第四节光电式传感器
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
(3) 光伏效应
在光线作用下，使物体电阻或电导发生改变的现象称为内光电效应或
光照射 半 导体 PN 结后 ， 能使 PN 结产生电动势，或使 PN 结的光电流
光电导效应。相应的元件有光敏电阻。
增加等现象 ， 称为光伏效应或 PN 结的光电敢应。相应的元件有光电池、光敏 二 极管和光敏 三极管。
二 、 光电变换元件
44
传感器与测控电路
I 一 E
K
入射光
(a)
图 2- 19 光电管原理图和应用电路
(b)
表示两种不同类型阴极的光电管。 光电管的符号及应用电路如图 2-1 9(b) 所示。光 电管的阴极 K 和电源的负极相连，阳 极 A 通过负载电阻 RL 接电源正极，因此在管内形成电场 。 当阴极受到光线照射时，电子从 阴极逸出，在电场作用下被阳极收集，形成光电流 1 ，该电流及负载电阻 R L 上的电压将随
( 二 )光电倍增管
1.结构和工作原理
光电倍增管的工作原理建立在光电发射和 二 次发射基础上。图乞 20 是光电倍增管的结
构原理示 意图。图中 K 为光电阴极. Dl -D4 为 二次发射体，称为倍增极 .A 为阳极。在 工
作时，这些电极的电位是逐级增高的。当光线照射到光电阴极 K 后，它产 生 的光电子受到
称暗电阻，此时流过的电流称暗电流;受光照射时的阻值称亮电阻，此时流过的电流称亮电 流。亮咆流与暗电流之差称为光电流 。 光敏电阻的暗电阻越大，亮电阻越小 ，则性能越好 。
E
因 2-21
I
先电 池
I
~
u
l
R
曾
lH
光敏电阻的符号和连接电路
图公 22
光电池的符号和连接电路
(四)光电池
1.原理
以硅光电池为例。硅光电池是在一块 N 型硅片上，用扩散的办法掺入 一 些 P 型杂质， 形成一个大面积的 PN 结 。 当光线照射 PN 结时，若光子能 量大于半导体材料的禁带宽度， 就产生电子-空穴对，在 PN 结内电场的作用下，空穴移向 P 区，电子移向 N 区，从而使 P
第四节光电式传感器
榴榴躏蹦锦糊糊礁糊糊糊翻窃窃散钳制黝攘攘攘部糊粥黯揣黯t~蹦蹦翩翩翩翩翩栩栩蹦蹦蹦翩翩
一、 光电娘应
光电效应是各种光电器件 工 作的理论基础。光电效应有三种不同的类型，相应的 元 件也 有 三 类。
(1)外光电效应 在光线作用下 ， 使电子逸出物质表面的现象称为外光电效应或光电发
射效应。相应的元件有光电管、光电倍增管等 。 (2) 内光电效应
极管的反向电阻很大，反向电流即暗电流很小。当光照射时，光子打在 PN 结附近，产生光
子-空穴对，它们在 外加 反偏电压和内电场作用 下做定向 运动 ，形成光电流 。光的照度越大，
黛翩翩翩翩禽.
