第十章光電傳感器

本章學(xué)習(xí)光電效應(yīng)、光電元件的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性以及光電傳感器的各種應(yīng)用，掌握光電開關(guān)及光電斷續(xù)器的使用方法。10/13/20231

1905年德國(guó)物理學(xué)家愛(ài)因斯坦用光量子學(xué)說(shuō)解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

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第一節(jié)光電效應(yīng)及光電元件

用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為hf

的光子的轟擊，組成這物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。

1、外光電效應(yīng)：在光線的作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電元件有紫外光電管、光電倍增管、光電攝像管等。

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紫外管外形當(dāng)入射紫外線照射在紫外管陰極板上時(shí)，電子克服金屬表面對(duì)它的束縛而逸出金屬表面，形成電子發(fā)射。紫外管多用于紫外線測(cè)量、火焰監(jiān)測(cè)等。

紫外線10/13/20234（2）內(nèi)光電效應(yīng)：在光線的作用下能使物體的電阻率改變的光電效應(yīng)。基于內(nèi)光電效應(yīng)光電元件：光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管及光敏晶閘管等。10/13/202351、光敏電阻

內(nèi)光電效應(yīng)：當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，阻值減小。10/13/20236光敏電阻演示

當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，光生電子—空穴對(duì)增加，阻值減小，電流增大。暗電流（越小越好）10/13/2023710/13/20238光敏電阻的特性和參數(shù)（1）暗電阻置于室溫、全暗條件下測(cè)得的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，通常大于1MΩ。光敏電阻受溫度影響甚大，溫度上升，暗電阻減小，暗電流增大，靈敏度下降，這是光敏電阻的一大缺點(diǎn)。（2）光電特性在光敏電阻兩極電壓固定不變時(shí)，光照度與電阻及電流間的關(guān)系稱為光電特性。

10/13/20239某型號(hào)光敏電阻的光電特性a）光照/電阻特性b）光照/電流特性從圖中可以看出：當(dāng)光照大于100lx時(shí)，它的光電特性非線性十分嚴(yán)重了。10/13/202310光通量是光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光量總和。光通量單位：流明（lm）照度定義：E=dΦ/dA，所以1lx=1lm/m2。照度是光源照射在被照物體單位面積上的光通量。照度單位：勒克斯（lux）10/13/202311150lx是教育部門要求所有學(xué)校課堂桌面所必須達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)照度。用照度計(jì)測(cè)量：距離為2m時(shí)，15W白熾燈的照度為50lx；節(jié)能臺(tái)燈的照度為2000lx；陰天靠窗的照度為2000lx；太陽(yáng)光直接照射的照度為10000～40000lx。10/13/2023122、光敏二極管（內(nèi)光電）將光敏二極管的PN結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結(jié)時(shí)，電子-空穴對(duì)數(shù)量增加，光電流與照度成正比。10/13/202313光敏二極管的反向偏置接法

在沒(méi)有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，所以反向電流很小，這時(shí)的電流稱為暗電流，相當(dāng)于普通二極管的反向飽和漏電流。當(dāng)光照射在二極管的PN結(jié)（又稱耗盡層）上時(shí)，在PN結(jié)附近產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)量也隨之增加，光電流也相應(yīng)增大，光電流與照度成正比。

10/13/202314光敏二極管的反向偏置接線（參考上頁(yè)圖）及光電特性演示

在沒(méi)有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。

當(dāng)光照增加時(shí)，光電流IΦ與光照度成正比關(guān)系。

光敏二極管的反向偏置接法UO+—光照10/13/202315PIN光電二極管

PIN光電二極管是在P區(qū)和N區(qū)之間插入一層電阻率很大的I層，從而減小了PN結(jié)的電容，提高了工作頻率。PIN光敏二極管的工作電壓（反向偏置電壓）高，光電轉(zhuǎn)換效率高，暗電流小，其靈敏度比普通的光敏二極管高得多，響應(yīng)頻率可達(dá)數(shù)十兆赫，可用作各種數(shù)字與模擬光纖傳輸系統(tǒng)，各種家電遙控器的接收管（紅外波段）、UHF頻帶小信號(hào)開關(guān)、中波頻帶到1000MHZ之間電流控制、可變衰減器、各種通信設(shè)備收發(fā)天線的高頻功率開關(guān)切換和RF領(lǐng)域的高速開關(guān)等。特殊結(jié)構(gòu)的PIN二極管還可用于測(cè)量紫外線或射線等。10/13/202316APD光敏二極管（雪崩光敏二極管）硅雪崩光電二極管具有高響應(yīng)度，高信噪比，高響應(yīng)速度等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于微光信號(hào)檢測(cè)、長(zhǎng)距離光纖通信、激光測(cè)距、激光制導(dǎo)等光電信息傳輸和光電對(duì)抗系統(tǒng)。10/13/2023173、光敏三極管（光控基極）光敏三極管有兩個(gè)PN結(jié)。與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基極沒(méi)有引出線，只有正負(fù)（c、e）兩個(gè)引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。

10/13/202318光敏晶體管的基本特性（1）光譜特性看圖，結(jié)論：不同材料的光敏晶體管對(duì)不同波長(zhǎng)的入射，其相對(duì)靈敏度Kr不同。

1－常規(guī)工藝硅光敏晶體管的光譜特性2－濾光玻璃引起的光譜特性紫偏移3－濾光玻璃引起的光譜特性紅偏移10/13/202319（2）光電特性

0光照光電流光敏三極管光敏二極管3000lx4mA請(qǐng)判斷靈敏度的高低0.3mA請(qǐng)計(jì)算當(dāng)E=100lx時(shí)，光敏二極管的光電流IΦ

IΦE10/13/202320光敏三極管外形

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3、光生伏特效應(yīng)：在光線的作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的光電效應(yīng)。

基于光生伏特效應(yīng)的光電元件——光電池

在N型襯底上制造一薄層P型層作為光照敏感面，就構(gòu)成最簡(jiǎn)單的光電池。當(dāng)入射光子的能量足夠大時(shí)，P型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)光生電子—空穴對(duì)，光生電子—空穴對(duì)的的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使電子通過(guò)漂移運(yùn)動(dòng)被拉到N型區(qū)，空穴留在P區(qū)，所以N區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時(shí)間，PN結(jié)兩側(cè)就有一個(gè)穩(wěn)定的光生電動(dòng)勢(shì)輸出。

10/13/202322光電池外形光敏面10/13/202323能提供較大電流的大面積光電池外形10/13/202324光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用太陽(yáng)能賽車太陽(yáng)能電動(dòng)機(jī)模型太陽(yáng)能硅光電池板10/13/202325光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）太陽(yáng)能發(fā)電10/13/202326光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用10/13/202327光電池的基本特性（1）光譜特性提問(wèn)：硅光電池的靈敏度峰值波長(zhǎng)為多少μm？（2）光電特性曲線1：光電池負(fù)載開路時(shí)的“開路電壓”Uo的特性曲線；曲線2：負(fù)載短路時(shí)的“短路電流”IΦ的特性曲線。10/13/202328光電池的光電特性

一個(gè)典型的硅光電池的光電特性

1—開路電壓曲線2—短路電流曲線

開路電壓為對(duì)數(shù)特性短路電流為