光电效应和光电器件

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。
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2． 基本特性
(1) 光谱特性 (2) 光照特性 (3) 频率响应 (4) 温度特性 (5) 稳定性
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光电式数字转速表
c ZTN 60
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—、光源本身是被测物的应用实例
光的照度E 的单位是lx（勒 克斯），它是常 用的光度学单位 之一，它表示受 照物体被照亮程 度的物理量，可 以用照度计来测 量。
光电池 （外加柔 光罩）
1.红外线辐射温度计：
红外辐射温度计既可用于高温 测量，又可用于冰点以下的温度测量， 所以是辐射温度计的发展趋势。市售 的红外辐射温度计的温度范围可以从 -30℃~3000℃，中间分成若干个不同 的规格，可根据需要选择适合的型号。
红外发射、接收对管外形
红外发射管
红外接收管
光敏晶体管
与一般晶体管很相似，具有两个pn结。把光信 号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。
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光敏三极管外形
2． 基本特性
（1）光谱特性 （2）伏安特性 （3）光照特性 （4）温度特性 （5）频率响应
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（1）光谱特性
红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用 （续）
温度 采集系统
利用红色激光瞄准被 测物（电控柜、天花 板内的布线层）
比色式温度传感器温度非接触 测量中的应用
比色式温度传感器采用比色式（双波 段）测温原理实现对被测目标的非接触测 温，用户不需知道物质的发射率。它抗烟 雾、水蒸气和灰尘能力较强，不受窗口玻 璃影响，能瞄准 ,测量小目标，可不考虑 距离系数，可以不完全被目标充满，不需 调焦就可准确测量。
灵敏度高，光谱特性好，光谱响应从紫外区一直到红外区。 而且体积小、重量轻、性能稳定
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2． 光敏电阻的主要参数
（1）暗电阻和暗电流 光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时 间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电 流，称为暗电流。 （2）亮电阻 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。
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（1）光谱特性
光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的
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(2)光照特性
不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。
短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的 光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用
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光电池的短路电流
外接负载电阻相对于它的内阻来说很小情况下 的电流值。
第七章 光电式传感器
光电传感器是将光通量转换为电量的一 种传感器。
被测量
光信号 电信号
一般由：光源、光学通路和光电元件组 成。
特点：
精度高、反应快、非接触、高分辨率、
高可靠性，且可测参数多，传感器结构 简单，形式灵活多样等。
在检测和控制领域得到广泛应用。
7.1 光电效应和光电器件
外光电效应: 在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。如光 电管、光电倍增管
结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中 在电路中一般是处于反向工作状态的
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光敏二极管
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光敏二极管
将光敏二极管 的PN 结设置在透 明管壳顶部的正下 方，光照射到光敏 二极管的PN结时， 电子-空穴对数量增 加，光电流与照度 成正比。
光敏二极管外形
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。
红外线辐射温度计外形
激光仅 用于瞄准
红外线辐射温度计外形
红外线辐射温度计 用于食品温度测量
红外线辐射温度计 在非接触体温测量中的应用
耳温仪
红外线辐射温度计用于人体额温测量
红外线辐射温度计在非接 触温度测量中的应用
集成IC 温度测量
红外线辐射温度计在非接触温度测量 中的应用（续）
利用红色激光瞄准被测 物（冷藏牛奶和面食）
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（4）温度特性
其暗电流及光电流与温度的关系
温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。
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（5）频率响应
具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的 光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系
硅光敏晶体管的频率响应
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7．1．5 光电池
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 2．基本特性
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光敏电阻的频率特性
不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间， 所以它们的频率特性也就不尽相同。
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（5）温度特性
光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时， 它的暗电阻和灵敏度都下降。
温度系数:
R2 R1 100 %C 1
(T2 T1 )R2
在一定光照下，温度每变化1℃， 光敏电阻阻值的平均变化率
由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件， 一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。
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（3）光谱特性
光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的
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（4）响应时间和频率特性
光电导的弛豫现象：光电流的变化对于 光的变化，在时间上有一个滞后。
通常用响应时间t表示。
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7．1．2 光电倍增管
在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小， 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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光电倍增管的结构 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
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
比色温度计适于环境条件恶劣的工业现场中使用，如 : 烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现 场。
2.热释电传感器在人体检测、报警中的应用
热释电元件在红外线检测中得到广泛的 应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检 测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的 控制等。
热释电元件外形
热释电传感器简介
内光电效应: 在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如光敏电 阻、光敏晶体管等属于这类光电器件。
阻挡层光电效应(光生伏特效应): 在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现 象。如光电池
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光电效应和光电器件
