no7.1 光电效应与光电元件

1、第七章 光电式传感器本章主要内容：光电式传感器是依据光电效应、利用光电器件将光学量转换成电学量的传感器。本章在阐述光电效应原理的基础上，介绍光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管和晶体管等光电器件。要求初步了解光电式传感器的原理及应用。第一讲 光电效应和光电元件第一讲 光电效应和光电元件教学目的要求：1.掌握光波长与光子能量的关系、外光电效应及其两个基本概念。 2.掌握内光电效应、光导效应原理，了解光敏电阻的结构；掌握光敏电阻的工作原理、灵敏度与暗亮电阻的关系和光电特性的特点。 3.掌握光敏二极管和晶体管的结构、工作原理及光电特性。4.掌握硒、硅光电池的结构、工作原理、光电特性。5.掌握光电

2、耦合器件的工作原理与应用。教学重点：各光电元件的结构原理教学难点：光电元件的特性参数教学学时：4学时教学内容：一、光电效应1. 外光电效应定义：在光线作用下，电子获得光子的能量从而脱离正电荷的束缚，使电子逸出物体表面，这种效应称为外光电效应，这种现象称为光电发射。光电效应的基本规律： 说明：（1）电子能否逸出物体表面取决于光子频率，与光强无关，光强再大也不会产生光电发射。（2）如果产生了光电发射，在入射光频率不变的情况下，逸出的电子数目与光强成正比。2. 内光电效应定义：物体受光照射后，其内部的原子释放出电子，这些电子仍留在物体内部，使物体的电阻率发生变化或产生光电动势的现象称为内光电效应。分

3、类：内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。二、光电元件1.光电管1）光电管的结构及工作原理 结构：阴极，阳极和玻璃壳原理；当入射光照射在阴极上时，阴极就会发射电子，由于阳极的电位高于阴极，在电场力的作用下，阳极便收集到由阴极发射出来的电子，因此，在光电管组成的回路中形成了光电流I，并在负载电阻上输出电压。 （a） (b) 图7-2 光电管的结构及工作原理2）光电管的主要性能指标 （1）光电管的伏安特性光电管的伏安特性是指在一定的光通量照射下，其阳极与阴极之间的电压与光电流I之间的关系。 图7-3 光电管的伏安特性 （2）光电管的光谱特性光电管的光谱特性通常是指阳极和阴极之间所加电压不变时

4、，入射光的波长（或频率）与其绝对灵敏度的关系。它主要取决于阴极材料，不同阴极材料的光电管适用于不同的光谱范围。 （3）光电管的光照（电）特性光照（电）特性是指光电管阳极电压和入射光频谱不变的条件下，入射光的光通量与光电流之间的关系。（4） 光电管的暗电流 如果将光电管置于无光的黑暗环境中，当施加正常的使用电压时，光电管将产生微弱的电流，此电流称为暗电流。光电管的暗电流主要是由漏电流引起的。 图 7-4 光电管的光电特性2.光电倍增管1）光电倍增管的结构和工作原理 结构：光电倍增管由光阴极、次阴极（倍电极）以及阳极三部分组成，其结构如图7-5（a）所示。光阴极由半导体材料锑铯制成；次阴极是在镍或

5、铜-铍衬底上涂锑铯材料而形成的，通常为1214级，多者达30级；阳极是最后用来收集电子的，它输出的是电压脉冲。原理：利用倍增极产生二次发射使光电流放大。 (a) (b) 图7-5光电倍增管的结构及电路2）光电倍增管的主要参数和特性（1）光电倍增管的倍增系数与工作电压的关系 光电倍增管若倍增极的二次电子发射系数为，则具有n个相同倍增极的光电倍增管的倍增系数为 因此阳极电流为 式中， 光阴极的光电流此光电倍增管的电流放大倍数为 （2）光电倍增管的伏安特性 图7-7 光电倍增管的伏安特性 图7-8 光电倍增管的光电特性（3）光电倍增管的光电特性（4）光电倍增管的暗电流3.光敏电阻1）光敏电阻的结构和

6、工作原理(a)光敏电阻结构； (b)光敏电阻电极； (c)光敏电阻接线图图 79 光敏电阻结构制作工艺：在玻璃基片上镀光敏材料，外覆盖漆膜（对应光谱特性的滤光材料）原理：无光照高阻，有光照低阻2）光敏电阻的技术特性和主要参数（1）暗电阻、暗电流 （2）亮电阻、光电流 ，具体如下表；材料敏感范围暗电阻亮电阻响应速率硫化镉0.31m（可见光）大于1M小于1K102硫化铅0.53m（近、中红外）大于2M小于1K104（3）光敏电阻的光电特性 （4）光谱特性 图7.10 硒光敏电阻的光电特性 图7.11光敏电阻的光谱特性 图7-12 硫化镉光敏电阻的伏安特性 图7-13 光敏电阻的频率特性（5）伏安特

