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1、第1页，共46页，编辑于2022年，星期四主要主要内内容容4.1概述概述4.2外光外光电电效效应应4.3内内光光电电效效应应4.4阻阻挡层挡层光光电电效效应应第四章第四章光电式传感器原理光电式传感器原理第2页，共46页，编辑于2022年，星期四光电传感器光电传感器是利用是利用光敏元件将光信号转换为电信号的光敏元件将光信号转换为电信号的装置装置。使用它测量非电量时，首先将这些使用它测量非电量时，首先将这些非电物理量非电物理量的变化的变化转换成转换成光信号光信号的变化，再由的变化，再由光电传感器光电传感器将光信号的变将光信号的变化转变为化转变为电信号电信号的变化。的变化。光电传感器具有结构简单、非
2、接触、高可靠、高精度和反光电传感器具有结构简单、非接触、高可靠、高精度和反应速度快等特点。应速度快等特点。4.1概述概述第3页，共46页，编辑于2022年，星期四1、光谱、光谱光谱（光谱（spectrum）是复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被是复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按色散开的单色光按波长（或频率）波长（或频率）大小而依次排列的图案，全称为光大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。学频谱。光波：光波：波长为波长为10106nm的电磁波的电磁波可见光：可见光：波长波长380780nm紫外线：紫外线：波长波长10380nm波长波长300380nm称为近紫外
3、线称为近紫外线波长波长200300nm称为远紫外线称为远紫外线波长波长10200nm称为极远紫外线称为极远紫外线红外线：红外线：波长波长780106nm波长波长3m（即（即3000nm）以下的称近红外线）以下的称近红外线波长超过波长超过3m的红外线称为远红外线。的红外线称为远红外线。4.1概述概述第4页，共46页，编辑于2022年，星期四第5页，共46页，编辑于2022年，星期四2、光电器件、光电器件（1）钨丝白炽灯）钨丝白炽灯用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射光谱用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射光谱是是连续的连续的发光范围：发光范围：可见光、大量红外线和
4、紫外线，任何光敏元件都能和它可见光、大量红外线和紫外线，任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。配合接收到光信号。特点：特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。件的光谱特性要求不高，是可取之处。在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴钨灯和碘钨灯，其体积在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴钨灯和碘钨灯，其体积较小，光效高，寿命也较长。较小，光效高，寿命也较长。4.1概述概述第6页，共46页，编辑于2022年，星期四（2）气体放电灯）气体放电灯定义：利用定义：利用电流通过气体产生发光现象电流通过气体
5、产生发光现象制成的灯。制成的灯。气气体体放放电电灯灯的的光光谱谱是是不不连连续续的的，光光谱谱与与气气体体的的种种类类及及放放电电条条件件有有关关。改改变变气气体体的的成成分分、阴阴极极材材料料和和放放电电电电流流大大小小，可可得得到到主主要要在某一光谱范围的辐射。在某一光谱范围的辐射。低低压压汞汞灯灯、氢氢灯灯、钠钠灯灯、氦氦灯灯是是光光谱谱仪仪器器中中常常用用的的光光源源，统统称称为为光谱灯光谱灯。例例如如低低压压汞汞灯灯的的辐辐射射波波长长为为254nm，钠钠灯灯的的辐辐射射波波长长为为589nm，它它们经常用作光电检测仪器的们经常用作光电检测仪器的单色光源单色光源。气体放电灯消耗的能量
6、仅为白炽灯气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/21/3。4.1概述概述第7页，共46页，编辑于2022年，星期四（3）发光二极管）发光二极管LED（LightEmittingDiode）由半导体由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。重量轻，因此获得了广泛的应用。4.1概述概述第8页，共46页，编辑于2022年，星期四（4）激光器）激光器激光是激光是20世纪世纪60年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性、高年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从单