..剧瞄阳帽，r.r;3'续费现""'"咄盹踹酣延民曲幽幽幢圄跚跚瞌咆衍。幢刷刷)!g，!，_~也幽幽缉捕鹉蹦品性问哩总部吧'也咄咄酣睡瑞酣组>'.'M:t.tt斜阳密'蛐喇蹦蹦'毡'融、"喃挡回酣，钊翩翩蛐供销酣睡
46
传感器与测控电移
光电流越大，因此光敏二极管能将光信号转换为电信号输出。 光敏三 极管 与反向偏 置的光敏二极管类似，不过它 有两个 PN 结，像普通 三 极管一样能
得到电流的增益。它有 PNP 型和 NPN 型两种。 NPN 型光敏三极管的基本电路如图 2-24 所
示。当集电极加上相对于发射极为正的电压而基极开路时，集 电结处于反向偏置状态。 当光 线照射在集电结的基区，会产生先生电子和 空穴 ，光 生电子被拉到集电极 ，基 区留下了带正 电的空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样，发射极 (N 型材料)便有大量电子经基 极流向集电极，形成光敏 三 极管的输出电流，从而使光敏三极管具有电流增益作用 。
常用传感器工作原理与应用
45
2. 基本特性
光电倍增管的特性也主要是指光电特性、光谱特性、伏安特性。
(三)光敏电阻
1. 原理
有些半导体在黑暗的环境下电阻值很高，但 当 受到 一 定波长范围的光线照射时，物体内
部的原子可释放出电子，激发出电子帽空穴对 ，从而 使物体的导电性增加，阻值 降低，这种
光电效应称为内光电效应或光导效应。照射的光线愈强，阻值愈低;光照停止时，自由电子 与空穴逐渐复合 ，电阻又恢复原值 。具有光导效应的半导体材料称为光敏电阻，也称光 导管。 光敏电阻 RG 的符号和连接电路，见困 2-21 。使用时可加直流电压或交流电压。由于光
第 一 倍增极 Dl 正 电位的作用，使之加速并打在这个倍增极 上，产 生了二次发射。由第一倍
增极 DI 产生的 二 次发射电子，在较高正电位白极作用下，再次被加速入射到岛上，在 D2 极上又将产生 二 次发射，这样逐级前进，直到电子被阳极 A 收集为止。
A
因 2-20
光电倍增管的结构原理示意图
如果设每个电子藩到任 一倍增极上都打出 σ 个电子，则阳极电流 I 为
区带正电， N 区带负电，于是 P 区和 N 区之间产生电压，称为光生电动势 。 这种因光照而
产生电动势的现象称为光生伏特效应。图 2-22 所示为光 电 池的符号和连接电路。 2. 基本特性 光 电池的特性主要有光照特性、光谱特性、频率特性等。
(五)光敏二极管晨光敏兰极管
1.工作原理
光敏二极管的结构 与一 般二极管相似，但它的 PN 结装在管子顶部，可以直接受到光 照。光敏 二 极管在电路中一般处于反向工作状态，如图 2-23 所示。当没有光照时，光敏 二
( 一 )光电管
1.结构和原理
光电管由 一 个阴极和 ) 个阳极构成，它们 一 起装在 一 个抽成真空的玻璃泡内。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 极收集阴极所发射的电子 。 图 2- 19(a)
睛翩黯喃喃e咽盹锁酣嗣6耀自~-;')I!陇咽回融、边回榄树撞骗得曾韬跚脑血嘿撞在柿'协咽忌、帽回醋酣~ ~OO:阳i"\~'~由想想禽简陋，费现南. . . 被也'也毛也. . 白帽@组队静、"'.报撑悔恨想'" 嗣篇能U慰~如刨掣盹飞段
1= ioan
式中 10 一一光电阴极发出的光电流; n一--光电倍增极数( 一 般 9~11 个)。
(2-33)
这样，光电倍增管的电流放大倍数卢为
hf=σn
第二章
(2-34)
制副总 唱国L 咄陆敏、#阳翩翩况良 制哥粤、匈翩翩翩挚.，翩翩白描翩翩翩翩翩闯翩翩翩翩陆相铺路相&盹咄"‘四阳翩翩翩(fjoll 翩翩峙酬幢翩翩瞄翩瞄蛐咀幢幢翩翩翩酣睡础恤跚
光照的强弱而改变，达到把光信号变化转换为电信号变化的目的 。
2. 基本特性 光电管的特性主要指其光电特性、光谱特性和伏安特性 。
光电特性是指在阳极电压 一 定时，光电管的电流 I 与光通量 φ 之间的关系。
光谱特性是指用单位辐射通量的不同波长的光，分别照射光电管，在光电管上产生大小 不同的光电流 ，光电流 与 光波波长 λ 的关系。光电管的光谱特性主要取决于阴极的材料。 伏安特性是指在光通量一定时，阳极与阴极间电压与电流之间的关系 。
\入
pFra Baidu bibliotek
E 土二 +
(
N
飞/";)l.
