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1、第第6 6章章 光敏传感器光敏传感器1光敏传感器构成：光敏传感器构成：光源、光学通路、光电元件。光源、光学通路、光电元件。应用：应用：1 1、光量变化的非电量；、光量变化的非电量；2 2、能转换成光量变化的其他非电量。、能转换成光量变化的其他非电量。特点：特点：非接触、响应快、性能可靠。非接触、响应快、性能可靠。被测量被测量的变化的变化光信号光信号的变化的变化电信号电信号的变化的变化6.0 引引 言言什么是光敏传感器？什么是光敏传感器？2光敏传感器的测量方法可归纳为四种形式。光敏传感器的测量方法可归纳为四种形式。36.1 6.1 概概 述述6.1.1 光的特性光的特性光波是波长为光波是波长为1
2、0106nm的电磁波。的电磁波。1000,000 nm1000,000 nm10 nm10 nm780 nm780 nm380 nm380 nm可见光可见光可见光可见光红外光红外光红外光红外光紫外光紫外光紫外光紫外光性质：性质：光都具有反射、折射、散射、衍光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。射、干涉和吸收等性质。46.1.2 光源（发光器件）光源（发光器件）1.白炽光源白炽光源最为普通的是最为普通的是用钨丝通电加热作为光辐射源。用钨丝通电加热作为光辐射源。一般白炽灯的辐射一般白炽灯的辐射光谱是连续的光谱是连续的。发光范围：发光范围：320 nm2500 nm320 nm2500
3、nm,所以任何光敏所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。元件都能和它配合接收到光信号。特点特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性：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，差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。是可取之处。52.气体放电光源气体放电光源利用电流通过气体产生发光现象制成的灯即利用电流通过气体产生发光现象制成的灯即气气体放电灯。体放电灯。它的光谱是它的光谱是不连续不连续的的，光谱与气体的种类及放电光谱与气体的种类及放电条件有关条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一
4、光谱范围的辐放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。射。汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为用的光源，统称为光谱灯光谱灯6构成：由半导体构成：由半导体PNPN结构成。结构成。特点：工作电压低、响应速度快、寿命长、特点：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。体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。3.3.发光二极管（发光二极管（LEDLED）7R RU UNP+-UiD+_原理：原理：当加正向电压时当加正向电压时，势垒降低，电子由，势垒降低，电子由N N区注入到区注入到P P区，和区，和P P区里
5、的空穴复合；空穴则由区里的空穴复合；空穴则由P P区注入区注入到到N N区，和区，和N N区里的电子复合，这种电子空穴对区里的电子复合，这种电子空穴对的的复合同时伴随着光子的放出复合同时伴随着光子的放出，因而发光。，因而发光。8可供制作发光二极管的材料见下表：可供制作发光二极管的材料见下表：材料材料材料材料波长波长波长波长/nm/nm/nm/nm材料材料材料材料波长波长波长波长/nm/nm/nm/nmZnSZnSZnSZnS340340340340CuSe-ZnSeCuSe-ZnSeCuSe-ZnSeCuSe-ZnSe400400400400630630630630SiCSiCSiCSiC48
6、0480480480ZnZnZnZnx x x xCdCdCdCd1-x1-x1-x1-xTeTeTeTe590590590590830830830830GaPGaPGaPGaP565,680565,680565,680565,680GaAsGaAsGaAsGaAs1-x1-x1-x1-xP P P Px x x x550550550550900900900900GaAsGaAsGaAsGaAs900900900900InPInPInPInPx x x xAsAsAsAs1-x1-x1-x1-x9109109109103150315031503150InPInPInPInP9209209209
7、20InInInInx x x xGaGaGaGa1-x1-x1-x1-xAsAsAsAs8508508508501350135013501350 LEDLED材料材料9 发发光光二二极极管管的的光光谱谱特特性性如如图图所所示示。图图中中砷砷磷磷化化镓镓曲曲线线有有两两根根，这这是是因因为为其其材材质质成成分分稍稍有有差差异异而而得得到到不不同同的的峰峰值值波波长长 p p。除除峰峰值值波波长长 p p决决定定发发光光颜颜色色之之外外，峰峰的的宽宽度度（用用 描描述述）决决定定光的色彩纯度，光的色彩纯度，越小，其光色越纯。越小，其光色越纯。10发光二极管的光谱特性发光二极管的光谱特性0.20.
