電工學(xué)7光電式

1、第七章 光電式傳感器1光電效應(yīng)：是指一些金屬、金屬氧化物或半導(dǎo)體材料在光的照射下釋放電子的現(xiàn)象。2分類 外光電效應(yīng)：當(dāng)物體在光的照射下，物體中的電子從表面逸出的現(xiàn)象，又稱為光電發(fā)射效應(yīng)。例如：光電管。 內(nèi)光電效應(yīng)：物體在光的作用下，物體中的電子并不逸出，而在物體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)影響其本身的電特性，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又分為：光電導(dǎo)效應(yīng)：在光照的作用下，物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化， 例如：光敏電阻；光伏效應(yīng)：在光照的作用下，物體在某一方向上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，例如：光敏晶體管、光電池。光電式傳感器：利用光電元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的一種裝置，其工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。第七章 光電式傳感器71光敏電阻一

2、、工作原理要點(diǎn)：半導(dǎo)體材料，光照下，電子吸收光子能量，價(jià)電子變成自由狀態(tài)形成電子空穴對(duì)（載流子），載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)，電阻減小。光敏電阻及其電路光敏電阻具體結(jié)構(gòu)參見教材P93圖7-1技術(shù)參數(shù) 光敏電阻無極性 暗電流、暗電阻 暗電阻：無光照時(shí)的電阻，幾兆歐 暗電流：與暗電阻對(duì)應(yīng)的電流。 亮電流、亮電阻 亮電阻：有光照時(shí)的電阻，幾千歐 亮電流：與亮電阻對(duì)應(yīng)的電流。 光電流亮電流暗電流 靈敏度：亮電阻與暗電阻之差越大，光電流越大，靈敏度越大。第七章 光電式傳感器二、基本特性第七章 光電式傳感器光照特性0Ev(lx)I(mA)1光照特性：又稱光電特性，光電流與光照強(qiáng)度的關(guān)系。 左圖表明：光照特

3、性一般為非線性，所以，只用作開關(guān)式光電轉(zhuǎn)換元件。（給定電壓的電路中，見P93圖7-1）2伏安特性：光電流與外加電壓之間的關(guān)系。 U(V)I(mA)1000lx100lx0伏安特性左圖表明：在給定電壓的情況下，光電流隨著光照強(qiáng)度的增加而增加，電阻也隨著光照強(qiáng)度的增加而減小。 3光譜特性：表示光的波長(zhǎng)與光電流的關(guān)系。0相對(duì)靈敏度(um)光譜特性材料1材料3材料2左圖表明：同一材料對(duì)不同波長(zhǎng)的光敏感度不一樣；不同材料對(duì)同一波長(zhǎng)的光敏感度不一樣。意義：根據(jù)被測(cè)光的波長(zhǎng)不同，選擇不同的光敏材料。4頻率特性：表示光電流與光照強(qiáng)度變化頻率之間的關(guān)系相對(duì)靈敏度f(Hz)01硫化鉛硫化鉈頻率特性左圖表明：不同材

4、料的頻率特性不同，圖中硫化鉛的工作帶寬要大于硫化鉈。 5溫度特性溫度高，暗電阻減小，暗電流增大，光電流減小，靈敏度也隨之減少；反之增大。72光電二極管和光電三極管一、光電二極管（光敏二極管）與普通二極管的異同點(diǎn)： 在結(jié)構(gòu)上很類似，只是光電二極管的PN結(jié)由光敏半導(dǎo)體材料構(gòu)成，具有光敏特性，且PN結(jié)面積較大以更多的接收光的照射，PN結(jié)較淺以提高光電轉(zhuǎn)換能力。 在制造工藝上也是相似的，鍺管采用合金擴(kuò)散法，硅管用用硅平面工藝。 PN結(jié)的光敏導(dǎo)通特性。在PN結(jié)上施加反向電壓，在無光照時(shí)，呈截止?fàn)顟B(tài)，有光照時(shí)，呈導(dǎo)通狀態(tài)。1PN結(jié)型光電二極管RPN光敏二極管基本電路光敏導(dǎo)通性：當(dāng)無光照時(shí)，只有微弱的暗電流

