传感器第七章光电式传感器

传感器第七章光电式传感器第1页，课件共120页，创作于2023年2月第一节概述一、光的特性二、光源（发光器件）

1、白炽光源

2、气体放电光源

3、发光二极管

4、激光器第2页，课件共120页，创作于2023年2月1000,000nm10nm780nm380nm可见光红外光线紫外线可见光：波长380—780nm紫外线：波长10—380nm

波长300—380nm称为近紫外线

波长200—300nm称为远紫外线

波长10—200nm称为极远紫外线红外线：波长780—106nm

波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线

波长超过3μm的红外线称为远红外线光波：波长为10—106nm的电磁波一、光的特性第3页，课件共120页，创作于2023年2月二、光源（发光器件）1、白炽光源

最为普通的是用钨丝通电加热作为光辐射源。一般白炽灯的辐射光谱是连续的。发光范围：320nm~2500nm,所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。特点：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，是可取之处。第4页，课件共120页，创作于2023年2月2、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气体放电灯。

光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。

汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。第5页，课件共120页，创作于2023年2月

低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长为589nm，可被用作单色光源。光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如照明日光灯。气体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/3。第6页，课件共120页，创作于2023年2月构成：由半导体PN结构成。特点：工作电压低、工作电流很小；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。

3、发光二极管（LED—LightEmittingDiode）+-第7页，课件共120页，创作于2023年2月与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表：材料波长/nm材料波长/nmZnS340CuSe-ZnSe400～630SiC480ZnxCd1-xTe590～830GaP565,680GaAs1-xPx550～900GaAs900InPxAs1-x910～3150InP920InxGa1-xAs850～1350LED材料第8页，课件共120页，创作于2023年2月4、激光器激光（Laser:Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一。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。激光波长一般从0.15μm到远红外整个光频波段范围。X-射线激光器。第9页，课件共120页，创作于2023年2月激光器种类繁多，按工作物质分类：固体激光器（如红宝石激光器）气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）液体激光器（染料激光器）。半导体激光器（如砷化镓激光器）第10页，课件共120页，创作于2023年2月第二节光电效应与光电器件一、外光电效应二、内光电效应三、基本概念四、外光电效应器件五、内光电效应器件六、应用举例第11页，课件共120页，创作于2023年2月被测量光信号的变化UIf光电传感器测量电路定义：利用光电器件把光信号转换成电信号（电压、电流、电阻等）的装置。构成：光源、光学通路、光电元件。应用：光量变化的非电量；能转换成光量变化的其他非电量。特点：非接触；响应快；性能可靠。第12页，课件共120页，创作于2023年2月一、外光电效应

定义：在光照射下,电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应,亦称光电发射效应。1887年，首先是赫兹（M.Hertz）在证明波动理论实验中首次发现的；

1902年，勒纳（Lenard)也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量从表面逸出的现象。但无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。第13页，课件共120页，创作于2023年2月

爱因斯坦光子假设：光在空间传播时，是不连续的，也具有粒子性，即一束光是一束以光速运动的粒子流，爱因斯坦把这些不连续的量子称为“光量子”。

1926年，美国物理学家刘易斯把这一名词改称为“光子”，沿用至今。第14页，课件共120页，创作于2023年2月每个光子的能量：

h—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）

可以看出光的波长越短，频率越高，光子能量也越大。第15页，课件共120页，创作于2023年2月第16页，课件共120页，创作于2023年2月m—电子质量；v0—电子逸出速度。爱因斯坦光电方程：入射光成分不变，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。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2。基于外光电效应的光电器件：光电管、光电倍增管第17页，课件共120页，创作于2023年2月第二节光电效应与光电器件一、外光电效应二、内光电效应三、基本概念四、外光电效应器件五、内光电效应器件六、应用举例1、光电导效应2、光生伏特效应第18页，课件共120页，创作于2023年2月二、内光电效应

当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应。

1、光电导效应

在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。（器件：光敏电阻）第19页，课件共120页，创作于2023年2月自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带导带价带禁带Eg

为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即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，光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，使光导体的电导率变大。第20页，课件共120页，创作于2023年2月第21页，课件共120页，创作于2023年2月2、

光生伏特效应

在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应（器件：光电池和光敏二极管、光敏三极管）。

①势垒效应（结光电效应）光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势，这就是结光电效应。+++---+-PN第22页，课件共120页，创作于2023年2月②侧向光电效应

