光電管的特性課件

第七章光電式傳感器§7－1光電效應光電傳感器是一種將光學量（光通量、照度）的變化轉換為電量（電壓、電流）變化的傳感器、外光電效應在光線的作用下，金屬內的電子逸出金屬表面，向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應，基于外光電效應的器件有光電管和光電倍增管。1．光電管對于光子

－電子逸出功－電子逸出時速率

－入射光的頻率光通量

真空光電管的伏安特性2040

60

80

4

12

16

80充氣光電管伏安特性24812020406080強光弱光⑴光電子是否產生取決于光子能量，這意味著每一種金屬物體都有一個對應的光頻閾值，稱為紅限頻率。光線的頻率若低于紅線頻率，光子能量不足以使物體內電子逸出⑵光的頻率不變，光越強，光電子越多，光強意味著光子數目多逸出的電子數目也越多⑶光電子逸出時具有初始動能，因此光電管即使沒有正向電壓也會有電流，為了使光電流為零，必須加反相電壓，反相電壓與光的頻率成正比2．光電倍增管…陰極K

第一倍增級

第二倍增級

第三倍增級第四倍增級陽極A

每級電壓為50～100V，適用于弱光下工作，強光易損壞光電倍增管

設每級倍增率為（一個電子能轟擊出個次級電子），若有n個次陰極，則總的光電流倍增系數為，為各級次陰極電子收集效率。倍增管陽極電流與陰極電流的關系為光電倍增管的放大倍數與極間電壓之間的關系極間所加電壓越穩(wěn)定越好100751255025極間電壓/V放大倍數光譜特性與陰極所用的材料有關陰極

銻銫－銀氧銫－紅外光源銻銫－紫外光源可見光范圍靈敏度高絕大多數高電阻半導體受光照后吸收光子能量，產生電阻率降低而易于導電的現(xiàn)象稱為內光電效應。二、內光電效應導帶禁帶價帶自由電子所占能帶不存在電子的能帶價電子所占的能帶電子能量E－禁帶寬度紅限⒈光敏電阻+－鍍金電極CdS半導體⒉光電導材料單質氧化物

Cd化合物Pb化合物其它

Se

Ge

Si

ZnO

PbO

CdS

CdSe

CdTe

PbS

PbSe

PbTe

InSb

SbS3

⒊光敏電阻的特性⑴暗電阻、亮電阻與光電流⑵伏安特性⑶光照特性⑷光譜特性⑸光敏電阻響應時間和頻率特性為光電流上升為穩(wěn)定值的63％所需要的時間越大，頻率特性越差4350612750100硫化鉛硫化鉈光敏電阻的伏安特性0.050.100.150.200.250.300.61.20光敏電阻的光照特性

光通量/lm光電流/mA1003000060804020015000相對靈敏度/％入射光波長/硫化鎘硫化鉈硫化鉛光敏電阻的光譜特性相對靈敏度/％/Hz硫化鉛硫化鎘01010000100010020406080100光敏電阻的頻率特性§7－3－2光電池光電池能直接將光通量轉變?yōu)殡妱觿荩瑢嶋H為電壓源一、結構和工作原理硼擴散層P型電極N型硅片P-N結電極I光電池的結構原理圖

1.用途

a.作光電探測器使用紅外輻射探測器光電讀出光電耦合

b.作為電源使用人造衛(wèi)星野外燈塔微波站膜

－

＋

光

光電池有方形圓形三角形環(huán)形等PN－

－

－

＋

＋

＋

PN＋

－VocPN＋

－mA－－光電池的輸出短路電流

－－無光照時PN結反向飽和電流－－電子電量－－玻爾茲曼常數－－熱力學溫度－－光電池開路輸出電壓0.60.40.2400020000204060801000.81.0Ge光電池光電特性0.60200040000.21002003000.4Si光電池光電特性脈沖光信號變換電路－10V＋10VA＋4V光電池用以探測緩慢變化光信號的電路相對靈敏度/％波長

硒硅20080604040001008000600010000光電池的光譜特性硒光電池硅光電池15000402080603000100450060007500相對光電流/％/Hz光電池的頻率特性§7－3－3光敏二級管和光敏三級管一、光敏二級管PNEERVI

300lx200lx100lx光敏二級管的伏安特性400lxNPN＋

－＋

－E二、光敏三級管波長短，光子在半導體表面被吸收，波長長時能量小

三、光電管的特性相對靈敏度/％硅鍺光電三極管光譜特性反向偏壓/V4060020－20－10－30400lx600lx800lx1000lx硅光電二極管伏安特性0264108302040400lx700lx500lx600lx300lx硅光電三極管伏安特性01020020400306004080010002CUA2CUA2CUS硅光電二級管光照特性65432105001000硅光電三級管光照特性3DU333DU523DU23§7－4新型光電器件

PNI導帶

價帶信號光

一、PIN光電二級管

P型層很薄使光子很快進入I區(qū)I區(qū)電阻很大可加較高電壓高的電阻使暗電流明顯減小，這些產生的光生電子－空穴對將立刻被電場分離并作快速漂移運動I區(qū)加入增大了耗盡層厚度減小了結電容CJ，提高了量子效率漂移時間約為相當于f=１KMHz二、雪崩光敏二級管（APD）PN類似光電倍增管，具有內部電流增益－－雪崩倍增光電流――無雪崩倍增時的反向飽和電流――倍增因子

――外加電壓――擊穿電壓――常數，約為1～3§7－4－3色敏光電傳感器PPN電極1

電極2電極3紫光淺結紅光深結1.淺結對紫外光敏感2.深結對紅外光敏感3.不同區(qū)域對不同波長分別具有不同靈敏度這一特性為提供識別顏色創(chuàng)造了可能性長波大

短波大由實驗得出標定曲線，根據標定曲線實測出某一單色光的短路電流比值，即可確定該單色光波長§7－4－4光電位置傳感器＋＋－－NP當兩電級間距已知時只要測出和的值就可求得光點照射的位置a

b

a’

b’

平面位置檢測原理§7~5光電傳感器基本組成和原理一、光電式傳感器的基本組成光源光學通路光電器件測量電路1．光源―白熾燈、激光器、發(fā)光二極管、，射線等2．光學通路－透鏡、棱鏡、光柵、光導纖維等

a.