5、，處于反向截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)有光照時(shí)，形成光電流，處于導(dǎo)通狀態(tài)，并且光電流的大小隨著光照強(qiáng)度的不同而不同。2PIN結(jié)型光電二極管：用于激光、光通信等高速場(chǎng)合。決定PN結(jié)型光電二極管對(duì)光響應(yīng)時(shí)間的主要因素是光生載流子的擴(kuò)散時(shí)間： 在P層與N層之間增加了一個(gè)I層，且P層作的比較薄，受到光照時(shí)，光通過P層到I層，激發(fā)出更多的載流子；（多載流子碰撞幾率增大） 在PN結(jié)上施加的反向電壓增高，加強(qiáng)了PN結(jié)電場(chǎng)，提高了載流子通過PN結(jié)的擴(kuò)散速度。（高電壓強(qiáng)電場(chǎng)移動(dòng)快）光PINRPIN型光電二極管以上兩點(diǎn)保證了PIN型光敏二極管的響應(yīng)速度增快。3APD型光電二極管：具有電流增益作用 電流增益作用： 在P的另一側(cè)增加

6、一個(gè)高濃度P+層； 在PN結(jié)上施加高電壓（接近于反向擊穿電壓），在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，P+的電子高速通過PN結(jié)，在移動(dòng)過程中碰撞產(chǎn)生更多的載流子，這些載流子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，形成鏈鎖反映，形成“雪崩”現(xiàn)象，使通過二極管的電流猛增，從而產(chǎn)生了大的光電流。 光P+pNRAPD型光電二極管 4應(yīng)用電路舉例VT2R1R2R3R4VT1VD1K亮通電路VT2R1R3R4VT1VD1K暗通電路二、光電三極管（光敏三極管）Rbce光電三極管電路1類型與特點(diǎn)光電三極管與普通三極管的異同點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)上很類似，只是基極面積較大以接受光的照射； 有電流增益作用。2應(yīng)用電路舉例 R2VT1VT2VccVoutR1光敏三極管

7、應(yīng)用電路三、光電二極管與光電三極管的基本特性 1光照特性：光電流與光照強(qiáng)度的關(guān)系0I(uA)I(mA)Ev(lx)Ev(lx)0光電二極管光電三極管比較： 線性度：光電二極管優(yōu)于光電三極管 電流增益：光電三極管優(yōu)于光電二極管（注意單位不同） 2伏安特性：光電流與外加偏置電壓的關(guān)系 U(v)I(uA)I(mA)光照度光照度光電二極管光電三極管00U(v)比較： 零輸入電壓時(shí)，二極管有光電流，三極無光電流； 二極管的伏安特性近似于一條直線，在光照一定的情況下，相當(dāng)于一個(gè)恒流源；三極管有斜線區(qū)和直線區(qū)（光電流由不飽和到飽和）。 3頻率特性： 光電流與光照強(qiáng)度變化頻率之間的關(guān)系。 f10MHz，PIN

8、型或APD型200300Kf10MHz，PN型f200300K，光電三極管響應(yīng)速度73光電池 一、硅光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理 抗反射層?xùn)艩铍姌O（上）擴(kuò)散層PN結(jié)硅基片背電極（下）從硅電電池的結(jié)構(gòu)可以看出，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)大面積的無偏置半導(dǎo)體PN結(jié)，柵狀電極和背電極用于輸出電動(dòng)勢(shì)，抗反射層是為了提高光吸收率。 工作原理：當(dāng)光照射在光電池的PN結(jié)上時(shí)，除了一小部分反射之外，絕大部分被PN結(jié)接收，在PN結(jié)處產(chǎn)生空穴電子對(duì)，由于無外加偏置電壓，空穴移向P區(qū)，使P區(qū)帶正電，電子移向N區(qū)，使N區(qū)帶負(fù)電，于是在P區(qū)和N區(qū)之間就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（光生電動(dòng)勢(shì)）。二、光電池的基本特性 光照特性： (1)開路電壓光照度 Uoc