8、20.40.40.60.60.80.8 1.01.0 0 060060070070080080090090010001000GaAsPGaAsPp=670nmp=670nmp=670nmp=670nmp=655nmp=655nmp=655nmp=655nmGaAsPGaAsPp=565nmp=565nmp=565nmp=565nmGaPGaPp=950nmp=950nmp=950nmp=950nmGaAsGaAs/nmnmnmnm相相相相对对对对灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度 11U U U U/V/V/V/V I I I I/mAmAmAmA -10-10-10-10 -5-5-5-5 0 0 0
9、 0 1 1 1 12 2 2 2GaAsPGaAsPGaAsPGaAsP(红红红红)GaAsPGaAsPGaAsPGaAsP(绿绿绿绿)反向电压应反向电压应在在5V5V以下以下!发发光光二二极极管管的的伏伏安安特特性性与与普普通通二二极极管管相相似似，但但随随材材料料的的不不同同，开开启启（点点燃燃）电电压压略略有有差差异异。红色约为红色约为1.7V1.7V开启，绿色约为开启，绿色约为2.2V2.2V。砷磷化镓发光二极管的伏安曲线砷磷化镓发光二极管的伏安曲线砷磷化镓发光二极管的伏安曲线砷磷化镓发光二极管的伏安曲线124 4、激光器、激光器激光是激光是2020世纪世纪6060年代出现的最重大科
10、技年代出现的最重大科技成就之一。具有高方向性、高单色性、成就之一。具有高方向性、高单色性、高亮度和高的相干性四个重要特性。激高亮度和高的相干性四个重要特性。激光波长一般从光波长一般从0.15m0.15m到远红外整个光频到远红外整个光频波段范围。波段范围。X-X-射线激光器。射线激光器。13激光器种类繁多，按工作物质分类：激光器种类繁多，按工作物质分类：u固体激光器固体激光器（如红宝石激光器）（如红宝石激光器）u气气体体激激光光器器（如如氦氦-氖氖气气体体激激光光器器、二二氧氧化化碳碳激光器）激光器）u液体激光器液体激光器（染料激光器）。（染料激光器）。u半导体激光器半导体激光器（如砷化镓激光器
11、（如砷化镓激光器）146.2.1 外光电效应外光电效应在光的作用下，物体内的电子逸出物体表在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做面向外发射的现象叫做外光电效应。外光电效应。6.2 光电效应光电效应两类：外光电效应和内光电效应。两类：外光电效应和内光电效应。151887年，首先是赫兹（年，首先是赫兹（M.Hertz）在证明）在证明波动理论实验中首次发现的；波动理论实验中首次发现的；1902年，勒纳（年，勒纳（Lenard)也对其进行了研也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。但无入射光的能量而从表面逸
12、出的现象。但无法根据当时的理论加以解释法根据当时的理论加以解释；1905年，爱因斯坦提出了光子假设。年，爱因斯坦提出了光子假设。16爱因斯坦光电效应方程：爱因斯坦光电效应方程：1.1.光电子能否产生，取决于光子的能量是光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功否大于该物体的表面电子逸出功A A。2.2.一定时，产生的光电流和光强成正比。一定时，产生的光电流和光强成正比。3.3.逸出的光电子具有动能。逸出的光电子具有动能。基于外光电效应的光电器件有光电管、基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。光电倍增管。176.2.2 6.2.2 内光电效应内光电效应 当光照在物体上
13、，使物体的电导率发生变当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。分为化，或产生光生电动势的现象。分为光电导效应光电导效应和光生伏特效应（光伏效应）和光生伏特效应（光伏效应）。1 1光电导效应光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量从键在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。变化。18自由电子所占能带自由电子所占能带不不存在电子所占能带存在电子所占能带价电子所占能带价电子所占能带禁带禁带禁带禁带导带导带导带导带价带价带价带价带EgEg电子能量电子能量E Eh Eg g当光照射到光电导体上时，若