7、色性和高亮度三个重要特性。激光波长从0.24m到远红外整个光到远红外整个光频波段范围。频波段范围。激光器激光器种类繁多，按工作物质分类：种类繁多，按工作物质分类：u固体固体激光器（如红宝石激光器）激光器（如红宝石激光器）u气体气体激光器（如氦激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）氖气体激光器、二氧化碳激光器）u半导体半导体激光器（如砷化镓激光器）激光器（如砷化镓激光器）u液体液体激光器。激光器。4.1概述概述第9页，共46页，编辑于2022年，星期四主要主要内内容容4.1概述概述4.2外光外光电电效效应应4.3内内光光电电效效应应4.4阻阻挡层挡层光光电电效效应应第四章第四章光电式传感器
8、原理光电式传感器原理第10页，共46页，编辑于2022年，星期四光电效应光电效应光光可可以以被被看看作作是是由由一一连连串串具具有有一一定定能能量量的的粒粒子子（称称为为光光子子）所所构构成成，每每个个光光子子具具有有的的能能量量正正比比于于光光的的频频率率。用用光光照照射射某某一一物物体体时时，就就可以看作这物体受到一连串能量的光子所轰击。可以看作这物体受到一连串能量的光子所轰击。光光电电效效应应是是指指物物体体吸吸收收了了光光能能后后转转换换为为该该物物体体中中某某些些电电子子的的能能量量，从而产生的电效应。从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电传感器的工作原理基于光电效
9、应。4.2外光电效应外光电效应第11页，共46页，编辑于2022年，星期四外光电效应外光电效应在在光光线线的的作作用用下下，物物体体内内的的电电子子逸逸出出物物体体表表面面向向外外发发射射的的现现象象称称为为外光电效应。外光电效应。向外发射的电子叫做向外发射的电子叫做光电子光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。4.2外光电效应外光电效应第12页，共46页，编辑于2022年，星期四根根据据爱爱因因斯斯坦坦假假设设，一一个个电电子子只只能能接接受受一一个个光光子子的的能能量量，所所以以要要使使一一个个电电子子从从物物体体表表面面逸逸
10、出出，必必须须使使光光子子的的能能量量大大于于该该物物体体的的表表面面逸逸出出功功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定理根据能量守恒定理m电子质量；电子质量；v0电子逸出速度。电子逸出速度。4.2外光电效应外光电效应h普朗克常数，普朗克常数，6.62610-34Jsf光的频率（光的频率（s-1）第13页，共46页，编辑于2022年，星期四光光电电子子能能否否产产生生，取取决决于于光光子子的的能能量量是是否否大大于于该该物物体体的的表表面面电电子子逸逸出出功功A0。不不同同的的物物质质具具有有不不同同的的逸逸出出功功，即即每每一一个个物物体体
11、都都有有一一个个对对应应的的光光频阈值，称为频阈值，称为红限频率或波长限红限频率或波长限。光光线线频频率率低低于于红红限限频频率率，光光子子能能量量不不足足以以使使物物体体内内的的电电子子逸逸出出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射。因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射。入射光频率高于红限频率入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。，即使光线微弱，也会有光电子射出。4.2外光电效应外光电效应第14页，共46页，编辑于2022年，星期四外光电效应器件外光电效应器件利利用用物物质质在在光光的的照照射射下下发发射射电电子子的的外外光光电电效效应应
12、而而制制成成的的光光电电器器件件，一般都是真空的或充气的光电器件，如一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管光电管和光电倍增管。（1）光电管）光电管光光阳极阳极光电阴极光电阴极光窗光窗光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。子光电管两类。由一个由一个阴极阴极和一个和一个阳极阳极构成，并且密封在一只真空玻构成，并且密封在一只真空玻璃管内。璃管内。阴极阴极装在玻璃管内壁上，其装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材上涂有光电发射材料料。阳极阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的
