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1、光敏传感器第1页，本讲稿共15页单元单元12 光敏电阻光敏电阻【电路图电路图电路图电路图】【电路分析电路分析电路分析电路分析】图示为光敏电阻接线电路。把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用图示为光敏电阻接线电路。把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射可改变电路中电流的大小。光敏电阻在受到光的照射时，其导电性下，用光照射可改变电路中电流的大小。光敏电阻在受到光的照射时，其导电性能增强，电阻能增强，电阻Rg值下降，流过光敏负载电阻值下降，流过光敏负载电阻RL的电流及其两端电压也随之变的电流及其两端电压也随之变化。化。光敏电阻工作基于光敏电阻工作基于内光电效应内光电效应：当无光照
2、时，光敏电阻具有很高：当无光照时，光敏电阻具有很高的阻值；当光敏电阻受到一定波长范围的光照射时，光子的能量大于的阻值；当光敏电阻受到一定波长范围的光照射时，光子的能量大于材料的禁带宽度，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，激发出材料的禁带宽度，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，激发出可以导电的电子可以导电的电子空穴对，使电阻降低；光线越强，激发出的电子空穴对，使电阻降低；光线越强，激发出的电子空穴空穴对越多，电阻值越低；光照停止后，自由电子与空穴复合，导电性能下降，电阻对越多，电阻值越低；光照停止后，自由电子与空穴复合，导电性能下降，电阻恢复原值。恢复原值。第2页，本讲稿共15页 下图为
3、光敏电阻结构，在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体物质，半导下图为光敏电阻结构，在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体物质，半导体的两端装上金属电极，使电极与半导体层可靠地电接触，然后，将它们压入塑体的两端装上金属电极，使电极与半导体层可靠地电接触，然后，将它们压入塑料封装体内。为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜料封装体内。为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。光敏电阻一般为成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。光敏电阻一般为半导体材料。半导体材料。第3页，本讲稿共15页【知
4、识要点知识要点】1.光电式传感器是将光信号转换成电信号的光敏器件，它可用于检测直接引起光强变化光电式传感器是将光信号转换成电信号的光敏器件，它可用于检测直接引起光强变化的非电量，如光强、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他的非电量，如光强、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件线度、表面粗糙度、位移、速度、加速度等。光电式传感器具有响应快、非电量，如零件线度、表面粗糙度、位移、速度、加速度等。光电式传感器具有响应快、性能可靠、能实现非接触测量等优点，因而在检测和控制领域获得广泛应用。性能可靠、能实现非接触测量等优点，因而在检测和控制领
5、域获得广泛应用。2.光电效应光电效应 光电式传感器的作用原理是基于一些物质的光电效应。光电效应有外光电效应、内光电效应光电式传感器的作用原理是基于一些物质的光电效应。光电效应有外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三种情形。和光生伏特效应三种情形。（1）外光电效应：）外光电效应：在光线照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，也叫在光线照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，也叫光电发射效应。其中，向外发射的电子称为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。外光电发射效应。其中，向外发射的电子称为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。外光电效应光电元件有光电管、光电