14、这个光电导体为当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强本征半导体材料，且光辐射能量又足够强,光光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。光导体的电导率变大。19基于这种效应的光电器件有光敏电阻。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。20结光电效应结光电效应 光照射光照射PNPN结时，若结时，若h h EgEg，使，使价带中的电价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层阻挡层内电场内电场的作用下，电子偏向的作用下，电子偏向N N区外侧，空穴偏区外侧，空穴偏向向P
15、P区外侧，使区外侧，使P P区带正电，区带正电，N N区带负电，形成区带负电，形成光生电动势。光生电动势。光生伏特效应：光生伏特效应：在光作用下能使物体产生在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有基于该效应的器件有光电池、光电池、光敏二极管、三极管光敏二极管、三极管。P PN N21侧向光电效应侧向光电效应 当当半半导导体体光光电电器器件件受受光光照照不不均均匀匀时时，光光照照部部分分产产生生电电子子空空穴穴对对，载载流流子子浓浓度度比比未未受受光光照照部部分分的的大大，出出现现了了载载流流子子浓浓度度梯梯度度，引引起起载载流流子子扩扩散散，如如果果
16、电电子子比比空空穴穴扩扩散散得得快快，导导致致光光照照部部分分带带正正电电，未未照照部部分分带带负负电电，从从而产生电动势，即为而产生电动势，即为侧向光电效应侧向光电效应。226.3.1光电管及其基本特性光电管及其基本特性 结构与工作原理结构与工作原理6.3外光电效应器件外光电效应器件23主要性能主要性能（1 1）光电管的）光电管的伏安特性伏安特性 在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。管的伏安特性。真空光电管真空光电管真空光电管真空光电管 充气光电管充气光电管充
17、气光电管充气光电管15015010010050502 20 020lm20lm40lm40lm60lm60lm80lm80lm100lm100lm120lm120lm4 46 68 810101212阴极电压阴极电压阴极电压阴极电压/V/V/V/VI I I IA A A A/AAAA2 20 01001005050弱光弱光弱光弱光强光强光强光强光1501504 46 68 810101212阴极电压阴极电压阴极电压阴极电压/V/V/V/VI I I IA A A A/AAAA24（2 2）光电管的）光电管的光照特性光照特性当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，当光电管的阴极和阳极之间所加
18、的电压一定时，光通量与光电流之间的关系。光通量与光电流之间的关系。光照特性曲线的斜光照特性曲线的斜率称为光电管的灵率称为光电管的灵敏度。敏度。图图图图6-1 6-1 6-1 6-1 光电管的光照特性光电管的光照特性光电管的光照特性光电管的光照特性2525505075751001002 20 00.50.51.51.5 2.02.0/1m/1mI IA A/AA1.01.02.52.51 11-1-氧铯阴极氧铯阴极氧铯阴极氧铯阴极2-2-锑铯阴极锑铯阴极锑铯阴极锑铯阴极25(3)(3)光电管的光谱特性光电管的光谱特性 一般光电阴极材料不同的光电管对应不同一般光电阴极材料不同的光电管对应不同的红限
19、频率，因此它们可用于不同的光谱范围。的红限频率，因此它们可用于不同的光谱范围。另外，同一光电管对于不同频率的光的灵另外，同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。以敏度不同。以GD-4GD-4型光电管为例，阴极是用型光电管为例，阴极是用锑锑铯铯材料制成，其材料制成，其红限红限cc=700nm=700nm，对可见光范围，对可见光范围的入射光灵敏度比较高。适用于白光光源，被的入射光灵敏度比较高。适用于白光光源，被应用于各种光电式自动检测仪表中。应用于各种光电式自动检测仪表中。26对对红外光源红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外探测，常用银氧铯阴极，构成红外探测器。器。对对紫外光源紫外光源，常用锑铯阴极