13、中央。璃管的中央。4.2外光电效应外光电效应第15页，共46页，编辑于2022年，星期四光光阳极阳极光电阴极光电阴极光窗光窗当当阴阴极极受受到到适适当当波波长长的的光光线线照照射射时时便便发发射射电电子子，电电子子被被带带正正电电位位的的阳阳极极所所吸吸引引，光光电电管管内产生电子流，在外电路中产生电流。内产生电子流，在外电路中产生电流。A.光电管的伏安特性：光电管的伏安特性：当当光光通通量量一一定定时时，阳阳极极电电压压与与阳阳极极电电流流的关系曲线。的关系曲线。光光电电管管的的工工作作点点应应选选在在光光电电流流与与阳阳极极电电压无关的区域内。压无关的区域内。光电管的伏安特性光电管的伏安特
14、性4.2外光电效应外光电效应第16页，共46页，编辑于2022年，星期四B.光电管的光照特性光电管的光照特性通通常常指指当当光光电电管管的的阳阳极极和和阴阴极极之之间间所所加加电电压压一一定定时时，光光通通量量与与光光电流之间的关系为光电管的光照特性。电流之间的关系为光电管的光照特性。曲线曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性表示氧铯阴极光电管的光照特性光电流光电流I与光通量成线性关系。与光通量成线性关系。曲线曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性为锑铯阴极的光电管光照特性它成非线性关系。它成非线性关系。光电管的灵敏度光电管的灵敏度:光通量的单位为光通量的单位为“流明流明”。光电管的光照特性光电管的光照
15、特性255075100200.51.5 2.0/1mIA/A1.02.514.2外光电效应外光电效应第17页，共46页，编辑于2022年，星期四C.光电管的光谱特性光电管的光谱特性光阴极对光谱有选择性，因此，光电管对光谱有选择性。光阴极对光谱有选择性，因此，光电管对光谱有选择性。保保持持光光通通量量和和阳阳极极电电压压不不变变，阳阳极极电电流流与与光光波波长长之之间间的的关关系系叫叫光光电电管的光谱特性。管的光谱特性。对对于于光光电电阴阴极极材材料料不不同同的的光光电电管管，有有不不同同的的红红限限频频率率，因因此此它们可用于不同的光谱范围。它们可用于不同的光谱范围。即即使使照照射射在在阴阴极
16、极上上的的入入射射光光的的频频率率高高于于红红限限频频率率，并并且且强强度度相相同同，随随着着入入射射光光频频率率的的不不同同，阴阴极极发发射射的的光光电电子子的的数数量量还还会会不不同同，即即同同一一光光电电管管对对于于不不同同频频率率的的光光的的灵灵敏敏度度不不同同，这这就就是是光光电电管管的的光光谱谱特性特性。对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。4.2外光电效应外光电效应第18页，共46页，编辑于2022年，星期四（2）光电倍增管）光电倍增管光电管缺点：光电管缺点：入入射射光光微微弱弱时时，光光电电管管可可产产生生的的光光电
17、电流流很很小小，光光电电流流被被放放大大，但但噪声同时被放大了，采用光电倍增管。噪声同时被放大了，采用光电倍增管。光电倍增管由光电阴极、若干倍增极和阳极组成。光电倍增管由光电阴极、若干倍增极和阳极组成。4.2外光电效应外光电效应第19页，共46页，编辑于2022年，星期四倍增极上涂有光敏材料，并且电位逐级升高倍增极上涂有光敏材料，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，引起二次电子发射最终电子被阳极接收最终电子被阳极接收光电阴极光电倍增极阳极光电阴极光电倍增极阳极4.2外光电效应外光电效应第20页，共46页，编辑于2022年，星期
18、四主要参数主要参数A.倍增系数倍增系数倍增系数倍增系数M等于等于n个倍增极的二次电子发射系数个倍增极的二次电子发射系数的乘积。的乘积。若若n个倍增电极的个倍增电极的都相同都相同则则M=M与所加电压有关与所加电压有关103104105106255075100125极间电压极间电压/VM4.2外光电效应外光电效应第21页，共46页，编辑于2022年，星期四B.光电倍增管的光照特性光电倍增管的光照特性光光照照特特性性反反应应了了光光电电倍倍增增管管的的阳阳极极输输出出电电流流与与照照射射在在光光电电阴阴极极上上的的光通量之间的函数关系。光通量之间的函数关系。与与直直线线最最大大偏离是偏离是3%101
19、31010109107105103101在在45mA处处饱和饱和10141010106102光通量光通量/1m阳阳极极电电流流/A对对于于较较好好的的管管子子，在在很很宽宽的的光光通通量量范范围围之之内内，这这个个关关系系是是线线性性的的，即即入入射射光光通通量量小小于于10-4lm时时，有有较较好好的的线线性性关关系系。光光通通量量大大，开开始始出出现现非非线线性。性。4.2外光电效应外光电效应第22页，共46页，编辑于2022年，星期四主要主要内内容容4.1概述概述4.2外光外光电电效效应应4.3内内光光电电效效应应4.4阻阻挡层挡层光光电电效效应应第四章第四章光电式传感器原理光电式传感器