6、倍增管等。光电效应光电元件有光电管、光电倍增管等。（2）内光电效应）内光电效应 在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，物体的电阻率在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，物体的电阻率发生改变的现象。光敏电阻是典型的基于内光电效应的光电元件。发生改变的现象。光敏电阻是典型的基于内光电效应的光电元件。（3）光生伏特效应）光生伏特效应 在光线照射下，材料吸收光能后，物体产生一定方向的电动势的现象称为光在光线照射下，材料吸收光能后，物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。光生伏特效应光电元件有光敏二极管、光敏三极管、光电池等。生伏特效应。光生伏特效应光电元件有光敏二极管、光敏三极管、
7、光电池等。回到第一页回到第一页回到第一页回到第一页第4页，本讲稿共15页单元单元13 光电管光电管【电路图电路图电路图电路图】【电路分析电路分析电路分析电路分析】图示为光电管工作电路图。当光电管的阴极受到适当波长的光线照射时，图示为光电管工作电路图。当光电管的阴极受到适当波长的光线照射时，有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流。如果在外电路中串联适当阻值的电阻，则在光电管组成的回路中形成子流。如果在外电路中串联适当阻值的电阻，则在光电管组成的回路中形成电流电流I，并在负载电阻，并在负载电阻RL上产
8、生输出电压上产生输出电压UOUT。在入射光的频谱成分和光。在入射光的频谱成分和光电管电压不变的条件下，输出电压电管电压不变的条件下，输出电压UOUT与入射光通量与入射光通量成正比。成正比。第5页，本讲稿共15页光电管的结构示意图：光电管的结构示意图：光电倍增管结构示意图光电倍增管结构示意图：光电倍增管电路原理图光电倍增管电路原理图：第6页，本讲稿共15页【知识要点知识要点】1.基于外光电效应工作原理制成的光电器件，一般都是真空的或充气的基于外光电效应工作原理制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件（如光电管、光电倍增管）。光电器件（如光电管、光电倍增管）。2.光电倍增管的主要参数光电倍增
9、管的主要参数:（1）暗电流）暗电流 光电倍增管接上工作电压后，在没有光照的情况下阳极仍会有光电倍增管接上工作电压后，在没有光照的情况下阳极仍会有一个很小的电流输出，一个很小的电流输出，此电流即称为暗电流光电倍增管在工作时，其阳极输出电流由暗电流和信号电此电流即称为暗电流光电倍增管在工作时，其阳极输出电流由暗电流和信号电流两部分组成。当信号电流比较大时，暗电流的影响可以忽略，但是当光信号非流两部分组成。当信号电流比较大时，暗电流的影响可以忽略，但是当光信号非常弱，以至于阳极信号电流很小甚至和暗电流在同一数量级时，暗电流将严重影常弱，以至于阳极信号电流很小甚至和暗电流在同一数量级时，暗电流将严重影
10、响对光信号测量的准确性。所以暗电流的存在决定了光电倍增管可测量光信号的响对光信号测量的准确性。所以暗电流的存在决定了光电倍增管可测量光信号的最小值。一只好的光电倍增管，要求其暗电流小并且稳定。最小值。一只好的光电倍增管，要求其暗电流小并且稳定。（2）倍增系数）倍增系数M 倍增系数倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射系数等于各倍增电极的二次电子发射系数i的连的连乘积：乘积：回到第一页回到第一页回到第一页回到第一页第7页，本讲稿共15页单元单元14 光生伏特元件光生伏特元件【电路图电路图电路图电路图】【电路分析电路分析电路分析电路分析】图示为光敏二极管原理图。光敏二极管和普通半导体二极管一样，它
11、的图示为光敏二极管原理图。光敏二极管和普通半导体二极管一样，它的PNPN结结具有单向导电性，因此光敏二极管工作时应加上反向电压。具有单向导电性，因此光敏二极管工作时应加上反向电压。无光照时，处于反偏的光电二极管工作在截止状态，这时只有少数载流子在反向偏压无光照时，处于反偏的光电二极管工作在截止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，越过阻挡层形成微小的反向电流（暗电流）。反向电流（暗电流）小的原因是的作用下，越过阻挡层形成微小的反向电流（暗电流）。反向电流（暗电流）小的原因是PNPN结结中中P P区的电子和区的电子和N N区中的空穴很少。当光照射在区中的空穴很少。当光照射在PNPN结上时，
12、结上时，PNPN结附近受光子轰击，吸收其能量结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子而产生电子空穴对，使得空穴对，使得P P区和区和N N区的少数载流子浓度增加，在外加反偏电压和内电场的区的少数载流子浓度增加，在外加反偏电压和内电场的作用下，作用下，P P区的少数载流子越过阻挡层进入区的少数载流子越过阻挡层进入N N区，区，N N区的少数载流子越过阻挡层进入区的少数载流子越过阻挡层进入P P区，从而使区，从而使通过通过PNPN结反向电流增加，形成光电流。光电流流过负载电阻结反向电流增加，形成光电流。光电流流过负载电阻R RL L时，在电阻两端将得到随入时，在电阻两端将得到随入射光变化的电压信号，
