數(shù)教學(xué)學(xué)時(shí)：4學(xué)時(shí)教學(xué)內(nèi)容：一、光電效應(yīng)1. 外光電效應(yīng)定義：在光線作用下，電子獲得光子的能量從而脫離正電荷的束縛，使電子逸出物體表面，這種效應(yīng)稱為外光電效應(yīng)，這種現(xiàn)象稱為光電發(fā)射。光電效應(yīng)的基本規(guī)律： 說明：（1）電子能否逸出物體表面取決于光子頻率，與光強(qiáng)無關(guān)，光強(qiáng)再大也不會(huì)產(chǎn)生光電發(fā)射。（2）如果產(chǎn)生了光電發(fā)射，在入射光頻率不變的情況下，逸出的電子數(shù)目與光強(qiáng)成正比。2. 內(nèi)光電效應(yīng)定義：物體受光照射后，其內(nèi)部的原子釋放出電子，這些電子仍留在物體內(nèi)部，使物體的電阻率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動(dòng)勢的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。分

3、類：內(nèi)光電效應(yīng)又可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。二、光電元件1.光電管1）光電管的結(jié)構(gòu)及工作原理 結(jié)構(gòu)：陰極，陽極和玻璃殼原理；當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí)，陰極就會(huì)發(fā)射電子，由于陽極的電位高于陰極，在電場力的作用下，陽極便收集到由陰極發(fā)射出來的電子，因此，在光電管組成的回路中形成了光電流I，并在負(fù)載電阻上輸出電壓。 （a） (b) 圖7-2 光電管的結(jié)構(gòu)及工作原理2）光電管的主要性能指標(biāo) （1）光電管的伏安特性光電管的伏安特性是指在一定的光通量照射下，其陽極與陰極之間的電壓與光電流I之間的關(guān)系。 圖7-3 光電管的伏安特性 （2）光電管的光譜特性光電管的光譜特性通常是指陽極和陰極之間所加電壓不變時(shí)

4、，入射光的波長（或頻率）與其絕對靈敏度的關(guān)系。它主要取決于陰極材料，不同陰極材料的光電管適用于不同的光譜范圍。 （3）光電管的光照（電）特性光照（電）特性是指光電管陽極電壓和入射光頻譜不變的條件下，入射光的光通量與光電流之間的關(guān)系。（4） 光電管的暗電流 如果將光電管置于無光的黑暗環(huán)境中，當(dāng)施加正常的使用電壓時(shí)，光電管將產(chǎn)生微弱的電流，此電流稱為暗電流。光電管的暗電流主要是由漏電流引起的。 圖 7-4 光電管的光電特性2.光電倍增管1）光電倍增管的結(jié)構(gòu)和工作原理 結(jié)構(gòu)：光電倍增管由光陰極、次陰極（倍電極）以及陽極三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖7-5（a）所示。光陰極由半導(dǎo)體材料銻銫制成；次陰極是在鎳或

5、銅-鈹襯底上涂銻銫材料而形成的，通常為1214級(jí)，多者達(dá)30級(jí)；陽極是最后用來收集電子的，它輸出的是電壓脈沖。原理：利用倍增極產(chǎn)生二次發(fā)射使光電流放大。 (a) (b) 圖7-5光電倍增管的結(jié)構(gòu)及電路2）光電倍增管的主要參數(shù)和特性（1）光電倍增管的倍增系數(shù)與工作電壓的關(guān)系 光電倍增管若倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù)為，則具有n個(gè)相同倍增極的光電倍增管的倍增系數(shù)為 因此陽極電流為 式中， 光陰極的光電流此光電倍增管的電流放大倍數(shù)為 （2）光電倍增管的伏安特性 圖7-7 光電倍增管的伏安特性 圖7-8 光電倍增管的光電特性（3）光電倍增管的光電特性（4）光電倍增管的暗電流3.光敏電阻1）光敏電阻的結(jié)構(gòu)和

6、工作原理(a)光敏電阻結(jié)構(gòu)； (b)光敏電阻電極； (c)光敏電阻接線圖圖 79 光敏電阻結(jié)構(gòu)制作工藝：在玻璃基片上鍍光敏材料，外覆蓋漆膜（對應(yīng)光譜特性的濾光材料）原理：無光照高阻，有光照低阻2）光敏電阻的技術(shù)特性和主要參數(shù)（1）暗電阻、暗電流 （2）亮電阻、光電流 ，具體如下表；材料敏感范圍暗電阻亮電阻響應(yīng)速率硫化鎘0.31m（可見光）大于1M小于1K102硫化鉛0.53m（近、中紅外）大于2M小于1K104（3）光敏電阻的光電特性 （4）光譜特性 圖7.10 硒光敏電阻的光電特性 圖7.11光敏電阻的光譜特性 圖7-12 硫化鎘光敏電阻的伏安特性 圖7-13 光敏電阻的頻率特性（5）伏安特