7、性 （6）频率特性 这里所说的频率不是入射光的频率，而是指入射光强度变化的频率。4.光敏二极管、光敏三极管光敏二极管：处于反向工作状态，在没有光照射时，反向电阻很大，暗电流。当光照射在PN结上时，光子打在PN结附近， 形成光电流。光敏三极管：基极无引出线, 集电极相对于发射极为正的电压。当光照射在集电结上时, 就会在结附近产生电子-空穴对，从而形成光电流，相当于三极管的基极电流。因此集电极电流是光生电流的倍，所以光敏晶体管有放大作用。二极管和三极管的感光机理一样，材料为硅、锗， (a)光硅敏二极管；(b)硅光敏三极管图715 硅光敏管的伏安特性硅敏感可见光；锗敏感红外光。 5. 光电池1）光电

8、池的结构与工作原理以硅光电池为例：结构：硅光电池是在一块N型硅片上，用扩散的方法掺入一些P型杂质（如硼）形成一个大面积的PN结。原理：当入射光子的能量足够大时，P区每吸收一个光子就产生一对光生电子空穴对，在表面对光子的吸收最多，激发出的电子空穴对也最多，越向内部越小，因此，光生电子空穴对的浓度由表面向内部迅速下降，形成由表及里扩散的自然趋势。在PN结内电场的作用下，使扩散到PN结附近的电子空穴对分离，电子被拉到N型区，空穴则留在P型区，使N区带负电，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，新的平衡状态建立后，PN结两侧就有一个稳定的光电流或光生电动势输出。 2）光电池的主要特性短路电流：线

9、形特性，等效成电流源开路电压：开关特性，等效成电压源6.光电耦合器件结构：光电耦合器件是将发光元件与受光器件组合在同一个密封体内的组合器件，即将发光元件、受光器件及信号处理电路集成在一块芯片上。原理：工作时，将信号加到输入端，使发光元件发光，照射到受光器件使之输出光电流，从而实现电光电两次转换，通过光实现了输入端和输出端之间的耦合。特点：（1）光电耦合器件实现了以光为媒介的传输，因而，保证了输入端和输出端之间的隔离，使输入端和输出端之间的绝缘电阻很高，一般都大于，耐压也很高，具有良好的隔离性。（2）具有信号的单向传输和不可逆性。信号只能从发光源单向传输到受光器件，而不会可逆传输，传输信号不会影

10、响输入端。（3）发光源使用砷化镓发光二极管，它具有低电阻的特点，可以抑制干扰，消除噪声。（4）响应速度快，可用于高频电路。（5）结构简单，无触点，体积小，寿命长。 图7-28 4N28光电耦合器本 讲 小 结本章首先介绍了光电效应（外光电效应、内光电效应及光生伏特效应），在此基础上相继讨论了光电管、光电倍增管、光电二极管、光电三极管、光电池、光电耦合器等光电器件的原理、特性。1.光电效应就是由于物体吸收为的光子能量后产生的电效应。光电效应分为两类，即外光电效应和内光电效应。电子获得光子的能量从而脱离正电荷的束缚,使电子逸出物体表面的这种效应称为外光电效应；物体受光照射后，其内部的原子释放出电子

11、，这些电子仍留在物体内部，使物体的电阻率发生变化或产生光电动势的现象称为内光电效应。2.光电管和光电倍增管都是由一个涂有光电材料的阴极K和一个阳极A封装在玻璃壳内构成的，不同之处在于光电倍增管有倍增电极而光电管没有。因此，在很微弱的光照时，光电倍增管能够产生很大的光电流。描述光电管和光电倍增管的主要性能指标有：伏安特性、光谱特性、光照（电）特性、 暗电流等。3.光敏电阻是利用光导材料的内光电效应制成的没有极性的电阻器件。描述光敏电阻的主要参数有暗电阻、暗电流，亮电阻、光电流，光电特性，光谱特性，伏安特性，频率特性，温度特性等。4光电二极管和光电三极管都是利用PN结的光敏特性原理制成的。不同之处在于光电三极管具有放大作用，其灵敏度比光电二极管高。描述光电二极管和光电三极管的主要参数有最高反向工作电压、暗电流、光电流、响应时间、光谱特性、伏安特性、光电特性、温度特性、时间常数、频率特性等。5光电池是在光照下，直接能将光通量转变为电动势的一种光电元件。光电池的主要特性参数有：光谱特性、频率特性、 伏安特性、 光电特性、 温度特性等。6光电耦合器件是将发光元件与受光器件组合在同一个密封体内的组合器件，光电耦合器件将发光元件