c
b
11RL
囱 2-24 NPN 型光敏三 极管的基本电路
图 2-邱光敏二极管的符号和连接电路
2. 基本特性
光敏二极管、光敏 三 极管的特性主要有光照特性、光谱特性、伏安特性、频率特性等。
敏电阻 RG 的阻值随光照强度而变化，所以流过负载 RL 的电流及其两端的电压也随之变化，
因而可将光信号转换为电信号。 光敏电阻种类很多， 一 般由金属的硫化物、晒化物等组成 。
2. 基本特性和参敢
光敏电阻的特性主要是指光照特性、光谱特性、伏安特性等。 光敏 电阻的 参数主要是指其暗 电阻、 亮电阻及光电流。光敏电阻在黑暗时所具有的阻值
在光线作用下，使物体电阻或电导发生改变的现象称为内光电效应或
光照射 半 导体 PN 结后 ， 能使 PN 结产生电动势，或使 PN 结的光电流
光电导效应。相应的元件有光敏电阻。
增加等现象 ， 称为光伏效应或 PN 结的光电敢应。相应的元件有光电池、光敏 二 极管和光敏 三极管。
二 、 光电变换元件
44
传感器与测控电路
I 一 E
K
入射光
(a)
图 2- 19 光电管原理图和应用电路
(b)
表示两种不同类型阴极的光电管。 光电管的符号及应用电路如图 2-1 9(b) 所示。光 电管的阴极 K 和电源的负极相连，阳 极 A 通过负载电阻 RL 接电源正极，因此在管内形成电场 。 当阴极受到光线照射时，电子从 阴极逸出，在电场作用下被阳极收集，形成光电流 1 ，该电流及负载电阻 R L 上的电压将随
( 二 )光电倍增管
1.结构和工作原理
光电倍增管的工作原理建立在光电发射和 二 次发射基础上。图乞 20 是光电倍增管的结
构原理示 意图。图中 K 为光电阴极. Dl -D4 为 二次发射体，称为倍增极 .A 为阳极。在 工
作时，这些电极的电位是逐级增高的。当光线照射到光电阴极 K 后，它产 生 的光电子受到
称暗电阻，此时流过的电流称暗电流;受光照射时的阻值称亮电阻，此时流过的电流称亮电 流。亮咆流与暗电流之差称为光电流 。 光敏电阻的暗电阻越大，亮电阻越小 ，则性能越好 。
E
因 2-21
I
先电 池
I
~
u
l
R
曾
lH
光敏电阻的符号和连接电路
图公 22
光电池的符号和连接电路
(四)光电池
1.原理
以硅光电池为例。硅光电池是在一块 N 型硅片上，用扩散的办法掺入 一 些 P 型杂质， 形成一个大面积的 PN 结 。 当光线照射 PN 结时，若光子能 量大于半导体材料的禁带宽度， 就产生电子-空穴对，在 PN 结内电场的作用下，空穴移向 P 区，电子移向 N 区，从而使 P
第四节光电式传感器
榴榴躏蹦锦糊糊礁糊糊糊翻窃窃散钳制黝攘攘攘部糊粥黯揣黯t~蹦蹦翩翩翩翩翩栩栩蹦蹦蹦翩翩
一、 光电娘应
光电效应是各种光电器件 工 作的理论基础。光电效应有三种不同的类型，相应的 元 件也 有 三 类。
(1)外光电效应 在光线作用下 ， 使电子逸出物质表面的现象称为外光电效应或光电发
射效应。相应的元件有光电管、光电倍增管等 。 (2) 内光电效应
极管的反向电阻很大，反向电流即暗电流很小。当光照射时，光子打在 PN 结附近，产生光
子-空穴对，它们在 外加 反偏电压和内电场作用 下做定向 运动 ，形成光电流 。光的照度越大，
黛翩翩翩翩禽.
..剧瞄阳帽，r.r;3'续费现""'"咄盹踹酣延民曲幽幽幢圄跚跚瞌咆衍。幢刷刷)!g，!，_~也幽幽缉捕鹉蹦品性问哩总部吧'也咄咄酣睡瑞酣组>'.'M:t.tt斜阳密'蛐喇蹦蹦'毡'融、"喃挡回酣，钊翩翩蛐供销酣睡
46
传感器与测控电移
光电流越大，因此光敏二极管能将光信号转换为电信号输出。 光敏三 极管 与反向偏 置的光敏二极管类似，不过它 有两个 PN 结，像普通 三 极管一样能
得到电流的增益。它有 PNP 型和 NPN 型两种。 NPN 型光敏三极管的基本电路如图 2-24 所
示。当集电极加上相对于发射极为正的电压而基极开路时，集 电结处于反向偏置状态。 当光 线照射在集电结的基区，会产生先生电子和 空穴 ，光 生电子被拉到集电极 ，基 区留下了带正 电的空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样，发射极 (N 型材料)便有大量电子经基 极流向集电极，形成光敏 三 极管的输出电流，从而使光敏三极管具有电流增益作用 。
