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1、第十章第十章 光电传感器光电传感器 本章学习光电效应、光电元件本章学习光电效应、光电元件的结构、工作原理、特性以及光电的结构、工作原理、特性以及光电传感器的各种应用，掌握光电开关传感器的各种应用，掌握光电开关及光电断续器的使用方法。及光电断续器的使用方法。10/26/202211905年德国物年德国物理学家爱因斯坦用理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光量子学说解释了光电发射效应，并光电发射效应，并为此而获得为此而获得1921年年诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学奖。10/26/20222第一节第一节 光电效应及光电元件光电效应及光电元件 用光照射某一物体，可以看作物体用光照射某一物体，可以看作物体受到
2、一连串能量为受到一连串能量为hf 的光子的轰击，组的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。电效应的物理现象称为光电效应。外光电效应：在光线的作外光电效应：在光线的作用下能使电子逸出物体表面的用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有紫外光光电效应的光电元件有紫外光电管、光电倍增管、光电摄像电管、光电倍增管、光电摄像管等。管等。10/26/20223 紫外管外形紫外管外形 当入射紫外当入射紫外线照射在紫外管线照射在紫外管阴极板上时，电阴极板上时，电子克服金属表面子
3、克服金属表面对它的束缚而逸对它的束缚而逸出金属表面，形出金属表面，形成电子发射。紫成电子发射。紫外管多用于紫外外管多用于紫外线测量、火焰监线测量、火焰监测等。测等。紫外线紫外线10/26/20224光敏电阻光敏电阻 当光敏电阻受到当光敏电阻受到光照时，光照时，阻值减小。阻值减小。10/26/20225光敏电阻演示光敏电阻演示 当光敏当光敏电阻受到光照电阻受到光照时，时，光生电子光生电子空穴对增加，空穴对增加，阻值减小，电阻值减小，电流增大。流增大。暗电流（越小越好）暗电流（越小越好）10/26/20226光敏二极管光敏二极管将光敏二极管的将光敏二极管的PN结设置在透明管结设置在透明管壳顶部的正
4、下方，光壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的照射到光敏二极管的PN结时，电子结时，电子-空穴空穴对数量增加，光电流对数量增加，光电流与照度成正比。与照度成正比。10/26/20227光敏二极管外形光敏二极管外形光敏二极管阵列光敏二极管阵列包含包含1024个个InGaAs元件元件的线性光电二极管阵列，可用的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。于分光镜。10/26/20228红外发射、接收对管外形红外发射、接收对管外形红外发射管红外发射管红外接收管红外接收管10/26/20229PIN光电二极管光电二极管PIN光电二极管是在光电二极管是在P区和区和N区之间插入一层电阻区之间插入一层电阻率很大的率很大
5、的I层，从而减小了层，从而减小了PN结的电容，提高了工作结的电容，提高了工作频率。频率。PIN光敏二极管的工作电压（反向偏置电压）光敏二极管的工作电压（反向偏置电压）高，光电转换效率高，暗电流小，其灵敏度比普通的高，光电转换效率高，暗电流小，其灵敏度比普通的光敏二极管高得多，响应频率可达数十兆赫，可用作光敏二极管高得多，响应频率可达数十兆赫，可用作各种数字与模拟光纤传输系统，各种家电遥控器的接各种数字与模拟光纤传输系统，各种家电遥控器的接收管（红外波段）、收管（红外波段）、UHF频带小信号开关频带小信号开关、中波频带中波频带到到1000MHZ之间电流控制、可变之间电流控制、可变衰减器、各种通信
6、设备收发天线的衰减器、各种通信设备收发天线的高频功率开关切换和高频功率开关切换和RF领域的高领域的高速开关等。特殊结构的速开关等。特殊结构的PIN二极二极管还可用于测量紫外线或射线等管还可用于测量紫外线或射线等。10/26/202210APD光敏二极管（雪崩光敏二极管）光敏二极管（雪崩光敏二极管）硅雪崩光电二极管是采用硅雪崩光电二极管是采用n+p-p+型结构的可见型结构的可见光和近红外探测器，它具有高响应度，高信噪比，光和近红外探测器，它具有高响应度，高信噪比，高响应速度等特点，可广泛应用于微光信号检测、高响应速度等特点，可广泛应用于微光信号检测、长距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息长
7、距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息传输和光电对抗系统。传输和光电对抗系统。10/26/202211GD3250系列硅雪崩光电二极管的特性参数系列硅雪崩光电二极管的特性参数 参数参数单位单位GD3250-AGD3250-BGD3250-C光敏面直径光敏面直径mm0.20.50.8工作电压工作电压V100150100150150250暗电流暗电流nA152535响应度响应度V/w606060上升时间上升时间ns134噪声等效功率噪声等效功率 Pw/Hz1/20.050.070.09结电容结电容pF11.52使用温度范围使用温度范围-20+40-20+40-20+40封装形式封装形式TO型型
8、光纤型光纤型TO型型TO型型10/26/202212光敏二极管的反向光敏二极管的反向偏置接法偏置接法 在没有光照时，由在没有光照时，由于二极管反向偏置，所于二极管反向偏置，所以反向电流很小，这时以反向电流很小，这时的电流称为暗电流，相的电流称为暗电流，相当于普通二极管的反向当于普通二极管的反向饱和漏电流。当光照射饱和漏电流。当光照射在二极管的在二极管的PNPN结（又称结（又称耗尽层）上时，在耗尽层）上时，在PNPN结结附近产生的电子附近产生的电子-空穴空穴对数量也随之增加，光对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电电流也相应增大，光电流与照度成正比。流与照度成正比。10/26/202213 光