20、和镁镉阴极。，常用锑铯阴极和镁镉阴极。国产光电管的技术参数国产光电管的技术参数27由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成阴极由半导体光电材料阴极由半导体光电材料锑铯锑铯做成，次阴极是做成，次阴极是在在镍或铜镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料铍的衬底上涂上锑铯材料形成。次阴极形成。次阴极可达可达3030级。通常为级。通常为1214级。级。使用时在各个倍增电极上均加上电压，阴极电使用时在各个倍增电极上均加上电压，阴极电位最低，以后依次升高，阳极最高。相邻两个位最低，以后依次升高，阳极最高。相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场。倍增电极之间有电位差，因此存在加
21、速电场。6.3.2 光电倍增管及其基本特性光电倍增管及其基本特性28IAKD1D2D3D4AR1R2R3R4R5RLUOUT29入入入入射射射射光光光光阴极阴极阴极阴极KK第第第第一一一一倍倍倍倍增增增增极极极极第第第第二二二二倍倍倍倍增增增增极极极极第第第第三三三三倍倍倍倍增增增增极极极极第第第第四四四四倍倍倍倍增增增增极极极极阳极阳极阳极阳极A A30光电倍增管的电流放大倍数为光电倍增管的电流放大倍数为如果如果n n个倍增电极二次发射电子的数目相同个倍增电极二次发射电子的数目相同,则则i in n 因此因此阳极电流为阳极电流为i i i in n,M M与所加的电压有关。一般阳极和阴极之间
22、的电与所加的电压有关。一般阳极和阴极之间的电压为压为100010002500V2500V，两个相邻的倍增电极的电位两个相邻的倍增电极的电位差为差为5050100V100V。主要参数：主要参数：1.1.倍增系数倍增系数M M：等于各个倍增电极的等于各个倍增电极的2 2次发射电子次发射电子数数i i的乘积。的乘积。31一个光子在阴极能够打出的平均电子数叫做光一个光子在阴极能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。电阴极的灵敏度。一个光子在阳极上产一个光子在阳极上产生的平均电子数叫光生的平均电子数叫光电倍增管的总灵敏度电倍增管的总灵敏度.(2)(2)光电阴极灵敏度和光电管的总灵敏度光电阴极灵敏度和光
23、电管的总灵敏度最大灵敏度可达最大灵敏度可达10A/lm10A/lm不能受强光照射。不能受强光照射。图图图图6-2 6-2 6-2 6-2 光电倍增管的特性光电倍增管的特性光电倍增管的特性光电倍增管的特性曲线曲线曲线曲线25 50 75 100 12525 50 75 100 12525 50 75 100 12525 50 75 100 125101010106 6 6 6极间电压极间电压极间电压极间电压/V/V/V/V倍增系数倍增系数倍增系数倍增系数MMMM101010105 5 5 5101010104 4 4 4101010103 3 3 332（3 3）暗电流和本底电流）暗电流和本底电
24、流由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流。种电流称为暗电流。在其受人眼看不到的宇宙射线的照射后，光电倍在其受人眼看不到的宇宙射线的照射后，光电倍增管会有电流信号输出增管会有电流信号输出本底脉冲。本底脉冲。4.4.光电倍增管的光谱特性光电倍增管的光谱特性与相同材料的光电管的相似。与相同材料的光电管的相似。336.4 内光电效应器件内光电效应器件6.4.1 光敏电阻光敏电阻1.光敏电阻的结构和光敏电阻的结构和工作原理工作原理A AE E电极电极电极电极半
25、导体半导体半导体半导体玻璃底板玻璃底板玻璃底板玻璃底板R RL LE EI IR RG G图图图图10-8 10-8 光敏电阻的结光敏电阻的结光敏电阻的结光敏电阻的结构与电路连接构与电路连接构与电路连接构与电路连接34如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压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的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小：小：35光敏电阻具有光敏电阻具有很高的灵敏度很高的灵敏度、很好的光谱特性、很好的光谱特性、很长的使用寿命、高度的稳定性能、小的体积很长的使用寿命、高度的稳定性能、小的体积及工艺简单及工艺简单，故应用广泛。，故应用广泛。