20、原理第23页，共46页，编辑于2022年，星期四内光电效应：内光电效应：在光线的作用下能使物体在光线的作用下能使物体电阻率电阻率发生变化。发生变化。常见的内光电效应器件有光敏电阻。常见的内光电效应器件有光敏电阻。光敏电阻光敏电阻 光敏电阻光敏电阻是用是用光电导体光电导体制成的光电器件，又称制成的光电器件，又称光导管光导管。常用的制作材料常用的制作材料：硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅。：硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅。材料特材料特性：性：在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小。在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小。原因：原因：由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移由于光照
21、产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。的阻值迅速下降。4.3内光电效应内光电效应第24页，共46页，编辑于2022年，星期四1.光敏电阻的工作原理和结构光敏电阻的工作原理和结构当当无光照无光照时，光敏电阻值时，光敏电阻值(暗电阻暗电阻)很大，电路中很大，电路中电流很小电流很小当当有光照有光照时，光敏电阻值时，光敏电阻值(亮电阻亮电阻)急剧减少，急剧减少，电流迅速增加电流迅速增加4.3内光电效应内光电效应第25页，共46页，编辑于2022年，星期四
22、第26页，共46页，编辑于2022年，星期四光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻导光电导体严密封装在玻璃壳体中璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。RGRLEI4.3内光电效应内光电效应第27页，共46页，编辑于2022年，星期四2.光敏电阻的主要参数和基本特性光敏电阻的主要参数和基本特性（1）暗电阻、亮电阻、光电流）暗电阻、亮电阻、光电流暗电流：暗
23、电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流。测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流。亮电流：亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此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。时流过的电流。光电流：光电流：亮电流与暗电流之差。亮电流与暗电流之差。光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。即暗电流越光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。即暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。小，光电流越大，这样的
24、光敏电阻的灵敏度越高。4.3内光电效应内光电效应第28页，共46页，编辑于2022年，星期四（2）伏安特性）伏安特性在在一一定定照照度度下下，加加在在光光敏敏电电阻阻两两端端的的电电压压与与光光电电流流之之间间的的关关系系称称为为伏安特性。伏安特性。图中曲线图中曲线1、2分别表示分别表示照度为零及照度为某值照度为零及照度为某值时伏安特性。时伏安特性。在给定电压下，光照度较大，光电流也越大。在给定电压下，光照度较大，光电流也越大。在在一一定定的的光光照照度度下下，所所加加的的电电压压越越大大，光光电电流流越越大大，而而且且无无饱饱和和现现象象。5010015020012U/V02040I/A电压
25、不能无限地增大，因为任何光敏电阻都电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。导致光敏电阻永久性损坏。4.3内光电效应内光电效应第29页，共46页，编辑于2022年，星期四（3）光照特性）光照特性在一定外加电压下，光敏电阻的在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量光电流和光通量之间的关系。之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因因此此它
26、它不不宜宜作作定定量量检检测测元元件件，这这是是光光敏敏电电阻阻的的不不足足之之处处。一一般般在在自自动控制系统中用作光电开关。动控制系统中用作光电开关。012345I/mA L/lx100020004.3内光电效应内光电效应第30页，共46页，编辑于2022年，星期四（4）光谱特性）光谱特性光敏电阻对不同波长的光，其灵敏度是不同的。光敏电阻对不同波长的光，其灵敏度是不同的。硫硫化化铅铅光光敏敏电电阻阻在在较较宽宽的的光光谱谱范范围围内内均均有有较较高高的的灵灵敏敏度度，峰峰值值在在红红外区域；外区域；硫化镉、硒化镉硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。的峰值在可见光区域。在在选选用用光光敏敏电电