9、敏二极管的反向偏置接线光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性演示（参考上页图）及光电特性演示 在没有光照时，由于二在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。（暗电流）很小。当当光照增加光照增加时，时，光电流光电流I与光照度成正与光照度成正比关系。比关系。光敏光敏二二极管的极管的反向偏反向偏置接法置接法UO+光照光照10/26/202214光敏三极管光敏三极管 光敏三极管有两光敏三极管有两个个PN结结。与普通。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光三极管相似，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敏二极管高。多数光敏三极管的基极
10、没有引出线，有引出线，只有正负（只有正负（c、e）两个引脚，两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。上很难区别。10/26/202215光敏三极管外形光敏三极管外形10/26/202216光敏三极管内部结构光敏三极管内部结构a)内部组成内部组成b)管芯结构管芯结构c）结构简化图结构简化图1集电极引脚集电极引脚2管芯管芯3外壳外壳4玻璃聚光镜玻璃聚光镜5发射极引脚发射极引脚6N+衬底衬底7N型集电区型集电区8SiO2保护圈保护圈9集电结集电结10P型基区型基区11N型发射区型发射区12发射结发射结 10/26/202217硅光敏晶体管的光谱特性硅
11、光敏晶体管的光谱特性电磁波频谱电磁波频谱10/26/202218光电特性光电特性0光照光照光光电电流流光敏光敏三极管三极管光敏光敏二极管二极管3000lx4mA请判断灵敏度的高低请判断灵敏度的高低请计算当请计算当E=100lx时，光敏二极管的光电流时，光敏二极管的光电流IIE10/26/202219光敏晶闸管光敏晶闸管光敏晶闸管有三个引出电极，即阳极光敏晶闸管有三个引出电极，即阳极a、阴极、阴极k和门极和门极g。它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸。它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极与负载串联后接电源正极，阴极接电源管的阳极与负载串联后接电源正极，阴极接电源负极，门极可悬空。当有一定照度的光
12、信号通过负极，门极可悬空。当有一定照度的光信号通过玻璃窗口照射到正向阻断的玻璃窗口照射到正向阻断的PN结上时，将产生门结上时，将产生门极电流，从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通极电流，从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通状态。导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维状态。导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维持导通。要切断已触发导通的光敏晶闸管，必须持导通。要切断已触发导通的光敏晶闸管，必须使阳极与阴极的电压反向，或使负载电流小于其使阳极与阴极的电压反向，或使负载电流小于其维持电流。光敏晶闸管的特点是：导通电流比光维持电流。光敏晶闸管的特点是：导通电流比光敏三极管大得多，工作电压有的可达数百伏，因敏三
13、极管大得多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，可用于工业自动检测控制。此输出功率大，可用于工业自动检测控制。10/26/202220光敏晶闸管外形光敏晶闸管外形光敏面光敏面10/26/202221基于光生伏特效应的光电元件基于光生伏特效应的光电元件光电池光电池 在在N型衬底上制造一薄层型衬底上制造一薄层P型层作为光照型层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射光敏感面，就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足够大时，子的能量足够大时，P型区每吸收一个光子型区每吸收一个光子就产生一对光生电子就产生一对光生电子空穴对，空穴对，光生光生 电子电子空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动空穴对的
14、的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到被拉到N型区，空穴留在型区，空穴留在P区，所以区，所以N区带负区带负电，电，P区带正电。如果光照是连续的，经短区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。动势输出。10/26/202222光电池光电池外形外形光敏面光敏面10/26/202223能提供较大电流的能提供较大电流的大面积光电池大面积光电池外形外形10/26/202224其他其他光电池及在照度测量中的应用光电池及在照度测量中的应用柔光罩下面为圆形光电池柔光罩下面为圆形光电池10/26/202225光电池在动力方面的应用光电池在动
15、力方面的应用太阳能赛车太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能电动机模型太阳能太阳能硅光电池板硅光电池板10/26/202226光电池在动力方面的应用（续）光电池在动力方面的应用（续）太阳能发电太阳能发电10/26/202227光电池在动力方面的应用（续）光电池在动力方面的应用（续）光电池在人造卫星上的应用光电池在人造卫星上的应用10/26/202228光电池的光电特性光电池的光电特性 一个典型的硅光电池的光电特性一个典型的硅光电池的光电特性 11开路电压曲线开路电压曲线 2 2短路电流曲线短路电流曲线 开路电压为开路电压为对数特性对数特性短路电流为短路电流为线性特性线性特性10/26/202229休休 息息 一一 下下10/26/202230