26、当光照射到当光照射到光电导体光电导体上时，而且光辐射能量又上时，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。致使光导体的电导率变大。362.2.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 1）暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、光电）暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、光电流流光敏电阻在未受到光照时的阻值称为光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗电阻暗电阻，此时流过的电流为此时流过的电流为暗电流。暗电流。在受到光照时的电阻称为在受到光
27、照时的电阻称为亮电阻，亮电阻，此时的电流此时的电流称为称为亮电流。亮电流。亮电流与暗电流之差为光电流。亮电流与暗电流之差为光电流。37（2 2）光照特性）光照特性用于描述光电流与光照强度之间的关系。用于描述光电流与光照强度之间的关系。多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般用做开关式的光电转换器。用做开关式的光电转换器。0.050.050.050.050.100.100.100.100.150.150.150.150.200.200.200.200.250.250.250.250 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00 0.2 0.4 0.6 0.8
28、1.00 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0光通量光通量光通量光通量/lm/lm/lm/lm光光光光电电电电流流流流/m m m mA A A A图图图图10-9 10-9 10-9 10-9 光敏电阻的光光敏电阻的光光敏电阻的光光敏电阻的光照特性照特性照特性照特性38（3 3）光谱特性）光谱特性硫化镉硫化镉的峰值在的峰值在可见光可见光(380-780)(380-780)区域，区域，硫化铅硫化铅的峰值在的峰值在红外红外区域。故选用时要把元件和光源区域。故选用时要把元件和光源结合起来考虑。结合起来考虑。图图6-3 6-3 光敏电阻的光谱特性光敏电阻的
29、光谱特性0 500 1000 1500 2000 25000 500 1000 1500 2000 25002020404060608080100100硫化镉硫化镉硫化镉硫化镉硫化铊硫化铊硫化铊硫化铊硫化铅硫化铅硫化铅硫化铅入射光波长入射光波长入射光波长入射光波长/nm/nm/nm/nm相相相相对对对对灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度/%39(4)(4)伏安特性伏安特性所加的所加的电压越高，电压越高，光电流越大，而光电流越大，而且没有饱和的现且没有饱和的现象。象。在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增大。而增大。0 10 20 30 40 500 10 2
30、0 30 40 505050100100150150200200250250I I I I/AAAAU UU U/V/V/V/V 图图图图6-4 6-4 6-4 6-4 光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性 40（5 5）频率特性频率特性时间常数：光敏电阻自停止光照起到电流下降时间常数：光敏电阻自停止光照起到电流下降为原来的为原来的63%63%所需要的时间。所需要的时间。入射光调制频率入射光调制频率入射光调制频率入射光调制频率/Hz/Hz/Hz/Hz相相相相对对对对灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度/%0 10 100 10 102 2 10 103 3 10 104
31、 42020404060608080100100硫化镉硫化镉硫化镉硫化镉硫化铅硫化铅硫化铅硫化铅图图图图6-5 6-5 6-5 6-5 光敏电阻的频率特性光敏电阻的频率特性光敏电阻的频率特性光敏电阻的频率特性 多数光敏电阻的多数光敏电阻的时间常数都很大。时间常数都很大。41(6)(6)温度特性温度特性峰值随温度上升向波长短的方向移动。峰值随温度上升向波长短的方向移动。20204040606080801001000 1.0 2.0 3.0 4.0 5.00 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 /m/m/m/m相对灵敏度（相对灵敏度（相对灵敏度（相对灵敏度（%）+20+20+20+20 C C
