3.1光电转换元件

硅光电池1
Rf
I1
U1
硅光电池2
Rf
I2
U2
运 算 电 路
显 示 器
光电比色温度计电路原理框图 U1 －I1 R f 而 I1正比于Iλ1 所以 U1正比于Iλ1
U 2 －I 2 R f
U1 I 1 K2 / T K1e U2 I 2
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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。
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§3－2 光电式传感器的应用
光电式传感器的组成：
光源、光学元件和光电元件组成光路 系统，再经转换电路而构成。
硫化铅 硫化铊 硫化镉 1.5 3
对应于不同波长，光敏电 阻的灵敏度是不同的，不 同材料的光敏电阻光谱响 应曲线也不同。
/A
不同材料光敏电阻的光谱特性
频率特性:不是入射光的频率，而是指入射光强度变化的频率。
光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光 敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常 数表示。 大多数的光敏电阻时间常数都较大，这是它的缺点之一。
-65—1250C
（3）特点：测量短路电流光电特性线性好、受温度 影响小，硅光电池频率响应较好。
上限频 率几十 千赫
（4）符号：
光电二极管


工作原理与光电池相似，利用光子引起的电子跃迁将光 信号转变成电信号，光生电流与光强成正比。 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。
SIIT
3.1
光电转换元件
一、光电效应 光电效应就是在光线作用下，物体吸收光能量 而产生相应电效应的一种物理现象。 1.外光电效应 在光线作用下，电子从物体表面逸出的物理现 象，称为外光电效应，也称光电子发射效应。基于 外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管。
光电管
（1）原理：基于外光电效应 （2）结构：由真空管、光电阴极K和光电阳极A组成
运 算 电 路
显 示 器
光电池2
光电式烟尘浓度计原理图
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被测烟尘 反射镜
光电三极管1 +UCC
U1 +UCC
运 算 器
显 示 器
U2
半透半反镜 光源 聚光透镜
光电三极管2
光电式烟尘浓度计原理图
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3、光电式边缘位置检测器（遮挡式）
问题的提出：光电式边缘位置检测器是用来
检测带型材料在生产过程中偏 离正确位置的大小及方向，从 而为纠偏控制电路提供纠偏信 号。
原理：恒定光源发出的光通量经过被测物遮
挡一部分后，另一部分照射到光电元 件上。
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被测带材 暗
光源
透镜
光敏电阻
亮
光电式边缘位置检测器光路图
将光敏二极管的PN 结 设置在透明管壳顶部 的正下方
零偏
负偏
正偏
当PN结反偏时，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外 电场作用下变宽，使势垒加强；当PN结正偏时，外加电场与内 电场方向相反，耗尽区在外加电场作用下变窄，势垒削弱。
光
工作原理
※ 无光照时, 反向电阻很大, 反向电流很小（暗电流）。
※ 光照射PN结时, 光子打在PN结附近, 使PN结附近产生光
生电子和空穴对。它们在PN结处的内、外电场作用下作 定向运动, 形成光电流。光的照度越大, 光电流越大。
光电三极管
光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电 流大几十至几百倍，但相应速度较二极管差。 工作原理 （1）光电转换 （2）电流放大
工作原理


