光电器件课件

1、 光电器件原理以及应用二维材料简介二维光电器件目录 光电器件原理以及应用二维材料简介二维光电器件 根据光的波粒二象性，可以认为光是一种以光速运动的粒子流，称为光子。每个光子具有的能量为 光照射某一物体，可以看作是一连串能量为E的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且一个光子的全部能量一次性地被一个电子吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应，称这种物理效应为光电效应。根据光电效应的不同机理，光电效应可分为三类：外光电效应、内光电效应和阻挡层光电效应。 光电效应光电器件原理与应用 紫外管外形 当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服

2、金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。紫外线光电器件原理与应用光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 /2 ，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。外光电效应hA0=g光电器件原理与应用

3、 当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。基于内光电效应的光电器件有光敏电阻。内光电效应导带价带禁带自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带Eg光半导体电子吸收能量（ ）跃迁电子-空穴对电导率增大 当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。光电器件原理与应用光敏电阻 当光敏电阻受到光照时，阻值减小。光电器件原理与应用光敏二极管外形 光敏二极管阵列 包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。光

4、电器件原理与应用光电池外形光敏面光电器件原理与应用EIU0RL1.光电管原理：光阴极光电子阳极空间电子流外接电阻压降U=f(I)（实现光电转换）特点：简单，灵敏度低 光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。两者结构相似，由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。光电器件原理与应用在入射光极为微弱时，光电倍增管能产生的光电流就很大光电倍增管：放大光电流组成：光电阴极+若干倍增极+阳极 光电倍增管原理：光阴极光电倍增极阳极电流特点：光电流大，灵敏度高倍增率=n ,-单极

5、倍增率（3-6）， n-倍增极数（4-14）光电器件原理与应用（1）光电管的伏安特性在一定的光照射下，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管的伏安特性。 真空光电管 充气光电管150100502020lm40lm60lm80lm100lm120lm4681012阴极电压/VIA/A2010050弱光强光1504681012阴极电压/VIA/A光电器件原理与应用（2）光电管的光照特性当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通量与光电流之间的关系。光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。光电管的光照特性光电器件原理与应用(3) 光电管的光谱特性 一般光电阴极材料不同的光电

6、管有不同的红限频率，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敏度不同。 以GD-4型光电管为例，阴极是用锑铯材料制成，其红限c=700nm，对可见光范围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。 对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外探测器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。还有些光电管的光谱特性与人的视觉光谱特性有很大差异，可以担负人眼不能胜任的工作，如夜视镜等。光电器件原理与应用光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。2、光敏电阻（光导管） 原理：电阻器件，加直流偏压，无极性 无光照-电子-空穴对很

7、少-电阻大(暗电阻) 有光照-电子-空穴对增多-导电性增强（亮电阻） 特点：很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。 结构：光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用硫状图案光电器件原理与应用光敏电阻RGRLEI光电器件原理与应用（2）光照特性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，一般用做开关式的光电转换器。光电器件原理与应用（3）光谱特性 硫

8、化镉的峰值在可见光区域，硫化铅的峰值在红外区域。故选用时要把元件和光源结合起来考虑。光电器件原理与应用（5） 频率特性 时间常数：光敏电阻自停止光照起到电流下降为原来的63%所需要的时间。多数光敏电阻的时间常数都很大。光电器件原理与应用(6) 温度特性峰值随温度上升向波长短的方向移动。光电器件原理与应用 初制成的光敏电阻，由于电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，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、使用合理的情况下几乎是无限长的。 （7）稳定性光

9、电器件原理与应用（1） PIN管结光电二极管 PIN管是光电二极管中的一种。在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于 I 层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。由式 = CjRL与 f =/2知，Cj小，则小，频带将变宽。 P-Si N-Si I-SiPIN管结构示意图特点：频带宽，可达10GHz。在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。不足：I层电阻很大，输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。 光电器件原理与应用（2） 雪崩光电二极管

10、(APD) 管子工作电压很高，约100200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。 噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。但由于APD的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。 光电器件原理与应用光敏晶体管 PPN becNNPe bc RL E 光敏三极管有PNP型和NPN型两种。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的很大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。当光线照

11、射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对,在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与发射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流,且集电极电流为光电流的倍。 光电器件原理与应用光敏晶体管的主要特性(1) 光谱特性 存在一个最佳灵敏度波长2040608010040080012001600入射光波长/nm锗硅相对灵敏度（%）0光电器件原理与应用(2)伏安特性01234 5外加电压（V）20406080I（mA)2500Lx2000Lx1500Lx1000Lx500Lx 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。光电器件原理与应用