7、性 （6）頻率特性 這里所說的頻率不是入射光的頻率，而是指入射光強(qiáng)度變化的頻率。4.光敏二極管、光敏三極管光敏二極管：處于反向工作狀態(tài)，在沒有光照射時(shí)，反向電阻很大，暗電流。當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，光子打在PN結(jié)附近， 形成光電流。光敏三極管：基極無引出線, 集電極相對于發(fā)射極為正的電壓。當(dāng)光照射在集電結(jié)上時(shí), 就會(huì)在結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對，從而形成光電流，相當(dāng)于三極管的基極電流。因此集電極電流是光生電流的倍，所以光敏晶體管有放大作用。二極管和三極管的感光機(jī)理一樣，材料為硅、鍺， (a)光硅敏二極管；(b)硅光敏三極管圖715 硅光敏管的伏安特性硅敏感可見光；鍺敏感紅外光。 5. 光電池1）光電

8、池的結(jié)構(gòu)與工作原理以硅光電池為例：結(jié)構(gòu)：硅光電池是在一塊N型硅片上，用擴(kuò)散的方法摻入一些P型雜質(zhì)（如硼）形成一個(gè)大面積的PN結(jié)。原理：當(dāng)入射光子的能量足夠大時(shí)，P區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對光生電子空穴對，在表面對光子的吸收最多，激發(fā)出的電子空穴對也最多，越向內(nèi)部越小，因此，光生電子空穴對的濃度由表面向內(nèi)部迅速下降，形成由表及里擴(kuò)散的自然趨勢。在PN結(jié)內(nèi)電場的作用下，使擴(kuò)散到PN結(jié)附近的電子空穴對分離，電子被拉到N型區(qū)，空穴則留在P型區(qū)，使N區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時(shí)間，新的平衡狀態(tài)建立后，PN結(jié)兩側(cè)就有一個(gè)穩(wěn)定的光電流或光生電動(dòng)勢輸出。 2）光電池的主要特性短路電流：線

9、形特性，等效成電流源開路電壓：開關(guān)特性，等效成電壓源6.光電耦合器件結(jié)構(gòu)：光電耦合器件是將發(fā)光元件與受光器件組合在同一個(gè)密封體內(nèi)的組合器件，即將發(fā)光元件、受光器件及信號(hào)處理電路集成在一塊芯片上。原理：工作時(shí)，將信號(hào)加到輸入端，使發(fā)光元件發(fā)光，照射到受光器件使之輸出光電流，從而實(shí)現(xiàn)電光電兩次轉(zhuǎn)換，通過光實(shí)現(xiàn)了輸入端和輸出端之間的耦合。特點(diǎn)：（1）光電耦合器件實(shí)現(xiàn)了以光為媒介的傳輸，因而，保證了輸入端和輸出端之間的隔離，使輸入端和輸出端之間的絕緣電阻很高，一般都大于，耐壓也很高，具有良好的隔離性。（2）具有信號(hào)的單向傳輸和不可逆性。信號(hào)只能從發(fā)光源單向傳輸?shù)绞芄馄骷粫?huì)可逆?zhèn)鬏?，傳輸信?hào)不會(huì)影

10、響輸入端。（3）發(fā)光源使用砷化鎵發(fā)光二極管，它具有低電阻的特點(diǎn)，可以抑制干擾，消除噪聲。（4）響應(yīng)速度快，可用于高頻電路。（5）結(jié)構(gòu)簡單，無觸點(diǎn)，體積小，壽命長。 圖7-28 4N28光電耦合器本 講 小 結(jié)本章首先介紹了光電效應(yīng)（外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)及光生伏特效應(yīng)），在此基礎(chǔ)上相繼討論了光電管、光電倍增管、光電二極管、光電三極管、光電池、光電耦合器等光電器件的原理、特性。1.光電效應(yīng)就是由于物體吸收為的光子能量后產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為兩類，即外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。電子獲得光子的能量從而脫離正電荷的束縛,使電子逸出物體表面的這種效應(yīng)稱為外光電效應(yīng)；物體受光照射后，其內(nèi)部的原子釋放出電子

11、，這些電子仍留在物體內(nèi)部，使物體的電阻率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動(dòng)勢的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。2.光電管和光電倍增管都是由一個(gè)涂有光電材料的陰極K和一個(gè)陽極A封裝在玻璃殼內(nèi)構(gòu)成的，不同之處在于光電倍增管有倍增電極而光電管沒有。因此，在很微弱的光照時(shí)，光電倍增管能夠產(chǎn)生很大的光電流。描述光電管和光電倍增管的主要性能指標(biāo)有：伏安特性、光譜特性、光照（電）特性、 暗電流等。3.光敏電阻是利用光導(dǎo)材料的內(nèi)光電效應(yīng)制成的沒有極性的電阻器件。描述光敏電阻的主要參數(shù)有暗電阻、暗電流，亮電阻、光電流，光電特性，光譜特性，伏安特性，頻率特性，溫度特性等。4光電二極管和光電三極管都是利用PN結(jié)的光敏特性原理制成的。不同之處在于光電三極管具有放大作用，其靈敏度比光電二極管高。描述光電二極管和光電三極管的主要參數(shù)有最高反向工作電壓、暗電流、光電流、響應(yīng)時(shí)間、光譜特性、伏安特性、光電特性、溫度特性、時(shí)間常數(shù)、頻率特性等。5光電池是在光照下，直接能將光通量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)勢的一種光電元件。光電池的主要特性參數(shù)有：光譜特性、頻率特性、 伏安特性、 光電特性、 溫度特性等。6光電耦合器件是將發(fā)光元件與受光器件組合在同一個(gè)密封體內(nèi)的組合器件，光電耦合器件將發(fā)光元件