当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分产生电子空穴对，载流子浓度比未受光照部分的大，出现了载流子浓度梯度，引起载流子扩散，如果电子比空穴扩散得快，导致光照部分带正电，未照部分带负电，从而产生电动势，即为侧向光电效应。光电器件如半导体光电位置敏感器件（PSD）。第23页，课件共120页，创作于2023年2月第二节光电效应与光电器件一、外光电效应二、内光电效应三、基本概念四、外光电效应器件五、内光电效应器件六、应用举例1、暗电流2、响应度3、光谱4、等效噪声功率NEP第24页，课件共120页，创作于2023年2月三、基本概念1、暗电流

光传感器接入电路后即使没有光照射，由于热电子发射、场致发射和晶格振荡激发载流子，使电路有电流输出，此电流称为暗电流，也称随机电流。2、响应度光传感器输出的电压或电流与光通量之比。第25页，课件共120页，创作于2023年2月3、光谱光传感器输出与输入光波长的关系曲线。4、等效噪声功率NEP

即能够产生与传感器输出噪声电压或电流相等的入射光功率的大小。反映最小可探测的光的功率。第26页，课件共120页，创作于2023年2月第二节光电效应与光电器件一、外光电效应二、内光电效应三、基本概念四、外光电效应器件五、内光电效应器件六、应用举例（一）、光电管及其基本特性1、结构与工作原理2、主要性能（二）、光电倍增管及其基本特性1、结构和工作原理2、主要参数第27页，课件共120页，创作于2023年2月四、外光电效应器件（一）、光电管及其基本特性1.结构与工作原理

当光照射在阴极上时，中央阳极可以收集从阴极上溢出的电子，在外电场作用下形成电流I。

光阳极光窗光电阴极第28页，课件共120页，创作于2023年2月（1）内充有少量的惰性气体，如氩、氖；（2）当充气光电管的阴极被光照射后，光电子在飞向阳极的过程中，和气体的原子发生碰撞使气体电离；（3）增大了光电流，从而使灵敏度增加；（4）但导致充气光电管的光电流与入射光强度不成比例，因而稳定性较差。充气光电管第29页，课件共120页，创作于2023年2月第30页，课件共120页，创作于2023年2月真空光电管充气光电管150100502020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm4681012阴极电压/VIA/μA2010050弱光强光1504681012阴极电压/VIA/μA2、主要性能：伏安特性、光照特性、光谱特性（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。第31页，课件共120页，创作于2023年2月（2）、光电管的光照特性

指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。225507510000.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.51光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。1-银氧铯阴极2-锑铯阴极第32页，课件共120页，创作于2023年2月

（3）、光电管光谱特性

保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。

同一光电管对于不同频率光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。

所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。第33页，课件共120页，创作于2023年2月对红外光源，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。国产光电管的技术参数

锑钾钠铯阴极光谱范围较宽，为3000~8500Å，灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极；也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异，可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。第34页，课件共120页，创作于2023年2月

光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。如核仪器中闪烁探测器都使用的是光电倍增管做光电转换元件。光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。（二）、光电倍增管及其基本特性第35页，课件共120页，创作于2023年2月（二）、光电倍增管及其基本特性1.结构和工作原理组成：光阴极(K)、次阴极(倍增电极)(Di)、阳极(A)

光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105～108倍。

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。相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场。第36页，课件共120页，创作于2023年2月入射光光电阴极第一倍增极阳极第三倍增极

由于相邻两个倍增电极之间有电位差，因此，存在加速电场，从阴极打击出的光电子，在电场的加速下，打到第一个倍增电极上，引起二次电子发射，每个电子能从这倍增电极上打出3~6倍的次级电子，被打出的次级电子再经电场加速，打在第三倍增电极上，电子数又增加3~6倍，如此不断倍增下去，阳极作后收集到的电子数将达到105-108倍的光电子。

各个倍增极均加电压，阴极电位最低，各个倍增极的电位依次升高，阳极电位最高，同时这些倍增电极在一定能量的电子轰击下，能够产生更多的次级电子。第37页，课件共120页，创作于2023年2月第38页，课件共120页，创作于2023年2月2、主要参数（1）倍增系数M

如果n个倍增电极的δ都相同，则M=因此，阳极电流I为i—光电阴极的光电流光电倍增管的电流放大倍数β为

103104105106255075100125极间电压/V

放大倍数M与所加电压有关，M在105~108之间，稳定性为1％左右，加速电压稳定性要在0.1％以内。如果有波动，倍增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极之间的电压为1000~2500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50~100V。对所加电压越稳越好，这样可以减小统计涨落，从而减小测量误差。

