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1、机、电类传感器与检测技术项目教程模块八、光学量检测模块八、光学量检测 课件统一书号：统一书号：ISBN978-7-111-48817-0课程配套网站www.sensor-或或2015年年2月第月第1版版（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）12/12/20221本模块介绍本模块介绍“光学量光学量”的基本概念、的基本概念、各种光各种光电元件电元件，例如：，例如：紫外光电管紫外光电管、光敏电阻光敏电阻、光敏、光敏二极管、二极管、光敏晶体管光敏晶体管、光电池光电池，介绍，介绍各种光电各种光电元件的应用。元件的应用。还介绍了还介绍了光导纤维传感器及其应光导纤维传感
2、器及其应用用。内容简介内容简介今天是：今天是：12/12/202212/12/202212/12/20222模块八、光学量检测（上）模块八、光学量检测（上）目录目录进入进入知识链接知识链接光学量的基本概念光学量的基本概念项目一、光电元件及应用电路项目一、光电元件及应用电路（中、下）项目二、光电传感器的应用（中、下）项目二、光电传感器的应用（下）拓展阅读（下）拓展阅读光导纤维传感器及应用光导纤维传感器及应用現在時間現在時間是：是：06:5706:57进入进入进入进入12/12/20223知识链接知识链接 光学量的基本概念光学量的基本概念图图8-1 广义电磁波谱广义电磁波谱12/12/20224光
3、学常用的度量光学常用的度量表表8-1常用光度学的名称、符号、单位及说明常用光度学的名称、符号、单位及说明名称名称符号符号单单位位说说明明辐射能辐射能Q焦耳焦耳，J发光体辐射出来的发光体辐射出来的光能量光能量辐射能通量辐射能通量(辐射辐射功率功率)瓦，瓦，W发光体在发光体在单位时间内单位时间内辐射出的总辐射出的总能量能量光通量光通量流明，流明，lm发光体发光体每秒每秒所发出的辐射功率所发出的辐射功率经过人眼经过人眼的视见函数影响后的的视见函数影响后的等效辐射等效辐射功率功率光光强强I坎德拉，坎德拉，cd发光体在发光体在特定方向特定方向的的单位立体角单位立体角内内所发射的所发射的光通量光通量照度照
4、度E勒克斯，勒克斯，lx发光体照射在被照物体发光体照射在被照物体单位面积单位面积上的上的光通量光通量亮度亮度Lcd/m2发光体在视线方向发光体在视线方向单位投影面单位投影面上的上的光强光强12/12/20225光学量名词解释光学量名词解释（1）光通量：光源在单位时间内向周围空间辐射）光通量：光源在单位时间内向周围空间辐射出去的并出去的并使人眼产生光感的能量大小使人眼产生光感的能量大小，用符号，用符号表示，表示，单位为流明（单位为流明（lm），），是人眼感受到的是人眼感受到的555nm光辐射功光辐射功率率。在较明亮的环境中，。在较明亮的环境中，人的视觉对波长为人的视觉对波长为555nm左左右的绿
5、色光最敏感右的绿色光最敏感。由于人眼对不同波长光的相对视。由于人眼对不同波长光的相对视见率不同，所以见率不同，所以不同波长光的辐射功率相等时，其光不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。通量并不相等。对于人眼最敏感的对于人眼最敏感的555nm的绿光。的绿光。1W=683lm（绿色），（绿色），而而1W的的650nm光（红色）光（红色）,人的感觉仅为人的感觉仅为73lm。12/12/20226光通量（续）光通量（续）40W白炽灯发射的光通量为白炽灯发射的光通量为350lm；40W荧光灯发射荧光灯发射的光通量为的光通量为2000lm；单只高亮度；单只高亮度LED的光通量与消耗的光通量与消耗的
6、功率有关，常见范围为的功率有关，常见范围为20100lm。12/12/20227明视觉和暗视觉条件下的光谱光效率函数明视觉和暗视觉条件下的光谱光效率函数12/12/20228光学量名词解释（续）光学量名词解释（续）（2）发光强度：简称光强发光强度：简称光强，表示发光强弱，用符号，表示发光强弱，用符号I表示，单位是坎德拉（表示，单位是坎德拉（cd）。曾经使用过的单位有烛光、）。曾经使用过的单位有烛光、支光。支光。发光强度定义为：频率为发光强度定义为：频率为5401012Hz（即（即波长波长555nm）的）的单色光源每单位立体角（单色光源每单位立体角（1个球面度）辐射个球面度）辐射能为能为1/68