32、 C C-20-20-20-20 C C C C图图图图6-6 6-6 6-6 6-6 光敏电阻的光谱温度特性光敏电阻的光谱温度特性光敏电阻的光谱温度特性光敏电阻的光谱温度特性42初制成的光敏电阻，性能不稳定。但在人工加初制成的光敏电阻，性能不稳定。但在人工加温、光照及加负载情况下，性能可达稳定。光温、光照及加负载情况下，性能可达稳定。光敏电阻在最初的老化过程中，阻值会有变化，敏电阻在最初的老化过程中，阻值会有变化，但最后达到稳定值后就不再变化。这是光敏电但最后达到稳定值后就不再变化。这是光敏电阻的主要优点。阻的主要优点。光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的光敏电阻的使用寿命在密封良好、使
33、用合理的情况下几乎是无限长的。情况下几乎是无限长的。（7 7）稳定性）稳定性436.4.2 6.4.2 光电池光电池 光电池是利用光电池是利用光生伏特效应光生伏特效应把光直接转变成电把光直接转变成电能的光电器件。由于它可把太阳能直接转变为能的光电器件。由于它可把太阳能直接转变为电能，因此又称为电能，因此又称为太阳能电池太阳能电池。它有。它有较大面积较大面积的的PNPN结，结，当光照射在当光照射在PNPN结上时，在结的两端出结上时，在结的两端出现电动势。故光电池是现电动势。故光电池是有源元件。有源元件。44光电池有硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、光电池有硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、硫化铊
34、光电池、硫化镉光电池等。目前，应用最硫化铊光电池、硫化镉光电池等。目前，应用最广、最有发展前途的是广、最有发展前途的是硅光电池硅光电池和和硒光电池硒光电池。硅光电池硅光电池的价格便宜，转换效率高，寿命长，适的价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。于接受红外光。硒光电池硒光电池的光电转换效率低、寿的光电转换效率低、寿命短，适于接收可见光。命短，适于接收可见光。砷化镓光电池砷化镓光电池转换效率转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性与太阳光谱最吻比硅光电池稍高，光谱响应特性与太阳光谱最吻合，且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。合，且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。适于宇宙飞船、卫星、太空
35、探测器等方面应用。适于宇宙飞船、卫星、太空探测器等方面应用。451.1.光电池的结构和工作原理光电池的结构和工作原理图图图图6-7 6-7 6-7 6-7 光电池的结构图光电池的结构图光电池的结构图光电池的结构图下电极下电极下电极下电极梳状电极梳状电极梳状电极梳状电极SiOSiOSiOSiO2 2 2 2抗反射膜抗反射膜抗反射膜抗反射膜P P P PN N N N硅光电池的结构如硅光电池的结构如图。它是在一块图。它是在一块N N型型硅片上用扩散的办硅片上用扩散的办法掺入一些法掺入一些P P型杂质型杂质（如硼）形成（如硼）形成PNPN结。结。46图图图图6-8 6-8 6-8 6-8 光电池的工
36、作原理光电池的工作原理光电池的工作原理光电池的工作原理示意图示意图示意图示意图R R R RL L L LI I I I+mAmAmAmAV V V V-P NP NP NP N当光照到当光照到PNPN结区时，如果光子能量足够大，将在结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子结区附近激发出电子-空穴对，空穴对，在在N N区聚积负电荷，区聚积负电荷，P P区聚积正电荷，区聚积正电荷，这样这样N N区和区和P P区之间出现电位差。区之间出现电位差。若将若将PNPN结两端用导线连起结两端用导线连起来，电路中就有电流流过。来，电路中就有电流流过。若将外电路断开，就可测若将外电路断开，就可测出出
37、光生电动势。光生电动势。472.2.基本特性基本特性（）光谱特性（）光谱特性 故硒光电池适用于可见光，常用于分析仪器、故硒光电池适用于可见光，常用于分析仪器、测量仪表。如用照度计测定光的强度。测量仪表。如用照度计测定光的强度。硅硅光电池的光谱峰光电池的光谱峰值在值在800nm800nm附近，附近，硒的在硒的在540nm540nm附近。附近。2020404060608080100100硒硒硒硒硅硅硅硅入射光波长入射光波长入射光波长入射光波长 /nm/nm/nm/nm0 400 600 800 1000 12000 400 600 800 1000 1200相相相相对对对对灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度
