传感器 第八章

第8章 光电式传感器
上式为爱因斯坦光电效应方程式, 由式可知：
1)光子能量必须超过逸出功A0，才能产生光电子；
2)入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比；
3)光电子逸出物体表面时具有初始动能
1 2
mv02
，因此对于外光电效
应器件， 即使不加初始阳极电压，也会有光电流产生，为使光电
流为零， 必须加负的截止电压。
电源 玻璃底板
I
RL
E
Ra
检流计
(a)
(b)
(c)
图8-4 光敏电阻结构 (a) 光敏电阻结构； (b) 光敏电阻电极； (c) 光敏电阻接线图
第8章 光电式传感器
光敏电阻的内部结构
图8-6 光敏电阻的内部结构 1—玻璃； 2—光电导层； 3—电极； 4—绝缘衬底； 5—金属壳； 6—黑色绝缘玻
璃； 7—引线
❖ 阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子 发射
❖ 二次电子发射系数 σ = 二次发射电子数／入射电子数 若倍增极有n，则倍增率为σn
第8章 光电式传感器
第8章 光电式传感器
2.基于内光电效应的光电元件
1）光敏电阻
①光敏电阻的工作原理 光敏电阻又称光导管, 是用半导体材料制成的光电器件。 它没有极 性,是一个纯粹的电阻器件, 使用时既可加直流电压, 也可以加交流 电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电 流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮 电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。 一般希望暗电阻越大越 好，亮电阻越小越好， 此时光敏电阻的灵敏度高。
第8章 光电式传感器
教学目标
知识目标： （1）了解光电元件的结构和分类。 （2）掌握光电式传感器的工作原理及光电元件的基 本应用电路。 （3）熟悉光电式传感器在工程上的应用。
技能目标： （1）能够根据检测要求选择合适的光电式传感器。 （2）能够根据被测信号的特点设计出简单合理的传 感器检测电路。 （3）能够正确维护常用电子检测设备。
当光照增加，
Ui<（1/2）VDD
时，反相器翻转, 输出变为什么电平？
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8.2.3 光敏三极管的基本应用电路
（a）发射极输出电路
（b）集电极输出电路
图8-16 锗光敏三极管的两种基本应用电路
第8章 光电式传感器
表8-1 锗光敏三极管发射极和集电极输出电路状态的比较
无光照时
强光照时
光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此 时流过的电流称为亮电流。 （3）光电流
亮电流与暗电流之差，称为光电流。 （4）响应时间。
光敏电阻具有延时特性，上升响应的时间和下降响应的时间 均为10–2～10–3 s，可见光敏电阻不能用在要求快速响应的场 合。
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金 属 电极 半导体
图8-1 PN结的光生伏特效 应
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8.1.2 光电元件
1.基于外光电效应的光电元件
1） 光电管 光电管有真空光电管和充气光电管 两类，由阴极和阳极构成，要求阴 极镀有光电发射材料，并有足够的 面积来接受光的照射。阳极是用一 条细长的金属丝弯成圆形或矩形制 成，放在玻璃管的中心。
(a)真空光电管 (b)充气光电管 图8-2 光电管的结构示意图
第8章 光电式传感器
第8章 光电式传感器
第8章 光电式传感器
工作原理：把被测量的变化转换成光信号的变化，然后
通过光电转换元件变换成电信号。
辐射源
光学通路
I
光电元件
x1
x2
光电式传感器方框图
第8章 光电式传感器
1 8.1 光电效应与光电元件 2 8.2 光电元件的基本应用电路 3 8.3 光电式传感器的应用
各种光电管外形图
第8章 光电式传感器
2）光电倍增管
光照微弱时，光电管产生的光电流很小，
为提高灵敏度，采用光电倍增管。
E1
E3
光
A
k
E2
E4
光电倍增管：放大光电流 组成：光电阴极+若干倍增极+阳极
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结构与工作原理
❖ 光电阴极 光电倍增极 阳极 倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且电位逐 级升高
第8章 光电式传感器
光电管的工作原理
当阴极受到适当波长的光线（紫外线）照射时会发射出电子，光 电阳极吸收从光电阴极发射出的电子，从而在外围电路形成电流 。
第8章 光电式传感器
