第七章光电传感器习题答案

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第七章光敏传感器

•1．光电效应通常分为哪几类？简要叙述之。与之对应的光电器件有哪些？

•2．半导体内光电效应与入射光频率的关系是什么？

3．光电倍增管产生暗电流的原因有哪些？如何降低暗电流？

•4．试述光电倍增管的组成及工作原理？

•5．简述光敏二极管和光敏三极管的结构特点、工作原理及两管的区别？

•6．为什么在光照度增大到一定程度后，硅光电池的开路电压不再•随入射照度的增大而增大？硅光电池的最大开路电压为多少？

•7．试举出几个实例说明光电传感器的实际应用，并进行工作原理的分析。

答案：

一、光电效应分为两类：外光电效应和内光电效应

外光电效应：入射光子被物质的表面所吸收，并从表面向外部释放电子的一种物理现象。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。

内光电效应

当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动

势的现象。分为光电导效应（如：光敏电阻）和光生伏特效应（如光电池、光电二极管、光电三极管）。

二、、对于不同的本征半导体材料，禁带宽度Eg不同，对入射光的波长或频率的要求也不同，一般都必须满足：

对于杂质半导体：

Ei为杂质电离能

三、

1、欧姆漏电

欧姆漏电主要指光电倍增管的电极之间玻璃漏电、管座漏电和灰尘漏电等。欧姆漏电通常比较稳定，对噪声的贡献小。在低电压工作时，欧姆漏电成为暗电流的主要部分。

在使用光电倍增管时，保证管壳和所有连接件的清洁干燥是十分必要的。

2、热发射

由于光电阴极材料的光电发射阈值较低，容易产生热电子发射，即使在室温下也会有一定的热电子发射，并被电子倍增系统倍增。

要减小热电子发射，应选用热发射小的阴极材料，并在满足使用的前提下，尽量减小光电阴极的面积，降低光电倍增管温度。

3、残余气体放电

光电倍增管中高速运动的电子会使管中的残余气体电离，产生正离子和光子，它们也将被倍增，形成暗电流。这种效应在工作电压高时特别严重，使倍增管工作不稳定。

在管子封口前应低温烘烤多余的残余气体。

4、场致发射

光电倍增管的工作电压高时还会引起管内电极尖端或棱角的场强太高产生的场致发射暗电流。显然降低工作电压场致发射暗电流也将下降；加工时要精细，电极边应做成弯卷状。

5、玻璃壳放电和玻璃荧光

当光电倍增管负高压使用时，金属屏蔽层与玻璃壳之间的电场很强，尤其是金属屏蔽层与处于负高压的阴极电场最强。在强电场下玻璃壳可能产生放电现象或出现玻璃荧光，放电和荧光都要引起暗电流，而且还将严重破坏信号。因此，在阴极为负高压应用时屏蔽壳与玻璃管壁之间的距离至少为10~20mm。

四、

光电倍增管是一种真空光电发射器件，它主要由（光入射）窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极五部分组成。

光照射到阴极上产生光电子，光电子在真空中电场的作用下被加速而投射到第一个打拿极上，产生3～6倍的二次电子，被打出来的二次电子再经过加速电场的加速，又打在第二倍增电极上，电子数目又增加3～6倍，如此不断连续倍增，直到最后一级的倍增极产生的

二次电子被更高电位的阳极收集为止，其电子数将达到阴极发射电子数的105~106倍。从而在整个回路里形成光电流I A。工作时，电极电位从阴极到阳极经过各个打拿极逐级升高，即每个打拿极电压应满足V11>V10>….V3>V2>V1，（其中V11，V10，….V3，V2，V1分别为各打拿极的电压。）

光电倍增管的放大倍数很高，一般可达106，它的灵敏度比普通光电管高几万到几百万倍。

五、

结构特点：光电二极管结构与普通二极管类似。它的管芯是一个具有光敏特性的PN结，结面积比普通二极管大，表面有防反射的SiO2保护层。封装在透明玻璃壳内。PN结装在管子的顶部，并有一个透明窗口，可使入射光集中照射在PN结的敏感面上。

光敏三极管与普通半导体三极管一样，是采用半导体制作工艺制成的具有NPN 或PNP 结构的半导体管，它的引出电极通常只有两个。为适应光电转换的要求，它的基区面积做得较大，发射区面积做得较小，入射光主要被基区吸收。和光敏二极管一样，封装在透明玻璃壳内，并有一个透明窗口，可使入射光集中照射在敏感面上。

工作原理：

光敏二极管：在反向偏压的作用下,无光照时，反向电流很小，这反向电流称为暗电流。只有少数载流子，渡越阻挡层形成微小的反向电

流即暗电流;当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下， P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区， N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。光的照度越大，光电流越大。

光敏晶体管：光敏晶体管的基区很薄，无引线（开路），当集电极加上相对于发射极为正的电压，集电结处于反向偏置状态，当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子—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，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的β倍，所以光敏晶体管有放大作用。

光敏二极管和三极管的主要差别：

光电流

光敏二极管一般只有几微安到几百微安，而光敏三极管一般都在几毫安以上，至少也有几百微安，两者相差十倍至百倍。光敏二极管与光敏三极管的暗电流则相差不大，一般都不超过1uA。

响应时间

光敏二极管的响应时间在100ns以下，而光敏三极管为5～10us。因此，当工作频率较高时，应选用光敏二极管；只有在工作频率较低

时，才选用光敏三极管。

输出特性

光敏二极管有很好的线性特性，而光敏三极管的线性较差。

六、

当硅光电池的输出端开路时，外电路电流I=0，开路电压为：

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