38、/%图图图图6-9 6-9 6-9 6-9 光电池的光谱特性光电池的光谱特性光电池的光谱特性光电池的光谱特性48(2)(2)光照特性光照特性不同光照射下有不不同光照射下有不同光电流和光生电动同光电流和光生电动势。势。短路电流短路电流在很在很大范围内与光强成线大范围内与光强成线性关系。性关系。图图图图6-10 6-10 6-10 6-10 光电池的光照特性光电池的光照特性光电池的光照特性光电池的光照特性开路电压开路电压开路电压开路电压0.10.10.30.30.20.2照度照度照度照度/lx/lx/lx/lx0 2000 4000 0 2000 4000 光光光光生生生生电电电电流流流流/mmm
39、mA A A A0.20.20.60.60.40.4光光光光生生生生电电电电压压压压/V V V V短路电流短路电流短路电流短路电流开路电压开路电压与光强是非线性的，且在与光强是非线性的，且在2000 lx2000 lx时时趋于饱和。趋于饱和。光电池作为测量元件时，应把它作光电池作为测量元件时，应把它作为为电流源电流源的形式来使用，不宜用作电压源，且的形式来使用，不宜用作电压源，且负负载电阻越小越好载电阻越小越好。49(3)(3)频率特性频率特性硅硅光电池有很高的频率响应，可用于高速记数、光电池有很高的频率响应，可用于高速记数、有声电影等方面。有声电影等方面。光电池的频率特光电池的频率特性是反
40、映光的交性是反映光的交变频率和光电池变频率和光电池输出电流的关系。输出电流的关系。图图图图6-11 6-11 6-11 6-11 光电池的频率特性光电池的频率特性光电池的频率特性光电池的频率特性2020404060608080100100硒光电池硒光电池硒光电池硒光电池硅光电池硅光电池硅光电池硅光电池0 1500 3000 4500 6000 75000 1500 3000 4500 6000 7500相相相相对对对对光光光光电电电电流流流流/%入射光调制频率入射光调制频率入射光调制频率入射光调制频率/Hz/Hz/Hz/Hz50(4)(4)温度特性温度特性主要描述光电池的主要描述光电池的开路电
41、压开路电压和和短路电短路电流流随温度变化的情随温度变化的情况。况。开路电压开路电压随温度升高而下降的速度较快。随温度升高而下降的速度较快。短路电流短路电流随温度升高而缓慢增加。随温度升高而缓慢增加。因此作测量元件时应考虑进行温补。因此作测量元件时应考虑进行温补。图图图图6-12 6-12 6-12 6-12 光电池的温度特性光电池的温度特性光电池的温度特性光电池的温度特性开路电压开路电压开路电压开路电压温度温度温度温度/光光光光生生生生电电电电流流流流/m m m mA A A A1.81.81.81.82.22.22.22.22.02.02.02.0光光光光生生生生电电电电压压压压/V V
42、V V短路电流短路电流短路电流短路电流1001001001002002002002003003003003004004004004005005005005000 0 0 0 20 20 20 20 40 40 40 40 60 60 60 60 80 10080 10080 10080 100516.4.3 光敏晶体管光敏晶体管1.1.光敏二极管光敏二极管光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。光敏二极管的光照特性是线性的，适合检测等光敏二极管的光照特性是线性的，适合检测等方面的应用。方面的应用。R R R RL L L L 光光光光P P P PN
43、 N N NP P P PN N N N光光光光52PNRE+-If f53RE-+I当光照射时，光敏二极管处于导通状态。当光照射时，光敏二极管处于导通状态。当光不照射时，光敏二极管处于截止状态。当光不照射时，光敏二极管处于截止状态。PN54552.2.光敏三极管光敏三极管集电结一边做得很大，以扩大光的照射面积，且集电结一边做得很大，以扩大光的照射面积，且基极一般不接引线。基极一般不接引线。P PP PN N becN NN NP Pe bc56普通三极管普通三极管IC CIB BeEB BEC CIE ERC CRb bcbNNP57IC CeEC CIE ERC CcNNPb基区很薄，基区