常用传感器工作原理与应用
45
2. 基本特性
光电倍增管的特性也主要是指光电特性、光谱特性、伏安特性。
(三)光敏电阻
1. 原理
有些半导体在黑暗的环境下电阻值很高，但 当 受到 一 定波长范围的光线照射时，物体内
部的原子可释放出电子，激发出电子帽空穴对 ，从而 使物体的导电性增加，阻值 降低，这种
光电效应称为内光电效应或光导效应。照射的光线愈强，阻值愈低;光照停止时，自由电子 与空穴逐渐复合 ，电阻又恢复原值 。具有光导效应的半导体材料称为光敏电阻，也称光 导管。 光敏电阻 RG 的符号和连接电路，见困 2-21 。使用时可加直流电压或交流电压。由于光
第 一 倍增极 Dl 正 电位的作用，使之加速并打在这个倍增极 上，产 生了二次发射。由第一倍
增极 DI 产生的 二 次发射电子，在较高正电位白极作用下，再次被加速入射到岛上，在 D2 极上又将产生 二 次发射，这样逐级前进，直到电子被阳极 A 收集为止。
A
因 2-20
光电倍增管的结构原理示意图
如果设每个电子藩到任 一倍增极上都打出 σ 个电子，则阳极电流 I 为
区带正电， N 区带负电，于是 P 区和 N 区之间产生电压，称为光生电动势 。 这种因光照而
产生电动势的现象称为光生伏特效应。图 2-22 所示为光 电 池的符号和连接电路。 2. 基本特性 光 电池的特性主要有光照特性、光谱特性、频率特性等。
(五)光敏二极管晨光敏兰极管
1.工作原理
光敏二极管的结构 与一 般二极管相似，但它的 PN 结装在管子顶部，可以直接受到光 照。光敏 二 极管在电路中一般处于反向工作状态，如图 2-23 所示。当没有光照时，光敏 二
( 一 )光电管
1.结构和原理
光电管由 一 个阴极和 ) 个阳极构成，它们 一 起装在 一 个抽成真空的玻璃泡内。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 极收集阴极所发射的电子 。 图 2- 19(a)
睛翩黯喃喃e咽盹锁酣嗣6耀自~-;')I!陇咽回融、边回榄树撞骗得曾韬跚脑血嘿撞在柿'协咽忌、帽回醋酣~ ~OO:阳i"\~'~由想想禽简陋，费现南. . . 被也'也毛也. . 白帽@组队静、"'.报撑悔恨想'" 嗣篇能U慰~如刨掣盹飞段
1= ioan
式中 10 一一光电阴极发出的光电流; n一--光电倍增极数( 一 般 9~11 个)。
(2-33)
这样，光电倍增管的电流放大倍数卢为
hf=σn
第二章
(2-34)
制副总 唱国L 咄陆敏、#阳翩翩况良 制哥粤、匈翩翩翩挚.，翩翩白描翩翩翩翩翩闯翩翩翩翩陆相铺路相&盹咄"‘四阳翩翩翩(fjoll 翩翩峙酬幢翩翩瞄翩瞄蛐咀幢幢翩翩翩酣睡础恤跚
光照的强弱而改变，达到把光信号变化转换为电信号变化的目的 。
2. 基本特性 光电管的特性主要指其光电特性、光谱特性和伏安特性 。
光电特性是指在阳极电压 一 定时，光电管的电流 I 与光通量 φ 之间的关系。
光谱特性是指用单位辐射通量的不同波长的光，分别照射光电管，在光电管上产生大小 不同的光电流 ，光电流 与 光波波长 λ 的关系。光电管的光谱特性主要取决于阴极的材料。 伏安特性是指在光通量一定时，阳极与阴极间电压与电流之间的关系 。
\入
pFra Baidu bibliotek
E 土二 +
(
N
飞/";)l.
c
b
11RL
囱 2-24 NPN 型光敏三 极管的基本电路
图 2-邱光敏二极管的符号和连接电路
2. 基本特性
光敏二极管、光敏 三 极管的特性主要有光照特性、光谱特性、伏安特性、频率特性等。
敏电阻 RG 的阻值随光照强度而变化，所以流过负载 RL 的电流及其两端的电压也随之变化，
因而可将光信号转换为电信号。 光敏电阻种类很多， 一 般由金属的硫化物、晒化物等组成 。
2. 基本特性和参敢
光敏电阻的特性主要是指光照特性、光谱特性、伏安特性等。 光敏 电阻的 参数主要是指其暗 电阻、 亮电阻及光电流。光敏电阻在黑暗时所具有的阻值