7、3W时的光通量时的光通量。若光源发出的波长为。若光源发出的波长为555nm单色辐射是均匀的，则发光体在某给定方向上的单色辐射是均匀的，则发光体在某给定方向上的发光强发光强度就等于发光体在该方向的立体角度就等于发光体在该方向的立体角内传输的光通量内传输的光通量除以该立体角所得的值除以该立体角所得的值，即：，即：I=/。12/12/20229（2 2）发光强度）发光强度（续）（续）若点光源各向同性，且若点光源各向同性，且I=1cd时，时，=4I=12.56lm与力学的单位比较，与力学的单位比较，“光通量光通量”相当于相当于“压力压力”，而，而“发光强度发光强度”相当于相当于“压强压强”。太阳的太阳
8、的发发光光强强度度为为31027cd；高亮高亮度度LED的的发发光光强强度度为为10cd；普通蜡普通蜡烛烛的的发发光光强强度度约为约为1cd。12/12/202210晴天太阳晴天太阳1坎德拉（坎德拉（1cd）：）：单单色光源色光源每每单单位立体角位立体角（1个球面度）个球面度）辐辐射能射能为为1/683W时时的的光通量光通量。曾。曾经经使用使用过过的的单单位有位有烛烛光、支光、支光。光。1“烛光烛光”12/12/202211发光强度（续）发光强度（续）LED的发光强度分布示意图的发光强度分布示意图要使被照射点看起来更亮要使被照射点看起来更亮，不，不仅仅要提高光通量要提高光通量，而，而且要增大会
9、聚的手段，且要增大会聚的手段，实际实际上就是上就是减少减少发发光的立体角光的立体角，就能得到更大的就能得到更大的发发光光强强度。度。LED的的发发光光强强度度可以达到可以达到几十几十cd12/12/202212光学量名词解释（续）光学量名词解释（续）（3）照度：）照度：描述物体被照亮的程度，用符号描述物体被照亮的程度，用符号E表示表示，单位为勒克斯（单位为勒克斯（lx），相当于），相当于1m2面积上受到面积上受到1个个lm光光通量的照射通量的照射。若受照面积为。若受照面积为A，所接收的光通量为，所接收的光通量为，则照度被定义为则照度被定义为E=/A，1lx=1lm/m2。倾斜照亮被倾斜照亮被照
10、物时的照照物时的照度变小。度变小。12/12/202213光学量名词解释（续）光学量名词解释（续）照度平方反比定律：点光源照射在物体上，物体的照照度平方反比定律：点光源照射在物体上，物体的照度（均匀时）与从光源到物体的距离的平方成反比。度（均匀时）与从光源到物体的距离的平方成反比。12/12/202214表表8-2 8-2 日常生活环境的照度日常生活环境的照度环境环境照度照度/lx晴天中午室外晴天中午室外1000080000阴天中午室外阴天中午室外6000晴天中午室内窗口桌面晴天中午室内窗口桌面20004000办公室办公室约约150200晚上教室桌面晚上教室桌面约约15040W荧光灯正下方荧光
11、灯正下方1.3m9040W白炽灯下白炽灯下1m30黄昏室内黄昏室内10满月时的地面满月时的地面0.2教室课桌的照度测量教室课桌的照度测量12/12/202215光学量名词解释（续）光学量名词解释（续）（4）亮亮度度：描描述述人人对对发发光光体体或或被被照照射射物物体体表表面面的的发发光光或或反反射射光光强强度度所所感感受受到到的的明明亮亮程程度度，用用符符号号L表表示示，单单位位为为坎坎德德拉拉每每平平米米（cd/m2），过过去去使使用用过过的的单单位位有有尼特（尼特（nt）。亮度是针对面光源而言的。）。亮度是针对面光源而言的。人人眼眼能能够够感感觉觉的的亮亮度度范范围围极极宽宽，从从千千分分
12、之之几几cd/m2直直到几百万到几百万cd/m2。人人 眼眼 对对 380780纳纳米米内内不不同同波波长长的的光光具具有有不不同同的的敏敏感感程程度度，称称为为人人眼眼的的视视敏敏特特性性。人人眼眼感感觉觉到到的的红红、绿绿、蓝蓝三三者者亮亮度度之之和和决决定定了物体的总亮度。了物体的总亮度。12/12/202216表表8-3 8-3 常见物体的亮度常见物体的亮度光源名称光源名称亮度亮度/cdm-2红色激光笔窗口红色激光笔窗口21010地球上看到的太阳地球上看到的太阳2109超高压球状水银灯超高压球状水银灯1109白炽灯钨丝白炽灯钨丝1107乙炔火焰乙炔火焰8104太阳照射下的洁净太阳照射下