44、很薄，基基极一般不接引极一般不接引线；线；集电极面集电极面积较大。积较大。光敏三极管光敏三极管583.3.光敏晶体管的主要特性光敏晶体管的主要特性(1)(1)光谱特性光谱特性 存在一个最佳灵敏度波长存在一个最佳灵敏度波长20204040606080801001004 400008 800001212000016160000入射光入射光入射光入射光波长波长波长波长/nmnm锗锗锗锗硅硅硅硅相对灵敏度（相对灵敏度（相对灵敏度（相对灵敏度（%）0 059(2)(2)伏安特性伏安特性0 01 12 23 34 4 5 5外加电压（外加电压（外加电压（外加电压（V V V V）20406080I I（m
45、AmA)2500Lx2500Lx2000Lx2000Lx1500Lx1500Lx1000Lx500Lx500Lx与一般晶体管在不同的基极电流时的输出特与一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。只需把光电流看作基极电流即可。性一样。只需把光电流看作基极电流即可。60(3)(3)光照特性光照特性1.01.02.02.03.03.0200200 400400 600600 800800 10001000LxLx0 0I(I(A)A)故光敏三极管既可做线性转换元件，故光敏三极管既可做线性转换元件，也可做也可做开关元件开关元件近似线性关近似线性关系。但光照系。但光照足够大时会足够大时会出现饱和现出现
46、饱和现象。象。61(4)(4)温度特性温度特性暗电流暗电流暗电流暗电流（mAmA)10103030505070700 025255050CC200200400400100100300300 500500光电流光电流光电流光电流（A)A)10103030505070700 0CC温度变化对光电流的影响很小，对暗电流的影响温度变化对光电流的影响很小，对暗电流的影响很大。故电子线路中应对暗电流进行温度补偿。很大。故电子线路中应对暗电流进行温度补偿。62(5)(5)频率特性频率特性减小负载电阻可以提高响应频率，但将使输出降减小负载电阻可以提高响应频率，但将使输出降低。故使用时要低。故使用时要根据频率选
47、择最佳的负载电阻根据频率选择最佳的负载电阻。硅管的响应频率比锗管的好硅管的响应频率比锗管的好。2020 404060608080100100相对灵敏度（相对灵敏度（相对灵敏度（相对灵敏度（%）f(kf(kHZHZ)1 11010 1001000 0RL=1kRL=1kRL=10kRL=10kRL=100kRL=100k636.5 新型光电传感器新型光电传感器6.5.1 高速光电二极管高速光电二极管1.PIN1.PIN结光电二极管结光电二极管P PI IN N P P、N N间加了层很厚的高电阻率间加了层很厚的高电阻率 的本征半的本征半 导体导体I I。P P层做的很薄层做的很薄。比普通的光电二
48、极管施加较高的反偏压。比普通的光电二极管施加较高的反偏压。64入射光照射在入射光照射在P P层上，层上，由于由于P P层很薄，大量的层很薄，大量的光被较厚的光被较厚的I I层吸收，层吸收，激发较多的载流子形激发较多的载流子形成光电流；又成光电流；又PINPIN结结光电二极管比光电二极管比PNPN结光结光电二极管施加较高的反偏置电压，使其耗尽层加宽。电二极管施加较高的反偏置电压，使其耗尽层加宽。当当P P型和型和N N型半导体结合后，在交界处形成电子和型半导体结合后，在交界处形成电子和空穴的浓度差别，因此，空穴的浓度差别，因此，N N区的电子要向区的电子要向P P区扩散，区扩散，P P区空穴向区
49、空穴向N N区扩散。区扩散。图图图图6-14 PIN6-14 PIN6-14 PIN6-14 PIN光电二极管光电二极管光电二极管光电二极管偏压偏压偏压偏压价带价带价带价带导带导带导带导带信号光信号光信号光信号光信号光信号光信号光信号光电极电极电极电极电极电极电极电极输出端输出端输出端输出端P I NP I NP I NP I N65PINPIN结光电二极管仍然具有一般结光电二极管仍然具有一般PNPN结光电二结光电二极管的线性特性。大大减小了漂移时间，因极管的线性特性。大大减小了漂移时间，因而提高了响应速度。而提高了响应速度。66 2.2.雪崩式光电二极管（雪崩式光电二极管（APDAPD）在在
50、PNPN结的结的P P区外增加一区外增加一层掺杂浓度极高的层掺杂浓度极高的P P+层，且在其上加上高反层，且在其上加上高反偏压。偏压。偏压偏压偏压偏压输出端输出端输出端输出端价带价带价带价带导带导带导带导带信号光信号光信号光信号光信号光信号光信号光信号光电极电极电极电极电极电极电极电极P P P P+P N P N P N P N图图图图6-15 6-15 6-15 6-15 雪崩式二极管雪崩式二极管雪崩式二极管雪崩式二极管射入的光被射入的光被射入的光被射入的光被P-NP-NP-NP-N结吸收后会形成光电流。加大反向偏压会产结吸收后会形成光电流。加大反向偏压会产结吸收后会形成光电流。加大反向偏