第39页，课件共120页，创作于2023年2月

（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度

阴极灵敏度：一个光子在光电倍增管的阴极上能够打出的平均电子数。

总灵敏度：一个光子在阳极上产生的平均电子数。

注意：极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。

最大灵敏度可达10A/lm不能受强光照射。第40页，课件共120页，创作于2023年2月

（3）暗电流和本底脉冲

暗电流：

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，这种电流称为暗电流。

本底电流：

如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，本底电流具有脉冲形式。

第41页，课件共120页，创作于2023年2月光电倍增管的光照特性与直线最大偏离是3%10－1310－1010－910－710－510－310－1在45mA处饱和10－1410－1010－610－2光通量/1m阳极电流/A（4）光电倍增管的光谱特性第42页，课件共120页，创作于2023年2月国产光电倍增管的技术参数第43页，课件共120页，创作于2023年2月第二节光电效应与光电器件一、外光电效应二、内光电效应三、基本概念四、外光电效应器件五、内光电效应器件六、应用举例（一）、光敏电阻1、光敏电阻的结构2、光敏电阻的主要参数和基本特性（二）、光电池1、光电池的结构和工作原理2、基本特性1、光敏二极管（三）、光敏二极管和光敏三极管2、高速光电二极管3、光敏三极管（四）光电耦合器件第44页，课件共120页，创作于2023年2月五、内光电效应器件

（一）、光敏电阻

光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。1、光敏电阻的结构AE电极半导体玻璃底板RLEIRG在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，称为光导层。半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。为了提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案。第45页，课件共120页，创作于2023年2月光敏电阻连接到外电路：第46页，课件共120页，创作于2023年2月第47页，课件共120页，创作于2023年2月2.光敏电阻的主要参数和基本特性

（1）暗电流、亮电流、光电流暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流为暗电流。亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流为亮电流。光电流：亮电流与暗电流之差。光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。第48页，课件共120页，创作于2023年2月（2）光照特性用于描述光电流与光照强度之间的关系。0.050.100.150.200.2500.20.40.60.81.0光通量/lm光电流/mA多数是非线性的；不宜做线性测量元件;多做开关式的光电转换器。第49页，课件共120页，创作于2023年2月（3）光谱特性

0500100015002000250020406080100硫化镉硫化铊硫化铅入射光波长/nm相对灵敏度/%

硫化镉的峰值在可见光区域，

硫化铅的峰值在红外区域。选用时把元件和光源结合起来考虑。光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。第50页，课件共120页，创作于2023年2月

（4）伏安特性

在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与光电流之间的关系称为伏安特性。0102030405050100150200250I/μAU/V

在一定的光照度下，所加的电压越高，光电流越大，而且没有饱和的现象。

在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增大。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。第51页，课件共120页，创作于2023年2月

（5）频率特性

实验证明，光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数（毫秒数量级），因而它们的频率特性也就各不相同。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。入射光调制频率/Hz相对灵敏度/%

01010210310420406080100硫化镉硫化铅多数光敏电阻的时间常数都很大。所以，它不能用在要求快速响应的场合。第52页，课件共120页，创作于2023年2月（6）温度特性I/μA100150200-50-10305010-30T/ºC1002040608001.02.03.04.05.0λ/μmI/mA+20ºC-20ºC

随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。

提高灵敏度(接收较长波段的辐射):将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。第53页，课件共120页，创作于2023年2月初制成的光敏电阻，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）稳定性第54页，课件共120页，创作于2023年2月（二）、光电池

定义：利用光生伏特效应把光直接转变成电能的光电器件(太阳能电池)。

特点：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。故光电池是有源元件。

分类：硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池等。目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池和硒光电池。第55页，课件共120页，创作于2023年2月通信卫星上的光电池第56页，课件共120页，创作于2023年2月

硅光电池的价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。

硒光电池的光电转换效率低、寿命短，适于接收可见光。

砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，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。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等的电源方面应用最广。第57页，课件共120页，创作于2023年2月1、光电池的结构和工作原理下电极梳状电极SiO2抗反射膜PN

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。IU光电池的表示符号基本电路第58页，课件共120页，创作于2023年2月第59页，课件共120页，创作于2023年2月

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。RLI---mAV+++PN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。第60页，课件共120页，创作于2023年2月第61页，课件共120页，创作于2023年2月（1）光照特性开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为2000lx时趋向饱和。短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线。2.基本特性开路电压0.10.30.2照度/lx020004000光生电流/mA0.20.60.4光生电压/V短路电流