13、的洁净雪面或白纸雪面或白纸3104阴天天空阴天天空200040W荧光灯表面荧光灯表面7000液晶电视屏幕液晶电视屏幕4001000满月下的白纸满月下的白纸0.07无月夜空无月夜空0.0001直视红色激直视红色激光将对眼睛光将对眼睛造成损害造成损害太阳耀斑太阳耀斑12/12/202217晴天天空的亮度晴天天空的亮度乙炔火焰的亮度乙炔火焰的亮度满月时的地面满月时的地面炽热的钨丝亮度炽热的钨丝亮度12/12/202218光学量名词解释（续）光学量名词解释（续）光通量、发光强度、亮度、照度之间的关系光通量、发光强度、亮度、照度之间的关系12/12/202219项目一项目一 光电元件及应用电路光电元件及
14、应用电路【项目教学目标项目教学目标】知识目标知识目标1）了解常用光电元件的基本特性。）了解常用光电元件的基本特性。2）了解光电池的短路电流测量电路。）了解光电池的短路电流测量电路。技能目标技能目标1）掌握光敏晶体管应用电路的计算。）掌握光敏晶体管应用电路的计算。2）掌握光控电路的分析。）掌握光控电路的分析。回目录回目录現在時間現在時間是：是：06:5706:5712/12/202220光电效应光电效应用光照射某一物体，可以看作用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为物体受到一连串能量为hf 的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应
15、电效应的物理现象称为光电效应生相应电效应的物理现象称为光电效应。1）在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称）在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。光电倍增管等。2）在光线的作用下能使物体的电阻率改变的现象称）在光线的作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，也称为光电导效应。基于内光电效应的为内光电效应，也称为光电导效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管及光敏光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管及光敏晶闸管等。晶闸管等。12/12/2022
16、21光电效应（续）光电效应（续）3）在光线的作用下，物体产生一定方向电动势的现）在光线的作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。光电池等。第一类光电元件属于玻璃真空管元件第一类光电元件属于玻璃真空管元件，第二、三类属第二、三类属于半导体元件于半导体元件。12/12/2022221905年德国物理学家年德国物理学家爱因斯坦爱因斯坦用光量子学说用光量子学说解释了光电发射效应解释了光电发射效应，并为此而获得并为此而获得1921年诺年诺贝尔物理学奖贝尔物理学奖。12/12/202223任务一任务一 紫外
17、光电管的特性及应用电路紫外光电管的特性及应用电路图图8-2光电管及光电管及外光电效应外光电效应a）光电管）光电管b）外光电效应示意图）外光电效应示意图1阳极阳极A2阴极阴极K3石英玻璃外壳石英玻璃外壳4抽气管蒂抽气管蒂5阳极引脚阳极引脚6阴极引脚阴极引脚7金属表面金属表面8光子光子9光致发射电子光致发射电子12/12/202224任务一任务一 紫外光电管的特性及应用电路紫外光电管的特性及应用电路图图8-3光电管的光电管的图形符号及图形符号及测量电路测量电路12/12/202225 紫外光电管紫外光电管当入射紫外线照当入射紫外线照射在紫外管射在紫外管阴极板上阴极板上时，电子克服金属表时，电子克服
18、金属表面对它的束缚而面对它的束缚而逸出逸出金属表面，形成电子金属表面，形成电子发射发射。紫外管多用于。紫外管多用于紫外线测量紫外线测量、火焰监火焰监测测等。等。可见光较难引可见光较难引起光电子的发射。起光电子的发射。火焰的辐射光中火焰的辐射光中包含了较大比例的紫包含了较大比例的紫外光外光。紫外线紫外线玻壳用玻壳用石英材料石英材料制造，制造，对紫外线对紫外线透光率较好的透光率较好的12/12/202226任务二任务二 光敏电阻的特性及应用电路光敏电阻的特性及应用电路光光敏敏电电阻阻是是基基于于内内光光电电效效应应的的光光电电元元件件，具具有有结结构构简简单、单、价格低廉价格低廉等特点。但其线性度