第8章 光电式传感器
(a)真空光电管的伏安特性曲线 (b) 充气光电管的伏安特性曲线 图8-3 光电管的伏安特性曲线
第8章 光电式传感器
柔光罩下面为圆形光电池
第8章 光电式传感器
光电池在动力方面的应用 太阳能赛车
太阳能 硅光电池板
太阳能电动机模型
第8章 光电式传感器
光电池在动力方面的应用
太阳能发电
第8章 光电式传感器
光电池在动力方面的应用
光电池在人造卫星上的应用
第8章 光电式传感器
光电池的光电特性
开路电压为 对数特性
短路电流为 线性特性
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光敏电阻
当光敏电阻受到光照时， 阻值减 小。
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2）光敏二极管
１. 光敏二极管的结构与一般二极管相似。 它装在透明玻璃外壳中, 其
PN结装在管的顶部, 可以直接受到光照射。
第8章 光电式传感器
光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态, 在没有光照射时, 反向 电阻很大, 反向电流很小。 当光照射在PN结上时, PN结附近产生光生 电子—空穴对。从而使P区和N区的少数载流子的浓度增加，在外加反 向的电压和内电场的作用下作定向运动, 形成光电流。光的照度越大, 光电流越大。 因此光敏二极管在不受光照射时, 处于截止状态, 受光照 射时, 处于导通状态。
电路形式 三极管状 态
IC
Uo
三极管 状态
IC
Uo
发射极输 出电路
截止
0
0（低电平） 饱和
（UCC－0.３） /RL
ICRL （高电平）
集电极输 出电路
截止
0
UCC（高电 平）
饱和
（UCC－0.３） /RL
光敏二极管的光谱特性
硅光敏二极管的光谱响应波段为0.4~1.5 μm范围，锗光 敏二极管的光谱响应波段为0.6~2.5 μm范围。一种光敏 二极管只对一定波长的入射光敏感，这是选择光敏二极管 的重要依据之一。
图8-10 光敏二极管的光谱特性
光敏第二8章极光电管式外传感形器 光敏二极管阵列
包含1024个InGaAs元件的线性光 电二极管阵列，可用于分光镜。
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内光电效应
在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面， 而使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的效 应称为内光电效应。内光电效应分为：光电导效应、 光生伏特效应。 常见的基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光 敏二极管、光敏三极管和光敏晶闸管等。
第8章 光电式传感器
内光电效应动画演示
第8章 光电式传感器
光敏电阻演示
当无光照时，光敏 电阻值(暗电阻)很大， 电路中电流（暗电 流）很小。当光敏 电阻受到光照时， 光生电子—空穴对 增加，阻值（亮电 阻）减小，电流 （亮电流）增大。
第8章 光电式传感器
②光敏电阻的主要参数 （1）暗电阻和暗电流
光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻， 此时流过的电 流称为暗电流。 （2）亮电阻和亮电流
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第8章 光电式传感器
光敏三极管外形
第8章 光电式传感器
光敏三极管内部结构
a) 内部组成 b)管芯结构 c）结构简化图
1—集电极引脚； 2—管芯； 3—外壳； 4—玻璃聚光镜；
5集—电发结射；极引10脚—；P型6基—区N+；衬底11；—7N—型N发型射集区电；区；128——发S射iO结2保护圈；
第8章 光电式传感器
情感目标： （1）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨 的工作作风。 （2）具有工作与学习良好的交流与团队合作能力。
教学重难点
教学重点： 光电效应和光电元件。 教学难点： 光电元件的基本应用电路。
8.1.1 光电效应
第8章 光电式传感器 8.1 光电效应与光电元件
光电式传感器的工作基础是光电效应 。
一个典型的硅光电池的光电特性 曲线
1—开路电压曲线 2—短路电流
第8章 光电式传感器
8.2 光电元件的基本应用电路 8.2.1 光敏电阻的基本应用电路
a）UＯ与光照变化趋势相同的电路 b）UＯ与光照变化趋势相反的电路
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8.2.2 光敏二极管的基本应用电路
利用反相器可将光 敏二极管的输出电压 转换成TTL电平。
第8章 光电式传感器
第8章 光电式传感器
外光电效应动画演示