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。第62页，课件共120页，创作于2023年2月(2)光谱特性

硅光电池应用的范围400nm—1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。

硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜测可见光。常用于分析仪器、测量仪表，如用照度计测定光的强度。20406080100硒硅入射光波长λ/nm040060080010001200相对灵敏度/%第63页，课件共120页，创作于2023年2月（3）温度特性指开路电压和短路电流随温度变化的关系。开路电压温度/℃光生电流/mA1.82.22.0光生电压/V短路电流100200300400500020406080100开路电压随温度升高而下降的速度较快。

关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。短路电流随温度升高而缓慢增加。第64页，课件共120页，创作于2023年2月(4)频率特性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。20406080100硒光电池硅光电池015003000450060007500相对光电流/%入射光调制频率/Hz第65页，课件共120页，创作于2023年2月1.光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。PN光光敏二极管符号光敏二极管接线RL

光PN（三）、光敏二极管和光敏三极管

光敏二极管的光照特性是线性的，适合检测等方面的应用。第66页，课件共120页，创作于2023年2月第67页，课件共120页，创作于2023年2月REIPN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，反向电阻很大，光敏二极管处于载止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流；受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。第68页，课件共120页，创作于2023年2月第69页，课件共120页，创作于2023年2月2、高速光电二极管（1）PIN结光电二极管PINP、N间加了层很厚的高电阻率的本征半导体I。P层做的很薄。。比普通的光电二极管施加较高的反偏压。第70页，课件共120页，创作于2023年2月

入射光照射在P层上，由于P层很薄，大量的光被较厚的I层吸收，激发较多的载流子形成光电流；又PIN结光电二极管比PN结光电二极管施加较高的反偏置电压，使其耗尽层加宽。当P型和N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，N区的电子要向P区扩散，P区空穴向N区扩散。偏压价带导带信号光信号光电极电极输出端PIN第71页，课件共120页，创作于2023年2月P区一边失去空穴，留下带负电的杂质离子，N区一边失去电子，留下带正电的杂质离子，在PN交界面形成空间电荷（很薄的空间电荷区），在该区域中，多数载流子已扩散到对方而复合掉，即消耗尽了，耗尽层的电阻率很高。扩散越强，耗尽层越宽，PN结内电场越强，加速了光电子的定向运动，大大减小了漂移时间，因而提高了响应速度。PIN结光电二极管仍然具有一般PN结光电二极管的线性特性。偏压价带导带信号光信号光电极电极输出端PIN第72页，课件共120页，创作于2023年2月第73页，课件共120页，创作于2023年2月

（2）雪崩式光电二极管（APD）

在PN结的P区外增加一层掺杂浓度极高的P+层，且在其上加上高反偏压。偏压输出端价带导带信号光信号光电极电极P+

PN第74页，课件共120页，创作于2023年2月

当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电子-空穴对。如果电压增加到使电场达到200kV/cm以上，初始电子（一次电子）在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子-空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增，构成强大的光电流。第75页，课件共120页，创作于2023年2月3、光敏三极管PPNbecNNPebC

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。第76页，课件共120页，创作于2023年2月普通三极管ICIBeEBECIERCRbcbNNP第77页，课件共120页，创作于2023年2月光敏三极管ICIBeEBECIERCRbcbNNP基区很薄；基极不接引线；集电极面积较大。第78页，课件共120页，创作于2023年2月

当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。当光线照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β倍。

RLE第79页，课件共120页，创作于2023年2月（1）光谱特性光敏三极管的主要特性：

存在一个最佳灵敏度的峰值波长2040608010040080012001600入射光波长/nm锗硅相对灵敏度（%）0硅的峰值波长为9000Å，锗的峰值波长为15000Å。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。第80页，课件共120页，创作于2023年2月（2）伏安特性500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA024620406080光敏晶体管的伏安特性U/V

同一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。只要将入射光照在发射极e与基极b之间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。第81页，课件共120页，创作于2023年2月光敏晶体管的光照特性（3）光照特性

故光敏三极管既可做线性转换元件，也可做开关元件。近似线性关系。但光照足够大时会出现饱和现象。I/μAL/lx200400600800100001.02.03.0第82页，课件共120页，创作于2023年2月暗电流/mA10203040506070T/ºC25