12、(3)光照特性1.02.03.02004006008001000Lx0I(A) 近似线性关系。但光照足够大时会出现饱和现象。故光敏三极管既可做线性转换元件， 也可做开关元件。光电器件原理与应用(4)温度特性 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。光电器件原理与应用(5)频率特性 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。 20 406080100相对灵敏度（%）f(kHZ) 110 1000RL=1kRL=10kRL=100k光电器件原理与应用 光电池可把太阳能直接变电能，因此又称

13、为太阳能电池。基于光生伏特效应制成，是发电式有源元件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。目前,应用最广、最有发展前途的是硅光电池。1.硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。2.硒光电池光电转换效率低(0.02)、寿命短，适于接收可见光(响应峰值波长0.56m)，最适宜制造照度计，常用于分析仪器、测量仪表。3.砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。光电池光电器件原理与应用光电池+光PNSiO2RLI光 P N(a)

14、 光电池的结构图(b) 光电池的工作原理示意图 在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质(如硼)形成PN结。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。光电器件原理与应用光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。IUIdUIRLI光电池光电器件原理与应用（）光谱特性 硅光电池的光谱峰值在800nm附近，硒的在540nm附近。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

15、计测定光的强度。光电器件原理与应用(2) 光照特性不同光照射下有不同光电流和光生电动势。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压与光强是非线性的，且在2000 lx时趋于饱和。光电池作为测量元件时，应把它作为电流源的形式来使用，不宜用作电压源，且负载电阻越小越好。光电器件原理与应用(3) 频率特性 光电池的频率特性是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系。硅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。光电器件原理与应用 主要描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。开路电压随温度升高而下降的速度较快。短路电流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。(4)温

16、度特性光电器件原理与应用通常指光电器件输入光量与输出光电流或光电压之间的关系，表征光电器件的灵敏度。光电管的光照特性1表示氧铯阴极； 2为锑铯阴极255075100200.51.52.0/1mIA/ A1.02.51012345I/mA L/lx10002000光敏电阻的光照特性非线性不宜作定量检测元件，作光电开关光照特性光电器件原理与应用 指外加偏置电压一定时，光敏晶体管的输出电流和光照度的关系。光敏二极管的光照特性曲线的线性较好，而光敏三极管在照度小时，光电流随照度增加较小，并且在光照足够大时，输出电流有饱和现象。当光照足够大(几klx)时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元

17、件，也可作开关元件。硅光敏管的光照特性 光照特性光电器件原理与应用短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的，在光照度为20001x时就趋于饱和。检测连续变化的光照度时，应当尽量减小负载电阻，把它作电流源来使用。在光信号断续变化的场合，也可以把光电池作为电压源使用。 光电池的光照特性光照特性光电器件原理与应用 光电器件在不同波长的光照射下，由不同的灵敏度。一定材料的器件总对应着一定波长范围的入射光才会响应。阴极用锑铯材料，适用于白光光源，因而被广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中。对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外传感器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。光谱特性光电管光电器件

18、原理与应用 硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。204060801004080120160200240/m312相对灵敏度1硫化镉2硒化镉3硫化铅光谱特性光敏电阻光电器件原理与应用光谱特性一种光敏晶体管只对一定波长范围的人射光敏感。可见光或探测赤热状态物体时，一般用硅管。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。 硅和锗光敏晶体管的光谱特性 硒光电池在可见光谱范围内有较高灵敏度适宜测可见光。硅光电池在很宽的范围内应用。光电池的光谱特性 光电器件原理与

19、应用光电式传感器的应用模拟式传感器脉冲式传感器光电器件原理与应用1 模拟式光电传感器 传感器中光电元件接受的光通量随被测量连续变化，因此，输出的光电流也是连续变化的，并与被测量呈确定的函数关系，这类传感器通常有以下四种形式。 1)光源本身是被测物，它发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源的某些物理参数。这种型式的光电传感器可用于光电比色高温计和照度计。2)恒定光源发射的光通量穿过被测物，一部分被吸收，剩余的部分投射到光电元件上，吸收量取决于被测物的某些参数。可用于测量透明度、混浊度。 光电器件原理与应用模拟式光电传感器3)恒定光源发射的光通量投射到被测物上，由被测物表面反射后再投射