7.1.1 光电管 7.1.2 光电倍增管 7.1.3 光敏电阻 7.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 7.1.5 光电池 7.1.6 光电式传感器的应用
二次电子发射系数 σ =二次发射电子树／入射电子数
若倍增极有n，则倍增率为σn
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7．1．3 光敏电阻
1. 光敏电阻的工作原理及结构 2．光敏电阻的主要参数 3．光敏电阻的基本特性
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1. 光敏电阻的工作原理及结构
当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小 当有光照时，光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加
入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降
硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性
可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。 在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。
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（2）伏安特性
硅 光 敏 管 的 伏 安 特 性
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（3）光照特性
硅光敏管的光照特性 光敏二极管的光照特性曲线的线性较好
硫化镉光敏电阻的温度特性
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温度对光谱特性影响
随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此， 采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。
硫化铅光敏电阻的光谱温度特性
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7.1.4 光敏二极管和光敏晶体管
1． 工作原理 2． 基本特性
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1． 工作原理
负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽
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(3)频率响应
指输出电流随调制光频率变化的关系
硅光电池具有较高的频率响应 ,用于高速计数的光电转换
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(4)温度特性
开路电压和短路电流随温度变化的关系。 关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到
测量精度或控制精度等重要指标
硅光电池的温度特性(照度1000lx)
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(5)稳定性
当光电池密封良好、电极引线可靠、应 用合理时，光电池的性能是相当稳定的 硅光电池的性能比硒光电池更稳定
影响性能和寿命因素： 光电池的材料及制造工艺 使用环境条件
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7．1．6 光电式传感器的应用
模拟式传感器 脉冲式传感器
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1． 模拟式光电传感器
基于光电器件的光电流随光通量而发生 变化，是光通量的函数 。 对于光通量的任意一个选定值，对应的 光电流就有一个确定的值，而光通量又 随被测非电量的变化而变化，这样光电 流就成为被测非电量的函数。
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光电比色高温计
1－物镜；2－平面玻璃；3－光阑；4－光导棒；5－分光镜； 6－滤光片；7－硅光电池；8－滤光片；9－硅光电池； 10－瞄准反射镜；11－圆柱反射镜；12－目镜；13－多夫棱镜 14、15－硅光电池负载电阻；17－可逆电机；17－电子电位差计
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2． 脉冲式光电传感器
光电器件的输出仅有两个稳定状态，也 就是“通”与“断”的开关状态。
光电器件受光照时，有电信号输出，光 电器件不受光照时，无电信号输出。属 于这一类的大多是作继电器和脉冲发生 器应用的光电传感器，如测量线位移、 线速度、角位移、角速度(转速)的光电脉 冲传感器等等。
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光敏电阻的结构
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
光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响， 因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。
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梳 状 电 极
半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。 光敏电阻的电极一般采用梳状，提高了光敏电阻的灵敏度。
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7．1．1 光电管
当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，
电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电 子流，在外电路中便产生了电流。
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真空光电管的伏安特性
充气光电管的伏安特性
充气光电管: 构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高. 所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体 其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差
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光敏电阻
当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。
光敏电阻演示
当光敏 电阻受到光 照时，光生 电子—空穴 对增加，阻 值减小，电 流增大。
暗电流（越小越好）
3．光敏电阻的基本特性
（1）伏安特性 （2）光照特性 （3）光谱特性 （4）响应时间和频率特性 （5）温度特性
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（1）伏安特性
在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系
在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大； 在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。 光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的， 耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。
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（2）光照特性
光敏电阻的光电流与光强之间的关系
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光电池外形 光敏面
能提供较大电流的大 面积光电池外形
其他光电池及在照度测量中的应用
柔光罩下面为圆形光电池
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
光电池在动力方面的应用（续） 太阳能发电
光电池在动力方面的应用（续） 光电池在人造卫星上的应用
1. 工作原理
热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红 外线而输出电信号的传感器。
早在1938年，有人提出过利用热释电效应探测红外 辐射，但并未受到重视，直到六十年代才又兴起了对热 释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已 广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。除 了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的 领域得到应用。比如：在房间无人时会自动停机的空调 机、饮水机；电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后 自动关机的电路；开启监视器或自动门铃上的应用；摄 影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等……