第8章 光电式传感器
一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为 光子。 光子具有能量，每个光子具有的能量由下式确定：
E=h f
（8-1）
式中： h——普朗克常数=6.626×10-34(J·s) f——光的频率（s-1）。
第8章 光电式传感器
第8章 光电式传感器
3.基于光生伏特效应的光电元件
有光线作用下实质上就是电源，电路中有了这种器件就不 再需要外加电源。 （1）工作原理
❖ 直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面积的pn结。 当光照射到pn结上时，便在pn结的两端产生电动势(p区为 正，n区为负) 。
❖ 用导线将pn结两端用导线连接起来，就有电流流过，电流 的方向由P区流经外电路至n区。若将电路断开，就可以测 出光生电动势。
9—
第8章 光电式传感器
3.基于光生伏特效应的光电元件
在N型衬底上制造一薄层P型层作为光照敏感面，就构成最简单 的光电池。当入射光子的能量足够大时，P型区每吸收一个光子 就产生一对光生电子—空穴对， 光生电子—空穴对的的扩散运 动使电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴留在P区，所以N区 带负电，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，PN 结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。
1905年德国物 理学家爱因斯坦 用光量子学说解 释了光电发射效 应，并为此而获 得1921年诺贝尔 物理学奖。
第8章 光电式传wenku.baidu.com器
光电效应
当用光照射在某一物体上时，可以
看做是物体受到一连串能量为E的光子
轰击，组成这种物体的材料吸收了光子 能量而发生相应电效应的现象 （如发 射光电子、电导率变化、产生电动势 等），这种现象称为光电效应。
第8章 光电式传感器 （1） 光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能 量后而引起物质电导率发生变化的现象称为光电导效 应（光敏电阻）。
电子能级示意图
第8章 光电式传感器
（1） 光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能 量后而引起物质电导率发生变化的现象称为光电导效 应（光敏电阻）。
（2） 光生伏特效应 在光线照射下，半导体材料吸收 光能后，引起PN结两端产生电动势的现象称为光生伏 特效应（光电池）。
光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体， 物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就会逸 出物体表面，产生光电子发射。所以要使一个电子能够逸出，
光子的能量E必须大于逸出功A0，超出逸出功德能量表现为逸
出电子的动能，即
E hf
1 2
mv02
A0
式中：m——电子质量； v0——电子逸出初速度。
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硼 扩 散层
Si O2膜 P型 电 极
I
N型 硅 片
P N结
A
电极 (a)
I A
(b)
图 硅光电池原理图 (a) 结构示意图； (b) 等效电路
第8章 光电式传感器
光电池外形
光敏面
第8章 光电式传感器
能提供较大电流的 大面积光电池外形
第8章 光电式传感器
其他光电池及在照度测量中的应用
图8-9 光敏二极管的工作原理
第8章 光电式传感器
光敏二极管的反向偏置接法
在没有光照时，由于 二极管反向偏置，所 以反向电流很小，这 时的电流称为暗电流， 相当于普通二极管的 反向饱和漏电流。当 光照射在二极管的PN 结上时，电子-空穴对 数量增加，光电流也 相应增大，光电流与 照度成正比。
第8章 光电式传感器
第8章 光电式传感器
红外发射、接收对管外形 红外发射管
红外接收管
第8章 光电式传感器
3）光敏三极管
光敏三极管有两个PN结。与普通三极管相似，有电流增益， 灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出 线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极 管相似，从外观上很难区别。
2020/3/21
第8章 光电式传感器
外光电效应
光电管、光电倍增管
光
电
效 应
光电导效应
光敏电阻、光敏二极管、 光敏三极管
内光电效应
光生伏特效应
光电池
第8章 光电式传感器
外光电效应
在光线作用下，物体内的电子逸出物 体表面向外发射的现象称为外光电效应。 常见的基于外光电效应的光电器件有光 电管、光电倍增管、光电摄像管等。