19、较差，温漂较大。等特点。但其线性度较差，温漂较大。一、光敏电阻的的结构及工作原理一、光敏电阻的的结构及工作原理材材料料：金金属属的的硫硫化化物物、硒硒化化物物、碲碲化化物物等等半半导导体体。半半导体的导电能力取决于半导体载流子数目的多少。导体的导电能力取决于半导体载流子数目的多少。当当光光敏敏电电阻阻受受到到光光照照时时,产产生生自自由由电电子子和和空空穴穴。光光照照越强越强,阻值就越低阻值就越低。入射光消失。入射光消失,电子电子-空穴对空穴对逐渐逐渐复合。复合。12/12/202227光敏电阻外形及结构光敏电阻外形及结构当光敏电阻受到光当光敏电阻受到光照时，照时，两个电极之两个电极之间的阻值
20、减小间的阻值减小。12/12/202228光敏电阻光敏电阻原理演示原理演示当光敏电阻当光敏电阻受到光照时受到光照时，光光生电子生电子-空穴对空穴对增加增加，阻值减小阻值减小，电流增大电流增大。无光照时的电流称为无光照时的电流称为暗电流暗电流（温度升高，暗电流增大温度升高，暗电流增大）光照产生的电流光照产生的电流称为亮电流称为亮电流12/12/202229二、光敏电阻的特性和参数二、光敏电阻的特性和参数（1）暗电阻：置于室温、全暗条件下测得的稳定电）暗电阻：置于室温、全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，通常大于阻值称为暗电阻，通常大于1M。光敏电阻受温度影。光敏电阻受温度影响甚大，温度上升，暗
21、电阻减小，暗电流增大，灵敏度响甚大，温度上升，暗电阻减小，暗电流增大，灵敏度下降，下降，这是光敏电阻的一大缺点。这是光敏电阻的一大缺点。（2）光电特性：在光敏电阻两极电压固定不变时，）光电特性：在光敏电阻两极电压固定不变时，照度与电阻及电流间的关系称为光电特性。照度与电阻及电流间的关系称为光电特性。图图8-6光敏电阻特性光敏电阻特性12/12/202230二、光敏电阻的特性和参数（续）二、光敏电阻的特性和参数（续）（3）光谱特性：对）光谱特性：对波长为波长为500700nm的入的入射光有较大的响应。射光有较大的响应。（4）响应时间：受）响应时间：受光照后，光电流需要经光照后，光电流需要经过一段
22、时间（上升响应过一段时间（上升响应时间）才能达到其稳定时间）才能达到其稳定值。值。12/12/202231光敏电阻的特性和参数（续）光敏电阻的特性和参数（续）同样，在停止光照后，光电流也需要经过一段时间同样，在停止光照后，光电流也需要经过一段时间（下降响应时间）才能恢复到其暗电流值。（下降响应时间）才能恢复到其暗电流值。上升响应上升响应时间和下降响应时间为时间和下降响应时间为30ms左右，不能用于要求快速左右，不能用于要求快速响应的场合。响应的场合。（5）工作温度：通常为）工作温度：通常为-30+70，大于工作温，大于工作温度上限时，温漂严重；度上限时，温漂严重；小于工作温度下限时，灵敏度小于
23、工作温度下限时，灵敏度下降较多。下降较多。12/12/202232GL系列光敏电阻的特性参数系列光敏电阻的特性参数12/12/202233三、光敏电阻的测量电路三、光敏电阻的测量电路光敏电阻光敏电阻R与负载电阻与负载电阻RL串联后，接到电源串联后，接到电源Ei上。上。当无光照时，光敏电阻当无光照时，光敏电阻R很大，很大，I在在RL上的压降上的压降Uo1很很小小。随着照度增大，。随着照度增大，R减小，减小，a图中的图中的Uo随之增大随之增大。b图与图图与图a图相反图相反。照度增大，照度增大，Uo2反而减小反而减小。Uo可以可以接到接到CMOS数字集成电路的输入端，在某一照度时，数数字集成电路的输
24、入端，在某一照度时，数字电路的输出电平翻转。字电路的输出电平翻转。图图8-7光敏电阻的光敏电阻的基本应用电路基本应用电路a）Uo与照度变化趋势与照度变化趋势相同的电路相同的电路b）Uo与照度变化趋势与照度变化趋势相反的电路相反的电路12/12/202234任务三任务三 光敏二极管的特性及应用电路光敏二极管的特性及应用电路一、光敏二极管的结构及工作原理一、光敏二极管的结构及工作原理光光敏敏二二极极管管的的工工作作原原理理是是基基于于内内光光电电效效应应。PN结结被被设设置置在在透透明明管管壳壳顶顶部部的的正正下下方方，可可以以直直接接受受到到光光的的照射。照射。在电路中必须处于反向偏置状态。在电
25、路中必须处于反向偏置状态。12/12/202235a）外形图）外形图b）封装结构）封装结构c）管芯结构）管芯结构d）图形符号）图形符号1负极引脚负极引脚2管芯管芯3外壳外壳4玻璃聚光镜玻璃聚光镜5正极引脚正极引脚6N型衬底型衬底7SiO2保护圈保护圈8SiO2透明保护层透明保护层9铝引出电极铝引出电极10P型扩散层型扩散层11耗尽层耗尽层12金丝引出线金丝引出线图图8-8光敏二极管光敏二极管12/12/202236部分光敏二极管特性参数部分光敏二极管特性参数.12/12/202237金属封装光敏二极管金属封装光敏二极管将光敏二极管的将光敏二极管的PN结结设置在透明管壳顶部的正设置在透明管壳顶部
