检测与转换技术课件：第6章光电式传感器

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光敏电阻光照特性
５ 光 ４ 电 流３ ２ １
多数是非线性的。不宜做光照测量元件， 一般用做开关式的光电转换器。
/mA
0 500 1000 1500 光照度/lx
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光敏二极管光照特性
反偏时，光照特性线性好，适合作检测元件。微安数 量级。 零偏时，相当于光电池，输出短路电流与光照
度是线性关系，输出开路电压与光照度是非线性的。
IC c
N
b
RC EC
P
e IE
N
光敏三极管具有两个PN结，其基本原理与光敏二极管类似，但 它在把光信号变成电信号的同时，还放大了信号电流。集电极电 15 流为光敏二极管光电流的ß倍。
在使用光敏管时，不能从外观 上区别是二极管还是三极管， 只能由型号来判定。
光激发光控开关
暗激发光控开关
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3、光生伏特效应:
光照射引起PN结两端产生电动势的现象，简称光伏
效应。
基于该效应的器件有光电池。
梳状电极
SiO2抗反射膜
硅光电池的结构如图。它 是在一块N型硅片上用扩 散的办法掺入一些P型杂 质（如硼）形成PN结。
P N
下电极
光电池的结构图
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光电池
光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的 光电器件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上 时，产生光生电子-空穴对，在PN结内电场作用下，空 穴流向P区，电子流向N区，在PN结的两端出现电动势 。故光电池属于有源传感器。
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光电器件


光电管和光电倍增管
当入射光照射到光电管阴极时，阴极发射 电子，电子被阳极正电场吸引，光电管内 形成电流，在负载输出电压，实现光电转 换。
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光电倍增管


在阴极和阳极间有多个倍增极，倍增极上涂有电子轰击下能 发射更多电子的材料。 特点：能将微小的光电流放大，适合测量微弱的光，用于测 量仪器。 光谱特性由窗口材料、阴极材料决定。
第6章
光电式传感器
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概
述
光电效应: 基于光电效应原理工作的光电转换元件叫光电器件。
分为外光电效应、光导效应、光生伏特效应。
相应地，光电器件有光电发射型、光导型、光伏型。
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一、光电发射型光电器件
光子能量为hf, h是普朗克常数，光子打在光电材料上，单个光 子把全部能量传给光电材料中的一个自由电子，其中一部分消 耗在电子逸出的逸出功A，另一部分转化为逸出电子的初动能。 电子质量m，逸出物体表面初速度ν ，按能量守恒定律：
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(3)光敏三极管的光照特性
I(μA)
近似线性关 系。但光照 足够大时会 出现饱和现 象。
3.0
2.0 1.0 0 200 400 600 800 1000 Lx
故光敏三极管既可做线性转换元件， 也 可做光控制传感器。
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二、光谱特性 光电器件电极上电压一定时，光电流I或灵敏度与入射 光的波长λ的关系，即I=f(λ)或S=f(λ) 。

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光电器件的基本特性
一、光电特性和光照特性 光电特性 光电器件电极上电压一定时，光电流I与入射到器件上 的光通量Φ的关系I=f(Φ)。 光通量：单位时间内所辐射的光能，单位:lm(流明)

光照特性 光电器件电极上电压一定时，光电流I与光电器件上的 照度E的关系I=f(E) 。 照度：单位面积上受到的光通量，单位:lx(勒克斯) 1勒克斯=1流明/平方米
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把光敏电阻连接到外电路中，在外加电 压的作用下，用光照射就能改变电路中电流 的大小，实现光电信号的转换。
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2. 光敏电阻的主要参数和基本特性 （1）暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、 光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗 电阻，此时流过的电流为暗电流。 在受到光照时的电阻称为亮电阻，此时 的电流称为亮电流。

1 2 hf m v A 2 A为电子从物体表面逸出 所作的功 v电子从物体表面逸出的 初速度

红限频率:能使光电材料产生光电子发射的照射光的最低频率。 动能为0 → fo= A/h
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1 外光电效应 在光照作用下,物体内的电子逸出物体表 面向外发射的现象叫做外光电效应。 基于外光电效应的光电器件有光电管、光 电倍增管。
fo
Eg h
基于这种效应的光电器件有光敏电阻，光敏二极管、 8 光敏三极管。
光敏电阻
当光照射到有光导效应的半导体材料制成的电阻器 件上时，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从 而使电子和空穴增加，致使光敏电阻的电阻值下降。
电极 半导体
玻璃底板 E A
光敏电阻的结构与电路连接
光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱特性、寿命 长、性能稳定、应用广泛。
N
若将PN结两端用 导线连起来，电 路中就有电流流 过。若将外电路 断开，就可测出 光生电动势。
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目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池和 硒光电池。
硅光电池的价格便宜，转换效率高，寿命长，适 于接受红外光。 硒光电池的光电转换效率比硅光电池低、适于 接收可见光。
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光电池应用
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光电池和风力供电路灯
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光敏晶体管 1. 光敏二极管
P R
成PN结，工作在反偏状态。
N
I
+
-
E
结构与普通二极管相似，有一个对光敏感材料组
无光照射时，反向电流很小，叫暗电流，
有光照射时，PN结附近产生光生电子—空穴对，在 反向电压作用下参与导电，形成光电流，光电流大小 与光照强度成正比。
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光 P N
RL
光敏二极管在工作时，一般加上反向电压，处于反向工作状 态。加上零偏电压时，处于光电池工作状态。 光敏二极管的光照特性是线性的 (光电流) ，适合检测等方面的 应用。 13
2. 光敏三极管
结构： 集电结为光敏二极管的三极管，且基极一般不接引线。 有放大光电流作用。带基极引线的光敏三极管提供了基 极偏置回路，在光照弱时可改善特性。 14
基本工作原理：
当集电极加上正电压，基极开路 时，集电结处于反向偏置状态。 当光线照射集电结的基区时，产 生电子、空穴对，光生电子被拉 到集电极，基区留下空穴，使基 极与发射极间的电压升高，相当 于给发射结加了正向偏压。从而 使电子大量流向集电极，形成输 出电流。
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2 、光导效应
大多数高电阻率半导体，受光照射吸收光子能量后，产 生电阻率降低而易于导电的现象。也称为内光电效应。
光导效应物理过程: 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态，而引起材料导电性能增强。 7
光导型光电器件

入射光能量必须大于入射光的禁带宽度，所以入射光频率 须大于禁带宽度决定的红限频率。