27、阻阻时时，应应把把光光敏敏电电阻阻的的材材料料和和光光源源的的种种类类结结合合起起来来考考虑虑，才能获得满意的效果。才能获得满意的效果。204060801004080120160200240/m312相相对对灵灵敏敏度度1硫化镉硫化镉2硒化镉硒化镉3硫化铅硫化铅4.3内光电效应内光电效应第31页，共46页，编辑于2022年，星期四（5）响应时间和频率特性）响应时间和频率特性当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就
28、是光敏电阻的时延特性。特性。响应时间分为上升时间和下降时间。响应时间分为上升时间和下降时间。4.3内光电效应内光电效应第32页，共46页，编辑于2022年，星期四（6）温度特性温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应。温度变化影响光敏电阻的光谱响应。硫硫化化铅铅光光敏敏电电阻阻的的光光谱谱温温度度特特性性曲曲线线,它它的的峰峰值值随随着着温温度度上上升升向向波波长长短的方向移动短的方向移动。硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。4.3内光电效应内光电效应第33页，共46页，编辑于2022年，星期四主要主要内内容容4.1概述概述4.2外光外光电电效效应
29、应4.3内内光光电电效效应应4.4阻阻挡层挡层光光电电效效应应第四章第四章光电式传感器原理光电式传感器原理第34页，共46页，编辑于2022年，星期四阻阻挡挡层层光光电电效效应应：在在光光线线的的作作用用下下能能使使物物体体产产生生一一定定方方向向的的电电动动势势的的现象。现象。常见的阻挡层光电效应器件有光电池、光敏二极管。常见的阻挡层光电效应器件有光电池、光敏二极管。光电池光电池光电池是一种直接将光电池是一种直接将光能转换为电能光能转换为电能的光电器件。的光电器件。光光电电池池在在有有光光线线作作用用下下实实质质就就是是电电源源,电电路路中中有有了了这这种种器器件件就就不需要外加电源不需要外
30、加电源。4.4阻挡层光电效应阻挡层光电效应第35页，共46页，编辑于2022年，星期四1.光电池的结构和工作原理光电池的结构和工作原理它它是是在在一一块块N型型硅硅片片上上掺掺入入一一些些P型型杂杂质质(如如硼硼)形形成成PN结结。当当光光照照到到PN结结区区时时，如如果果光光子子能能量量足足够够大大，将将在在结结区区附附近近激激发发出出电电子子-空空穴穴对对，在在N区区聚聚积积负负电电荷荷，P区区聚聚积积正正电电荷荷，这这样样N区区和和P区区之之间间出出现现电电位位差差。若若将将PN结结两两端端用用导导线线连连起起来来，电电路路中中有有电电流流流流过过，电电流流的的方方向向由由P区区流流经经
31、外外电电路路至至N区区。若若将将外外电电路路断断开开，就就可可测测出出光生电动势。光生电动势。I光(b)光电池的工作原理示意图光电池的工作原理示意图PN4.4阻挡层光电效应阻挡层光电效应第36页，共46页，编辑于2022年，星期四2.光电池的基本特性光电池的基本特性 （1）光谱特性）光谱特性光光电电池池对对不不同同波波长长的的光光的的灵灵敏敏度度是是不不同同的。的。不不同同材材料料的的光光电电池池，光光谱谱响响应应峰峰值值所所对对应应的的入入射射光光波波是是不不同同的的，硅硅光光电电池池为为0.8um，硒硒光光电电池池为为0.5um。硅硅光光电电池池的的光光谱谱响响应应波波长长为为0.41.2
32、um，硒硒光光的的电电池池光光谱谱响响应应波波长长为为0.380.75um。可可见见硅硅光光电池可以在很宽的波长范围内应用。电池可以在很宽的波长范围内应用。4.4阻挡层光电效应阻挡层光电效应第37页，共46页，编辑于2022年，星期四（2）光照特性）光照特性开开路路电电压压（负负载载电电阻阻RL无无限限大大时时）曲曲线线：光光生生电电动动势势与与照照度度之之间间的的特特性曲线，当照度为性曲线，当照度为200lx时趋向饱和。时趋向饱和。短路电流短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线。曲线：光电流与照度之间的特性曲线。电流源，不当做电压源电流源，不当做电压源4.4阻挡层光电效应阻挡层光电效应第3
33、8页，共46页，编辑于2022年，星期四（2）光照特性）光照特性短路电流，短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光光电电池池在在不不同同照照度度下下，其其内内阻阻也也不不同同，因因而而应应选选取取适适当当的的外外接接负负载载近似地满足近似地满足“短路短路”条件。条件。下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。从从图图中中可可以以看看出出，负负载载电电阻阻RL越越小小，光光电电流流与与强强度度的的线线性性关关系系越越好好，且且线性范围越宽。线性范围越宽。02468100.10.20.30.40.5I