26、的正下方下方，光照射到光敏二极光照射到光敏二极管的管的PN结结时，时，电子电子-空穴空穴对数量增加对数量增加，光电流与照光电流与照度成正比度成正比。透镜透镜+-12/12/202238各种光敏二极管各种光敏二极管光敏二极管阵列光敏二极管阵列包含包含1024个个InGaAs元元件的线性光电二极管阵列件的线性光电二极管阵列，可用于分光光谱仪。可用于分光光谱仪。12/12/202239红外发射、接收对管红外发射、接收对管红外发射管红外发射管（调制器）（调制器）红外接收管红外接收管解调器解调器 解调后的波形解调后的波形12/12/202240二、特殊光敏二极管（二、特殊光敏二极管（PIN二极管）二极管
27、）PIN光光敏敏二二极极管管是是在在P区区和和N区区之之间间插插入入一一层层较较厚厚的的I本本征征半半导导体体层层，从从而而使使PN结结的的间间距距加加宽宽，结结电电容容变变小小(几几个个pF)。因因此此，PIN光光敏敏二二极极管管的的频频带带较较宽宽，可可达达GHz数数量量级级。PIN光光敏敏二二极极管管的的工工作作电电压压（反反向向偏偏置置电电压压）只只需需十十几几伏伏，光光电电转转换换效效率率较较高高，灵灵敏敏度度比比普普通通的的光光敏敏二二极极管管高高得得多多。特特殊殊结结构构的的PIN二二极极管管可可用用于于测测量量紫紫外外线线、X射射线线或或射射线线。PIN光光敏敏二二极极管管的的
28、缺缺点点是是I层层电电阻阻较较大大，输输出出电电流流较较小小，一一般般多多为为微微安安数数量量级级，没没有有倍倍增增效效应应。目目前前已已将将PIN管管与与前前置置运运算算放放大大器器集集成成在同一硅片上，并封装于一个管壳内在同一硅片上，并封装于一个管壳内，用于光纤通信。，用于光纤通信。12/12/202241PIN二极管外形二极管外形.12/12/202242PIN二极管的二极管的PN结与内部电场结与内部电场12/12/202243特殊光敏二极管特殊光敏二极管（续：（续：APD二极管）二极管）APD光光敏敏二二极极管管(雪雪崩崩光光敏敏二二极极管管)是是一一种种具具有有内内部部倍倍增增放放大
29、大作作用用的的光光敏敏二二极极管管,灵灵敏敏度度比比PIN大大几几百百倍倍。当当有有一一个个光光子子从从外外部部射射入入到到其其PN结结上上时时,将将产产生生一一个个电电子子空空穴穴对对。由由于于PN结结上上施施加加了了较较高高的的工工作作电电压压(约约100V),接接近近于于反反向向击击穿穿电电压压，因因此此能能将将光光子子所所产产生生的的光光电电子子加加速速到到具具有有很很高高的的动动能能,撞撞击击其其他他原原子子,产产生生新新的的电电子子空空穴穴对对,如如此此多多次次碰碰撞撞,以以致致最最终终造造成成载载流流子子按按几几何何级级数数剧剧增增的的“雪雪崩崩”效效应应,形形成成对对原原始始光
30、光电电流流的的放放大大作作用用,增增益益可可达达几几千千倍倍,而而雪雪崩崩产产生生和和恢恢复复所所需需的的时时间间可可小小于于10ns,适适用用于于微微光光信信号号检检测测以以及及长长距距离离光光纤纤通通信信,可以取代可以取代“光电倍增管光电倍增管”。APD光光敏敏二二极极管管的的主主要要缺缺点点：噪噪声声大大。若若有有用用光光电电信号只有几个毫微瓦信号只有几个毫微瓦(nW),就会被噪声淹没就会被噪声淹没。12/12/202244APD光敏二极管的光敏二极管的PN结、内部电场分布结、内部电场分布及电子倍增及电子倍增APD载流子雪崩式倍增示意图载流子雪崩式倍增示意图12/12/202245APD
31、光敏二极管的光敏二极管的外形及用途外形及用途APD二极管适用于二极管适用于微光测微光测量和光纤通信量和光纤通信。12/12/202246GD3250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