20、到光电元件上。反射光的强弱取决于被测物表面的性质和状态，因此可用于测量工件表面粗糙度、纸张的白度等。4)从恒定光源发射出的光通量在到达光电元件的途中受到被测物的遮挡，使投射到光电元件上的光通量减弱，光电元件的输出反映了被测物的尺寸或位置。这种传感器可用于工件尺寸测量、振动测量等场合。光电器件原理与应用1.比色式温度传感器温度非接触测量中的应用 比色式温度传感器采用比色式（双波段）测温原理实现对被测目标的非接触测温，用户不需知道物质的发射率。它抗烟雾、水蒸气和灰尘能力较强，不受窗口玻璃影响，能瞄准 ,测量小目标，可不考虑距离系数，可以不完全被目标充满，不需调焦就可准确测量。 比色温度计适于环境条

21、件恶劣的工业现场中使用，如 :烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现场。光源本身是被测物的应用实例 光电器件原理与应用2.红外线辐射温度计： 红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从-303000，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。食品温度测量集成IC 温度测量光电器件原理与应用红外线辐射温度计外形激光仅用于瞄准光电器件原理与应用1.光电比色高温计 1物镜；2平面玻璃；3光阑；4光导棒；5分光镜；6滤光片；7硅光电池；8滤光片；9硅光电池；10瞄准反射镜；11圆柱反射镜；12目镜

22、；13多夫棱镜14、15硅光电池负载电阻；16可逆电机；17电子电位差计被测物吸收光通量的应用实例光电器件原理与应用2.烟雾报警器外形 无烟雾时，光敏元件接收到LED发射的恒定红外光。而在火灾发生时，烟雾进入检测室，遮挡了部分红外光，使光敏三极管的输出信号减弱，经阀值判断电路后，发出报警信号。 烟雾报警光电器件原理与应用被测物体反射光通量的应用实例 1.反射式烟雾报警器 在没有烟雾时，由于红外对管相互垂直，烟雾室内又涂有黑色吸光材料，所以红外LED发出的红外光无法到达红外光敏三极管。 当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射（图中只画出几个微粒的反射示意），使部分红外光到达光敏三极

23、管，有光电流输出。光电器件原理与应用2.色标传感器 色标传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点，它是通过与非色标区相比较来实现色标检测，而不是直接测量颜色。现代化工业生产中，颜色检测和颜色识别等的应用越来越多。例如，在包装生产中机器要确定哪种产品放在什么颜色的包装中、如何保证产品的正面朝向包装盒的玻璃纸窗口等等。色标传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点，它是通过与非色标区相比较来实现色标检测，而不是直接测量颜色。流水线上检测产品的颜色产品包装色彩检测、分选光电器件原理与应用3.光电自动门自动门光电传感器放大图有效检测区域光电器件原理与应用4.光电式转速表 光电式转速表属于反射式光电传感器，它

24、可以在距被测物数十毫米外非接触地测量其转速。 n =60( f /z ) 光电器件原理与应用被测物遮挡光通量的应用实例 1.光电式带材跑偏检测器 光电传感器 带材走偏时，边缘经常与传送机械发生碰撞，易出现卷边，造成废品。 当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压Uo为零；当带材左偏时，遮光面积减小，输出电压反映了带材跑偏的方向及大小。 光电器件原理与应用2 脉冲式光电传感器 光电器件的输出仅有两个稳定状态，也就是“通”与“断”的开关状态。光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不受光照时，无电信号输出。这一类的大多是作继电器和脉冲发生器应用的光电传感器，如测量线位移、线速度、角位移、角

25、速度(转速)的光电脉冲传感器、光电计数和光电式转速测量等场合。光电器件原理与应用光电器件原理与应用光电器件原理与应用光电器件原理与应用光电器件原理与应用热释电传感器工作原理 热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是“视而不见”的。 光电器件原理与应用热释电传感器简介 热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在1938年，有人提出

26、过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代才又兴起了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。除了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机；电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的电路；开启监视器或自动门铃上的应用；摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等 您可以根据自己的奇思妙想，结合其他电路开发出更加优秀的新产品。或自动化控制装置。光电器件原理与应用2.热释电传感器在人体检测、报警中的应用 热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远

27、红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。 热释电元件外形 光电器件原理与应用热释电传感器应用 热释电传感器用于自动亮灯，当然也可以用于防盗热释电传感器的感应范围光电器件原理与应用热释电感应灯热释电传感器光电器件原理与应用热释电传感器在智能空调中的应用 智能空调能检测出屋内是否有人，微处理器据此自动调节空调的出风量，以达到节能的目的。 空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。上下范围左右范围光电器件原理与应用 光电器件原理以及应用二维材料简介二维光电器件二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料二维材料 光电器件原理以及应用二维材料简介二维光电器件Single-Layer MoS2 Phototransistors单层二硫化钼的光学照片、AFM，PL谱与场效应管二维材料光电器件A光电流与入射光波长（入射光的能量