9、IscEvEv短路電流光照度 比較： 非線性變化（分上升段和飽和段）； 線性變化，可作為電流源2光譜特性：光電流與波長(zhǎng)之間的關(guān)系 從左圖中可以看出，硅的最大靈敏度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，屬于可見光范圍。同時(shí)比較硅、鍺、硒三種材料，在可見光范圍內(nèi)，硅的靈敏度最高（參見教材P100圖7-15） 相對(duì)靈敏度1.00.40.60.7硅的光譜特性3頻率特性：光電流與光照強(qiáng)度變化頻率之間的關(guān)系 0If頻率特性4溫度特性： UocIscTT下降較快上升較慢開路電壓溫度T 短路電流溫度T 74光電傳感器的應(yīng)用 一、光電傳感器的類型1模擬量光電檢測(cè)系統(tǒng) 直射光 透射光 反射光 位移2開關(guān)量光電檢測(cè)系統(tǒng) 光電開關(guān) 光耦二、常

10、用光電元件1光控晶閘管： G控制極陰極K陽極A結(jié)構(gòu)圖P2n2n1P1J2J3J1GVDAKPNPNPNIGID等效電路光控晶閘管是由光輻射觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管，又稱為光控可控硅。 從上面的結(jié)構(gòu)圖及等效電路可以看出：結(jié)構(gòu)圖中的P1n1P2等效電路中的PNP結(jié)構(gòu)圖中的n2P2n1等效電路中的NPN結(jié)構(gòu)圖中的J2（反向偏置）等效電路中的VD結(jié)構(gòu)圖中的J1（正向偏置）等效電路中的NPN的PN結(jié)結(jié)構(gòu)圖中的J3（正向偏置）等效電路中的PNP的PN結(jié)在陽極A和陰極K上加上電壓，則： 其中： 、：三極管放大系數(shù) ID: J2結(jié)反向漏電流 IG:控制極電流，當(dāng) IG=0時(shí)與一般晶閘管不同的是，控制信號(hào)不是電信號(hào)，而

11、是光信號(hào)，如下例： R2R1VoutC1Vs1Vs2VccVD光控晶閘管典型應(yīng)用電路無光照時(shí)，光控晶閘管Vs1阻斷，此時(shí)C1充電，當(dāng)電壓達(dá)到普通晶閘管Vs2的轉(zhuǎn)折（動(dòng)作）電壓時(shí)，Vs2觸發(fā)導(dǎo)通；有光照時(shí)，Vs1導(dǎo)通，C1被短路，Vs2斷開。 3光電耦合器將發(fā)光元件與受光元件封裝在一起組成的復(fù)合轉(zhuǎn)換元件，完成電光電兩次轉(zhuǎn)換，通過光進(jìn)行輸入端與輸出端的耦合，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電路輸入端與輸出端的電隔離，所以又稱為光電隔離器。具體結(jié)構(gòu)參見教材P103圖7-22。通常有以下組合形式： 光敏二極管型 光敏三極管型 交流輸入型 光敏達(dá)林頓三極管型（電流傳輸子大） 光敏二極管與開關(guān)管組合型（響應(yīng)快） 特點(diǎn)： 光電耦

12、合器實(shí)現(xiàn)了光耦合，在輸入與輸出端之間絕緣電阻很高（1010），具有優(yōu)良的隔離性； 具有單向傳輸性：電光電； 可以實(shí)現(xiàn)脈沖轉(zhuǎn)換與直流電平轉(zhuǎn)換，作為不同邏輯電路的接口； 響應(yīng)快，壽命長(zhǎng)。4光電開關(guān)光電開關(guān)又稱為光電斷續(xù)器，將紅外發(fā)光元件與光電元件組裝在一起，根據(jù)其結(jié)構(gòu)，有透射式和反射式兩種，具體結(jié)構(gòu)詳見教材P104，圖7-27。有物體靠近：低無物體靠近：高R1R2R2R1R3VccVccVoutVout隔開（有障礙物）：高連通（無障礙物）：低透過型反光型三、應(yīng)用舉例1光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速記（詳見教材P101，圖7-19）2照明燈自動(dòng)開關(guān)（詳見教材P101）3光位計(jì)（詳見教材P105，圖7-29）4安全防災(zāi)（詳見教材P105-P106）5聲控光敏延時(shí)開關(guān)（圖7-20+聲控） 主要應(yīng)用在