32、+40封装形式封装形式TO型型光纤型光纤型TO型型TO型型12/12/202247InGaAs-PIN及及InGaAs-APD近红外二极管特性近红外二极管特性材料材料InGaAs-PINInGaAs-APD工作波长工作波长/m1.311.55量子效率量子效率/%7575响应度响应度/AW-10.780.94暗电流暗电流/nA0.120工作带宽工作带宽/GHz2.03.0附加电容附加电容/pF1.10.5典型应用典型应用622Mb/s2.5Gb/s12/12/202248三、光敏二极管的特性三、光敏二极管的特性（1）最最高高反反向向工工作作电电压压：在在无无光光照照的的条条件件下下，反反向向漏电
33、流不大于漏电流不大于10A时所能承受的最高反向电压值。时所能承受的最高反向电压值。（2）暗暗电电流流：在在无无光光照照及及最最高高反反向向工工作作电电压压条条件件下下的的漏漏电电流流。暗暗电电流流越越小小，光光敏敏二二极极管管的的性性能能越越稳稳定定，检检测弱光的能力就越强。测弱光的能力就越强。（3）光光电电流流：在在受受到到一一定定光光照照时时，在在最最高高反反向向工工作作电压下产生的电流。电压下产生的电流。图图8-9 光敏二极管的伏安特性光敏二极管的伏安特性（4）伏伏安安特特性性：光光敏敏二二极极管管工工作作在在第第三三象象限限，流流过过它它的的电电流流与与照照度度成成正正比比（曲曲线线的
34、的间间隔隔相相等等），正正常常使使用用时时应应施施加加1.5V以上的反向偏置电压为宜。以上的反向偏置电压为宜。12/12/202249光敏二极管的特性（续）光敏二极管的特性（续）（5）光电特性：光电流）光电特性：光电流I与照度基本成线性关系。与照度基本成线性关系。图图8-10某系列光敏二极某系列光敏二极管的光电特性管的光电特性1光敏二极管光敏二极管光电特性光电特性2光敏晶体管光敏晶体管光电特性光电特性12/12/202250光敏二极管的特性（续）光敏二极管的特性（续）（6）光谱特性：不同材料的光敏二极管对不同波长）光谱特性：不同材料的光敏二极管对不同波长入射光的灵敏度不同。入射光的灵敏度不同。
35、控制控制PN结的制造工艺，也能得结的制造工艺，也能得到不同的光谱特性。到不同的光谱特性。硅光敏元件的峰值波长为硅光敏元件的峰值波长为0.8m左右。左右。现在已分别制出对红外光、可见光直至蓝紫光敏感的现在已分别制出对红外光、可见光直至蓝紫光敏感的光敏晶体管光敏晶体管。Kr 表示相对于峰值波长为表示相对于峰值波长为100%时的相对时的相对灵敏度。灵敏度。还还可在光敏二极管的透光窗口上配以不同颜色的滤光可在光敏二极管的透光窗口上配以不同颜色的滤光玻璃，玻璃，以达到光谱修正的目的以达到光谱修正的目的，使光谱响应峰值波长根使光谱响应峰值波长根据需要而改变据需要而改变，据此可以制作色彩传感器。，据此可以制
36、作色彩传感器。12/12/202251图图8-118-11 光敏二极管的光谱特性光敏二极管的光谱特性1常规工艺硅光敏二极管的光谱特性常规工艺硅光敏二极管的光谱特性2滤光玻璃引起的光谱特性紫偏移滤光玻璃引起的光谱特性紫偏移3滤光玻璃引起的光谱特性红偏移滤光玻璃引起的光谱特性红偏移12/12/202252光敏二极管的特性（续）光敏二极管的特性（续）（7）结结电电容容Ct：PN结结在在最最高高反反偏偏电电压压时时的的电电容容。结结面积越小，结电容面积越小，结电容Ct也越小也越小，工作频率就越高工作频率就越高。（8）响响应应时时间间：将将光光信信号号转转化化为为电电信信号号所所需需要要的的时时间间。响
37、响应应时时间间越越短短，光光敏敏二二极极管管的的工工作作频频率率越越高高。工工业业级级硅硅光光敏敏二二极极管管的的响响应应时时间间为为10_ _710_ _5s左左右右。被被测测光光信号的调制频率较高时，应选用高速硅光敏二极管。信号的调制频率较高时，应选用高速硅光敏二极管。表表8-5几种光敏材料的光谱峰值波长几种光敏材料的光谱峰值波长材料材料名称名称GaAsPGaAsSiHgCdTeGeGaInAsPAlGaSbGaInAsInSb峰值峰值波长波长/m0.60.650.8121.31.31.41.655.012/12/202253光敏二极管的特性（续）光敏二极管的特性（续）图图8-12某型号光
38、敏二极管的频率特性某型号光敏二极管的频率特性a）输入调制光脉冲）输入调制光脉冲b）光敏二极管脉冲响应）光敏二极管脉冲响应（9）温度特性：）温度特性：温度变化对亮电流影响不大温度变化对亮电流影响不大，但，但对对暗电流的影响非常大，并且是非线性的暗电流的影响非常大，并且是非线性的，将给微光测量，将给微光测量带来误差。带来误差。12/12/202254四、光敏二极管的应用电路四、光敏二极管的应用电路图图8-13光敏二极管的应用电路光敏二极管的应用电路a）反偏电路）反偏电路b）反相驱动电路）反相驱动电路a图：图：Uoa=IDRLb图：图：Ui2.5V时，时，Uob=4.9V12/12/202255 光