34、/mAL/klx5010010005000RL=04.4阻挡层光电效应阻挡层光电效应第39页，共46页，编辑于2022年，星期四(3)频率特性频率特性光电池的频率响应光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。就是指输出电流随调制光频率变化的关系。图示为光电池的频率响应曲线。由图可知，硅光电池具有较高的频率响图示为光电池的频率响应曲线。由图可知，硅光电池具有较高的频率响应，如曲线应，如曲线2，而硒光电池则较差，如曲线，而硒光电池则较差，如曲线1。204060801000I /%1234512f/kHz1硒光电池硒光电池2硅光电池硅光电池4.4阻挡层光电效应阻挡层光电效应第40页，共4
35、6页，编辑于2022年，星期四（4）温度特性）温度特性光电池的温度特性光电池的温度特性是指开路电压和是指开路电压和短路电流随温度变化的关系短路电流随温度变化的关系由图可见，开路电压与短路电流均由图可见，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。偿措施。4.4阻挡层光电效应阻挡层光电效应第41页，共46页，编辑于2
36、022年，星期四光敏二极管光敏二极管1.1.工作原理与结构工作原理与结构光光敏敏二二极极管管的的结结构构与与普普通通二二极极管管一一样样，都都有有一一个个PNPN结结，两两根根电电极极引引线线，而而且且都都是是非非线线性性器器件件，具具有有单单向向导导电电性性。不不同同之之处处在在于于光光敏敏二二极极管管的的PNPN结结状在管壳的顶部，可直接受到光的照射。状在管壳的顶部，可直接受到光的照射。4.4阻挡层光电效应阻挡层光电效应第42页，共46页，编辑于2022年，星期四没有光照射时，没有光照射时，处于反向偏置的光敏二极管，工作处于反向偏置的光敏二极管，工作于截止状态于截止状态,这时只有少数载流子
37、在反向偏压的作这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层，形成微小的反向电流即暗电流用下，渡越阻挡层，形成微小的反向电流即暗电流。这时反向电阻很大。这时反向电阻很大。当光照射在当光照射在PNPN结上时结上时,光子打在光子打在PNPN结附近结附近,PN,PN结结附近产生光生电子和光生空穴对。从而使附近产生光生电子和光生空穴对。从而使P P区和区和N N区的少数载流子浓度大大增加，因此在反向区的少数载流子浓度大大增加，因此在反向外加电压和内电场的作用下外加电压和内电场的作用下,P,P区的少数载流子区的少数载流子渡越阻挡层进入渡越阻挡层进入N N区，区，N N区的少数载流子渡越阻挡区的少数载流
38、子渡越阻挡层进入层进入P P区，从而使通过区，从而使通过PNPN结的反向电流大为增结的反向电流大为增加，形成光电流。这时二极管处于导通状态。加，形成光电流。这时二极管处于导通状态。光的照度越大光的照度越大,光电流越大。光电流越大。第43页，共46页，编辑于2022年，星期四2.2.光敏二极管的基本特性光敏二极管的基本特性（1）光）光谱谱特性特性在在入入射射光光强强度度一一定定时时，输输出出的的相相对对灵灵敏敏度度随随光光波波波波长长的的变变化化而而变变化化。一一种种光光敏敏二二极极管管只只对对一一定定波波长长的的入入射射光光敏敏感，感，这这就是就是它它的光的光谱谱特性。如特性。如图图所示。所示
39、。一一般般来来讲讲，锗锗管管的的暗暗电电流流较较大大，性性能能较较差差，故故在在可可见见光光或或探探测测赤赤热热状状态态物物体体是是一般都用硅管。一般都用硅管。4.4阻挡层光电效应阻挡层光电效应第44页，共46页，编辑于2022年，星期四（2）温度特性）温度特性温温度度变变化化对对光光敏敏二二极极管管输输出出电电流流影影响响较较小小,但但对对暗暗电电流流的的影影响响却却十十分分显显著著。所以在电子线路中应对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。所以在电子线路中应对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。4.4阻挡层光电效应阻挡层光电效应第45页，共46页，编辑于2022年，星期四4.1概述（了解）概述（了解）4.2外光外光电电效效应应（掌握原理，理解基本特性）（掌握原理，理解基本特性）4.3内内光光电电效效应应（掌握原理，理解基本特性）（掌握原理，理解基本特性）4.4阻阻挡层挡层光光电电效效应应（掌握原理，理解基本特性）（掌握原理，理解基本特性）第四章第四章光电式传感器原理小结光电式传感器原理小结第46页，共46页，编辑于2022年，星期四