050光电流/mA100

02003004001020304050607080T/ºC（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。光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。第83页，课件共120页，创作于2023年2月（5）光敏三极管的频率特性

20

406080100相对灵敏度（%）f(kHZ)

1101000RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ

频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。

对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。

硅管的频率响应要比锗管好。实验证明，光敏三极管的截止频率和它的基区厚度成反比关系。如果要求截止频率高，那么基区就要薄；但基区变薄，光电灵敏度将降低，在制造时要适当兼顾两者。第84页，课件共120页，创作于2023年2月（四）光电耦合器件组成：

发光元件(如发光二极管)和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。分类:

光电耦合器:用于实现电隔离;

光电开关:用于检测有无物体。第85页，课件共120页，创作于2023年2月1.光电耦合器

发光元件和接收元件封装在一个外壳内；有金属封装和塑料封装两种；发光器件采用砷化镓发光二极管，其管芯由一个PN结组成，随着正向电压的增大，正向电流增加，发光二极管产生的光通量也增加；光电接收元件是光敏二极管和光敏三极管，也可以是达林顿光敏管。第86页，课件共120页，创作于2023年2月2.光电开关利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”、“关”信号的器件。

光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作为光控制和光探测装置。可在自动控制系统中用作物体检测，产品计数，料位检测，尺寸控制，安全报警及计算机输入接口等。

第87页，课件共120页，创作于2023年2月第二节光电效应与光电器件一、外光电效应二、内光电效应三、基本概念四、外光电效应器件五、内光电效应器件六、应用举例第88页，课件共120页，创作于2023年2月

光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式：六、应用举例第89页，课件共120页，创作于2023年2月1、光电转速传感器231231第90页，课件共120页，创作于2023年2月第91页，课件共120页，创作于2023年2月

2、感烟传感器(火灾报警器的一部分)

由红外发光二极管及光电三极管组成，但二者不在同一平面上(有一定角度)。在无烟状态时，光电三极管接收不到红外线；当发生火灾时，产生大量烟雾，烟雾粒子进入感烟传感器时，由于红外线受烟雾粒于折射作用，光电三极管接收到红外线，给出烟雾报警信号。第92页，课件共120页，创作于2023年2月

3、光电液位检测在液体未升到发光二极管及光电三极管平面时，红外发光二极管发出的红外线不会被光电三极管接收；当液位上升到发光二极管及光电三极管平面时，出于液体的折射，光电三极管接收到红外信号由此获得液位信号。第93页，课件共120页，创作于2023年2月

4、光电开关的应用下图为检测生产流水线上瓶盖及商标的实例。除记数外，还可进行位置检测(如装配体有没有到位)、质量检查(如瓶盖是否压上，标签是否漏贴等)。第94页，课件共120页，创作于2023年2月

5、自动切断控制的实例可以根据被测物的特定标记进行自动控制(如根据特定的标记检测后进行自动切断、封口等)。光电开关主要用于自动包装机、自动灌装机、自动封装机、自动或半自动装配流水线等自动化机械装置。第95页，课件共120页，创作于2023年2月6、防盗报警电路将光电断路器安装于抽屉的背后，并设一电源开关于隐蔽的地方，当需要防盗时将开关合上。平时由于挡板插入槽口，光电三极管仅有暗电流，BG不导通，继电器J不吸合。当小偷撬开抽屉时，一拉开抽屉则挡板离开槽口，光电三极管的光电流使R2上产生接近电源的电压，BG导通，继电器吸合，发出报警信号。这种装置同样可以安装在门窗上起防盗报警作用。第96页，课件共120页，创作于2023年2月

7、自动照明灯

D1为触发二极管，触发电压约30v左右。在白天时，光敏电阻的阻值低，其分压低于30v(A点)，触发二极管截止，双向可控硅无触发电流，T1、T2之间呈断开状态；天暗后，光敏电阻阻值增加，A点电压大于30v，触发二极管导通，双向可控硅呈导通状态，电灯亮。

R1、C1为保护双向可控硅的吸收电路。第97页，课件共120页，创作于2023年2月

正常强度光照在光敏电阻上，因阻值较小，端压小于0.5V，电路中三极管截止，即流过三极管T和小白炽灯泡的电流趋于零，灯暗，当光照逐渐变暗，光敏电阻阻值变大，三极管逐渐导通，流过三极管和灯的电流逐渐变大，灯D逐渐变亮。入射光敏电阻的照度为零时，灯最亮。二极管D的作用是保护三极管，防止大反向电压加在三极管的be两极。第