39、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（参考上页8-13a8-13a图）图）及光电特性演示及光电特性演示 在在没有光照没有光照时，由于二极时，由于二极管反向偏置，管反向偏置，反向电流反向电流（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比关系。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12/12/202256任务四任务四 光敏晶体管的特性及应用电路光敏晶体管的特性及应用电路一、光敏晶一、光敏晶体管的结构及体管的结构及工作原理工作原理光敏晶体管光敏晶体管也称为也称为光敏三光敏三极管极管，有两个有两个P
40、N结结。有电流。有电流增益，增益，灵敏度灵敏度比光敏二极管比光敏二极管高几十倍高几十倍，漏漏电流也较大，电流也较大，恢复时间较长，恢复时间较长，约约10s。EC集电结集电结发射结发射结负极负极正极正极12/12/202257图图8-14NPN型型光敏晶体管光敏晶体管a）管芯结构）管芯结构b)结构简化图结构简化图c）光敏晶体管外形）光敏晶体管外形d）光敏晶体管图形符号）光敏晶体管图形符号e）光敏达林顿晶体管）光敏达林顿晶体管图形符号图形符号1N+衬底衬底2N型集电区型集电区3透光透光SiO2保护圈保护圈4集电结集电结JC5P型基区型基区6发射结发射结JE7N型发射区型发射区12/12/20225
41、8光敏晶体管的外形光敏晶体管的外形多数只有多数只有C、E两个电极两个电极CEBCE12/12/202259二、光敏晶体管的特性二、光敏晶体管的特性（1）光敏晶体管的伏安特性：在）光敏晶体管的伏安特性：在给定的照度下光敏给定的照度下光敏晶体管上的电压晶体管上的电压UCE与光电流（即集电极电流）与光电流（即集电极电流）I的关的关系系。图图8-15某系列某系列NPN型光敏晶体管的型光敏晶体管的伏安特性伏安特性12/12/202260NPN型光敏晶体管的电流增益型光敏晶体管的电流增益光光敏敏晶晶体体管管的的集集电电结结反反偏偏，发发射射结结正正偏偏，光光照照时时有有电电流流增益增益。入入射射光光子子在
42、在集集电电结结附附近近产产生生电电子子-空空穴穴对对，集集电电极极电电流流IC是是原原始始光光电电流流的的倍倍。光线光线集电结集电结(反偏反偏)IC=IB大大于于3V12/12/202261光敏晶体管的特性（续）光敏晶体管的特性（续）（2）光电特性）光电特性：线性度不如光敏二极管好。：线性度不如光敏二极管好。（3）峰值波长）峰值波长：约为：约为0.7m。（4）响应时间响应时间：比相应的二极管慢一个数量级，为：比相应的二极管慢一个数量级，为微秒数量级微秒数量级。（5）温度特性）温度特性:温温度度对对“光光电电流流”的影响的影响小小，对对“暗暗电电流流”的影的影响大响大。12/12/202262光
43、敏二极管、光敏晶体管的光电特性比较光敏二极管、光敏晶体管的光电特性比较0光照光照光电流光电流光敏晶体管光敏晶体管光敏二极管光敏二极管3000lx4mA请分析请分析光敏二极管、光敏二极管、光敏晶体管的光敏晶体管的灵敏度曲线差异灵敏度曲线差异0.3mA请作图并计算当请作图并计算当E=1000lx时，光敏二极管的光电流时，光敏二极管的光电流IIEICE012/12/202263部分部分3DU光敏三极管特性参数光敏三极管特性参数12/12/202264光敏达林顿管光敏达林顿管将将光光敏敏三三极极管管与与另另一一个个普普通通三三极极管管制制作作在在同同一一个个管管芯芯里里，连连接接成成复复合合管管型型式
44、式，称称为为达达林林顿顿型型光光敏敏三三极极管管。它它的的灵灵敏敏度度更更高高（=12），且且允允许许输输出出较较大大的的电电流流。但但是是达达林林顿顿光光敏敏三三极极管管的的漏漏电电（暗暗电电流流）也也较较大大，频频响较差，温漂也较大响较差，温漂也较大。光敏达林顿三极管光敏达林顿三极管图形符号图形符号达林顿型光耦合器达林顿型光耦合器输出电流可达输出电流可达50mA12/12/202265光敏晶闸管光敏晶闸管光敏晶闸管有光敏晶闸管有三个引出电极三个引出电极，即，即阳极阳极a、阴极、阴极k和和门极门极g。它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极与负它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极与负载串