13、实现光射光变化的电压信号，实现光电功能转换。电功能转换。第8页，本讲稿共15页 下图为光敏三极管原理图，光敏三极管的集电极接正电压，其发射极接负下图为光敏三极管原理图，光敏三极管的集电极接正电压，其发射极接负电压。当无光照射时，流过光敏三极管的电流，即正常情况下光敏三极管集电压。当无光照射时，流过光敏三极管的电流，即正常情况下光敏三极管集电极与发射极之间的穿透电流电极与发射极之间的穿透电流Iceo，也是光敏三极管的暗电流。，也是光敏三极管的暗电流。光敏二极管结构图：光敏二极管结构图：光敏三极管结构图：光敏三极管结构图：第9页，本讲稿共15页【知识要点知识要点】1.1.暗电流暗电流 光敏二极管的
14、暗电流是指光敏二极管无光照射时还有很小的反光敏二极管的暗电流是指光敏二极管无光照射时还有很小的反向电流。暗电流决定了低照度时的测量界限。光敏三极管的暗电流就是它向电流。暗电流决定了低照度时的测量界限。光敏三极管的暗电流就是它在无光照射时的漏电流。在无光照射时的漏电流。2.2.短路电流短路电流 光敏二极管的短路电流是指光敏二极管的短路电流是指PN PN 结两端短路时的电流，其大结两端短路时的电流，其大小与光照度成比例。小与光照度成比例。3.3.正向电阻和反向电阻正向电阻和反向电阻 当无光照射时，光敏二极管正向电阻和反向电阻均当无光照射时，光敏二极管正向电阻和反向电阻均很大。当有光照射时，光敏二极
15、管有较小的正向电阻和较大的反向电阻。很大。当有光照射时，光敏二极管有较小的正向电阻和较大的反向电阻。4.4.基本特性基本特性（1 1）光照特性：）光照特性：第10页，本讲稿共15页（2）光谱特性）光谱特性（3）伏安特性）伏安特性第11页，本讲稿共15页（4）温度特性）温度特性 第12页，本讲稿共15页【电路图电路图电路图电路图】【电路分析电路分析电路分析电路分析】图示为光电池原理图。入射光照射在图示为光电池原理图。入射光照射在PN结上时，若光子能量大于半结上时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则在导体材料的禁带宽度，则在PN结内产生结内产生“电子电子空穴空穴”对，在内电场对，在内电场的作用
16、下，空穴移向的作用下，空穴移向P区，电子移向区，电子移向N区，使区，使P区带正电，区带正电，N区带负电，区带负电，因而因而PN结产生电势。当光照射到结产生电势。当光照射到PN结上时，如果在两级间串接负载电结上时，如果在两级间串接负载电阻，则在电路中便产生电流。阻，则在电路中便产生电流。图图5.26所示为光电池结构。光电池是在光线照射下，直接将光量转变所示为光电池结构。光电池是在光线照射下，直接将光量转变为电动势的光电元件，实质上它就是电压源。这种光电器件是基于阻挡层为电动势的光电元件，实质上它就是电压源。这种光电器件是基于阻挡层的光电效应。硅光电池是在一块的光电效应。硅光电池是在一块N型硅片上
17、，用扩散的方法掺入一些型硅片上，用扩散的方法掺入一些P型型杂质杂质(例如硼例如硼)形成形成PN结。结。第13页，本讲稿共15页 下图所示为光电池结构。光电池是在光线照射下，直接将光量转下图所示为光电池结构。光电池是在光线照射下，直接将光量转变为电动势的光电元件，实质上它就是电压源。这种光电器件是基于变为电动势的光电元件，实质上它就是电压源。这种光电器件是基于阻挡层的光电效应。硅光电池是在一块阻挡层的光电效应。硅光电池是在一块N型硅片上，用扩散的方法掺型硅片上，用扩散的方法掺入一些入一些P型杂质型杂质(例如硼例如硼)形成形成PN结。结。【知识要点知识要点】光电池的基本特性：光电池的基本特性：1.
18、光电池的光谱特性光电池的光谱特性 第14页，本讲稿共15页2.光电池的光照特性光电池的光照特性 3.光电池的频率特性光电池的频率特性 光电池的频率特性是指光的调制频率和输出电流之间的光电池的频率特性是指光的调制频率和输出电流之间的关系。硅光电池具有较高的频率响应，而硒光电池较差。关系。硅光电池具有较高的频率响应，而硒光电池较差。4.光电池的温度特性光电池的温度特性 光电池的温度特性是指光电池的开路电压和短路电流随温光电池的温度特性是指光电池的开路电压和短路电流随温度变化的关系。光电池的温度特性是描述光电池的开路电压、短路电流随温度变度变化的关系。光电池的温度特性是描述光电池的开路电压、短路电流随温度变化的曲线。开路电压随温度增加而下降的速度较快，而短路电流随温度上升而增化的曲线。开路电压随温度增加而下降的速度较快，而短路电流随温度上升而增加的速度却很缓慢。因此，用光电池作为敏感元件时，在自动检测系统设计时就加的速度却很缓慢。因此，用光电池作为敏感元件时，在自动检测系统设计时就应考虑到温度的漂移，需采取相应的措施进行补偿。应考虑到温度的漂移，需采取相应的措施进行补偿。回到第一页回到第一页回到第一页回到第一页第15页，本讲稿共15页