光敏晶体管与一般晶体管很相似, 具有两个PN结, 只是它 的基区一边做得很大, 以扩大光的照射面积。 当光照射在集电结上时,就会在结附近产生电子-空穴对, 从而形成光电流,相当于三极管的基极电流。由于基极电 流的增加, 因此集电极电流是光生电流的β 倍, 所以光敏 晶体管有放大作用。
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被测物
光电元件
1、光源本身就是被测物。
如：光电比色温度计、光照度计等
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恒光源
被测物
光电元件
2、恒定光源发出的光通量透过被测物，由被测物 吸收一部分后到达光电元件上。 如：测液体透明度、烟尘浓度等
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将球形玻璃壳抽成真空，在 内半球面上涂一层光电材料 作为阴极，球心放置小球形 或小环形金属作为阳极。 光电管工作时，阴极与 阳极间须加上电势，使 阳极的电位高于阴极。
A K
当光电管阴极受到适当的光照后发射光电子，光 电子被具有一定电位的阳极吸收，在光电管内形 成电子流，此光电流通过一定的电路输出。 (3)、主要特性:光电流小，线性差
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遮光罩 测量用光敏电阻
补偿用光敏电阻
Ucc R2 R
R1
Rf
Uo
R3
RP
R Rf
光电式边缘位置检测器测量电路
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注意问题：
1. 起始时，光路一半遮挡一半透过； 2. 桥路及运算放大器组成，接入参比光敏电阻；
光电池
是利用光生伏特效应将光能直接转变成电能的器件，它广 泛用于将太阳能直接转变为电能，因此又称为太阳能电池。 命名方式：把光电池的半导体材料的名称冠于光电池之前。如， 硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。 目前,应用最广、最有发展前途的是硅光电池。
※ ※
硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。 硒光电池光电转换效率低(0.02％)、寿命短，适于接收可见光 (响应峰值波长0.56μm)，最适宜制造照度计。 ※ 砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太 阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此， 它主要用于宇宙飞船、卫星、太空探测器等的电源。
2、光电式烟尘浓度计（透射式） 问题的提出：为了控制和减少烟尘的排放量或 及时发现楼宇火灾，对烟尘的监 测是必须的。
原理：恒定光源发出的光通量透过被测物， 由被测物吸收一部分后到达光电元件 上。
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被测烟尘 反射镜
光电池1
Rf
I1
U1
Rf
I2
U2
半透半反镜 光源 聚光透镜
二、光电式传感器的应用举例
1、光电比色温度计（光源本身是被测物）
问题的提出：高温测量，物体辐射出的光波与 温度有关。
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原理：根据热辐射定律，使用光电池进行 非接触测温。 根据有关的辐射定律，物体在两个特定波 长λ1、λ2上的辐射强度Iλ1、Iλ2 之比与该物体 的温度成指数关系。
温度特性:
光强变化频率特性
温度升高时，暗电阻下降，暗电流增大，灵敏度下降。（缺点）
（4）特点：价格便宜、光电特性非线性、响应 时间长、受温度影响大。 （5）符号：
光敏电阻没有极性，既可加直流电压，也加交流电压。 电流值的变化与照射光强度有关。
3、阻挡层光电效应 在光线作用下, 能使物体产生一定方向 的电动势的称为阻挡层光电效应，又称光生 伏特效应。光生伏特型光电器件是自发电式 的，属有源器件。
常用光源有： 白炽灯、发光二极管等
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常用光学元件有： 反射镜、透镜、半透半反镜等 提问：1. 光电效应有哪些？这些光电效应对 应哪些光电元件？
2. 这些光电元件有哪些特点？分别适 用哪些场合？
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常用光电元件有：
用途：见表3-1,3-2
2、内光电效应
在光线作用下，物体电阻率发生变化的现象 称为内光电效应，又称光电导效应。基于内光电 效应的光电元件有光敏电阻。
光敏电阻外形
光敏电阻
（1）原理：基于内光电效应的光电导效应
(2)结构：在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带 有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常 做成梳状。
光电晶体管：
特 点：光电特性线性好、受温度影响小、 响应时间短 。 适用场合：常用于模拟量测量和要求快速响应 的场合
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一、光电式传感器的应用类型 按其输出量性质可分：
模拟输出型光电传感器和数字输出型光电传感器
按被测物与光电元件和光源之间的关系， 光电式传感器的应用有以下四种：
I 1 K2 / T K1e I 2
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反射镜
目镜
观察者的眼睛
分光镜 光线源自文库1
硅光电池1
物镜 被测对象 光阑 半透半反镜 光导棒 光线λ2 滤光片
硅光电池2
光电比色温度计光路原理图
分光镜的作用：它使长波(红外线)辐射线透过, 而使短波(可见光)部分反射
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光敏电阻的结构 (a) 电路符号； (b) 结构图
（3）主要特性： 伏安特性、 光照特性、光 谱特性、 温度特性、响应 时间、 暗电阻、亮电阻
暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗 电阻（1M－100MΩ）。此时流过的电流 称为暗电流。 亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为 亮电阻（几kΩ）。此时流过的电流称为亮 电流。 光电流=亮电流暗电流。
伏安特性:
在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的 关系称为光敏电阻的伏安特性。
曲线说明：
1、电压 ，光电流 2、在给定的电压条件下， 光照 ，光电流
光照特性： 在一定电压下，光敏电阻的光电流与光照强度之间的关系
0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0
光电池外形
（1）原理：基于内光电效应的光生伏特效应
当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区 附近激发出电子-空穴对，在N区聚积电子，P区聚积空穴， 这样N区和P区之间出现电位差。 若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电 流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可 测出光生电动势。
光电特性：
曲线平坦
成线性 非线性
硅光电池的光电特性
频率特性：
硅光电池具有较高的频率响应，而硒光电池较差。 因此，在高速计数器、 有声电影以及其它方面多采 用硅光电池。
温度特性：光电池的温度特性是描述光电池的开
路电压U、短路电流I随温度t变化的曲 线。光电池的开路电压随温度增加而 下降的速度较快，短路电流随温度上 升而增加的速度却很缓慢。
光电倍增管:
原理：基于外光电效应和二次电子发射效应的电子真空器件 光电倍增管的电流是逐级增加的。由于光电倍增管具有 放大作用，因此适用做灵敏的弱光探测器。
K为光电阴极，A为光 电阳极；D1、D2、 D3…等若干个光电倍 增极(又称二次发射极)， 涂有光敏物质。
优点：工作频率可达到100MHZ，线性好。 缺点：体积大，需高压供电，用于需要速度快的信号 检测场合。
恒光源
被测物
光电元件
3、恒定光源发出的光通量经过被测物遮挡一部 分后照射到光电元件上。 如：测元件尺寸、运动状态等
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恒光源
被测物
光电元件
4、恒定光源发出的光通量经被测物反射后到达 光电元件上。 如：测纸张白度、零件表面粗糙度、光电转速 表等
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N PN结 100 2 80 1
Kr(%)
P Φ
60 40
E
20
0.4 a) b)
0.6
0.8
1.0
1.2
λ(μm)
图6-1-17
光电池
图6-1-18
光电池的光谱特性
2-硒光电池
a)结构示意图 b)图形符号
1-硅光电池
（2）主要特性：光谱特性、光电特性、频率特性、 温度特性。
光谱特性：不同材料光电池的光谱峰值位置是不同的。
光敏电阻、光电池、光电晶体管等
光敏电阻：
特 点：价格便宜、光电特性非线性、响 应时间长、受温度影响较大。 适用场合：常用于对测量要求不高的场合
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光电池：
特 点：测量短路电流光电特性线性好、 受温度影响小，硅光电池频率响 应较好。 适用场合：常用于精度较高的各类测量
曲线说明： 1、在给定电压下，光照 ，光电流
2、曲线是非线性的，不适合作线 性敏感元件（缺点）
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
/ lm
光谱特性:
光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同 波长的入射光有不同的灵敏度。
100 80
S r / (%)
60 40 20 0