45、联后接电源正极，阴极接电源负极，门极可悬空。载串联后接电源正极，阴极接电源负极，门极可悬空。当有一定照度的光信号通过玻璃窗口照射到正向阻断的当有一定照度的光信号通过玻璃窗口照射到正向阻断的PN结上结上时时,将将产生门极电流产生门极电流,从而使光敏晶闸管从阻断从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通状态。导通后状态变为导通状态。导通后,即使光照消失即使光照消失,光敏晶闸管光敏晶闸管仍仍维持导通维持导通。使阳极与阴极的电压反向。使阳极与阴极的电压反向,或使负载电流小于其维持电流，晶闸管截止。或使负载电流小于其维持电流，晶闸管截止。光敏晶闸管的特点是：光敏晶闸管的特点是：导通电流比光敏三极管大得多导通电流
46、比光敏三极管大得多,工作工作电压可达近千伏电压可达近千伏，因此，因此输出功率大，可输出功率大，可用于工业自动检测控制用于工业自动检测控制。12/12/202266光敏晶闸管用于光控路灯电路光敏晶闸管用于光控路灯电路光敏面光敏面光照小于设定值时光照小于设定值时,VT1截止截止,VT2的门极电流的门极电流Ig2较大较大,VT2导通导通,电灯电灯HL亮亮。减小减小Rg,门极电流被旁路门极电流被旁路,灵敏灵敏度降低度降低。12/12/202267光敏晶闸管多用于光敏晶闸管多用于弱电控制强电弱电控制强电的光耦电路的光耦电路双向过零触发晶闸管光耦双向过零触发晶闸管光耦MOC30系列系列12/12/2022
47、68单片机控制灯光或交流继电器电路单片机控制灯光或交流继电器电路12/12/202269三、光敏晶体管应用电路三、光敏晶体管应用电路图图8-16光敏晶体管的两种测量电路光敏晶体管的两种测量电路a）射极输出电路）射极输出电路b）集电极输出电路）集电极输出电路Uo1=ICRE（8-5）Uo2=VCC-ICRE（8-6）12/12/202270表表8-68-6 光敏晶体管的输出状态比较光敏晶体管的输出状态比较电路形式电路形式无光照时无光照时强光照时强光照时晶体管晶体管状态状态ICUo晶体管晶体管状态状态ICUo射极输出射极输出截止截止00（低电平）（低电平）饱和饱和(VCC-0.3V)/RLVCC-
48、UCES（高电平）（高电平）集电极集电极输出输出截止截止0VCC（高电平）（高电平）饱和饱和(VCC-0.3V)/RLUCES（0.3V）（低电平）（低电平）12/12/202271例例8-3光控继电器电路光控继电器电路1）分析工作过程。）分析工作过程。2）若）若VCC=12V，中间中间继电器继电器KA的驱动的驱动线圈阻值线圈阻值RKA=100，求：在强光照时，求：在强光照时，流过流过中间继电器中间继电器KA的电流的电流。解解1）当当无无光光照照时时，V1截截止止，IB=0，V2也也截截止止，继继电器电器KA处于失电（释放）状态。处于失电（释放）状态。当当有有强强光光照照时时，V1产产生生较较
49、大大的的光光电电流流I，一一部部分分流流经经RB1及及V2的的发发射射结结。当当IBIBES（IBES为为集集电电极极饱饱和和电电流流，IBES=ICES/）时时，V2饱饱和和，产产生生较较大大的的集集电电极极饱饱和和电电流流ICES，ICES=（VCC0.3V）/RKA，因因此此继继电电器器KA得得电电并并吸吸合合。2）由由于于足足够够大大，集集电电极极电电流流与与基基极极电流电流IB基本基本无关，无关，ICES(12-0.3)V/0.1k=117mA。图图8-1712/12/202272任务五任务五 光电池的特性及应用电路光电池的特性及应用电路一、硅光电池的结构及工作原理一、硅光电池的结构
50、及工作原理光电池是一种能够直接把光能转换成电能的半导体器光电池是一种能够直接把光能转换成电能的半导体器件。件。它有一个大面积的它有一个大面积的PN结，正面有透明电极覆盖结，正面有透明电极覆盖。当当PN结受到光照时，在正反面产生结受到光照时，在正反面产生“光生电压光生电压”和和“光生电流光生电流”，这种现象称为光生伏特效应这种现象称为光生伏特效应。图图8-18硅光电池硅光电池a）结构示意图）结构示意图b）图形符号）图形符号c）等效电路）等效电路12/12/202273光电池的结构及工作原理示意图光电池的结构及工作原理示意图四象限光电池四象限光电池光电池的材料：光电池的材料：硅、碲化镉、硅、碲化镉