第7讲-光电效应和光电器件

光电传感器的组成光电效应光电器件光电效应和光电器件主要内容光电传感器的组成光电效应光电器件光电传感器的组成光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号转变成为电信号的器件。光电传感器的组成能直接引起光量变化的被测量：光强、辐射温度、气体成分等；能在光传播过程中调制光量的被测量：零件尺寸、形状、位移、加速度、转速等光电效应概念：物体吸收光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。分类光电效应外光电效应内光电效应光电导效应光生伏特效应一.外光电效应在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光电效应能否产生,取决于光子的能量是否大于该物质表面的电子逸出功。这意味着每一种物质都有一个对应的光频阀值,称为红限频率（对应的光波长称为临界波长）。f光线<f红限,再大的光强也不能导致电子发射；f光线>f红限，微弱的光线即可导致电子发射。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，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类：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。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。过程：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。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Eg2.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。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。

PN结产生光生伏特效应＋＋＋－－－PN＋－光＋－光生电子—空穴对原理:如图，入射光照射在PN结上时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度Eg时，则在PN结内产生电子空穴对，它们的移动使PN结产生电势。光电管及光电倍增管一.光电管光电管是一种具有悠久历史的光传感器。光电管是一个装有光电阴极和阳极的真空玻璃管,如图所示。

原理：当光电阴极受到适当波长的光线照射时发射光电子，在中央带正电的阳极吸引下，光电子在光电管内形成电子流，在外电路中便产生光电流I。光电管的结构和工作原理

二、光电倍增管当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几μA，不容易探测，需要用光电倍增管对电流进行放大。光电倍增管结构和工作原理

光电倍增管示意图光电阴极第一倍增极阳极第n倍增极由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。如图4-4所示。光敏电阻外形光敏电阻的演示观察：光电流有什么变化？暗电流（越小越好）光敏电阻的结构光敏电阻结构光敏电阻的电极光敏电阻的工作原理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光敏电阻的连线电路RLEIRG连线电路图光敏电阻的特性1-光电流概念：1.暗电阻：2.暗电流：3.亮电阻:4.亮电流：5.光电流：亮电流与暗电流之差。思考：光敏电阻的亮电阻，暗电阻大好还是小好？012345I/mAL/lx10002000光敏电阻不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。光敏电阻的特性2-光照特性204060801004080120160200240λ/μm312相对灵敏度1——硫化镉2——硒化镉3——硫化铅在选用光敏电阻时，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。光敏电阻的特性3-光谱特性思考：我们为了得到更大的光电流，能否无限增大电压？5010015020012U/V02040I/μA光敏电阻的特性4-伏安特性思考：光敏电阻能否用在要求快速响应的场合？20406080100I/%f/Hz010102103104硫化铅硫化镉光敏电阻的特性5-频率特性I/%408012016021T/h040080012001600最后达到一个稳定值后就不再变了。这就是光敏电阻的主要优点。光敏电阻的特性6-稳定性I/μA100150200-50-10305010-30T/ºC2040608010001.02.03.04.0λ/μmI/mA+20ºC-20ºC有时为了提高灵敏度，或为了能够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。光敏电阻的特性7-温度特性光敏电阻具有很高的灵敏度，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。光敏电阻的应用举例例1：阅读环境照度监视器思考：R1和Rw的作用是什么？要求：当光照度低于100lx时，扬声器播放乐曲告警。例2：光电式带材跑偏检测装置要求：此装置可用来检测带材在加工过程中偏离正确位置的大小及方向，从而为纠偏控制机构电路提供一个纠偏信号。思考：R2的作用？作业1.用光敏电阻设计一路灯自动控制系统，要求画出其测量电路图并说明其工作原理。2.用光敏电阻设计一自动调光台灯，要求画出其测量电路图并说明其工作原理。光敏二极管外形锗光敏二极管有A，B，C，D四类；硅光敏二极管有2CU1A～D系列、2DU1～4系列。光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图所示。RL

光PN光敏二极管接线

PN光光敏二极管符号光敏二极管结构与工作原理光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大。当光不照射时，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。光敏三极管外形光敏三极管的结构与工作原理PPNNNPeb

bcRLEec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。光敏晶体管的特性1-光谱特性相对灵敏度/%硅锗入射光λ/Å400080001200016000100806040200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。0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080光敏晶体管的伏安特性U/V光敏晶体管的特性2-伏安特性光敏晶体管的特性3-光照特性光敏晶体管的光照特性I/μAL/lx200400600800100001.02.03.0呈现了近似线性关系。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件，也可作开关元件。光敏晶体管的特性4-温度特性暗电流/mA光电流/mA10203040506070T/ºC25050100

02003004001020304050607080T/ºC光敏晶体管的温度特性从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大．所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。光敏晶体管的特性5-频率特性0100100050050001000020406010080RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ入射光调制频率/HZ相对灵敏度/%光敏晶体管的频率特性光敏三极管的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。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。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。光敏二极管的应用1.光电路灯控制电路2.光强测量电路光敏三极管的应用1.脉冲编码器2.光电转速传感器3.光电式烟尘浓度计光电池硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前,应用最广、最有发展前途的是硅光电池。硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。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0.56μm)，最适宜制造照度计。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，它主要用于宇宙飞船、卫星、太空探测器等的电源。光电池的结构和工作原理当光照到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。光电池的示意图+光PN－SiO2RL(a)光电池的结构图I光(b)光电池的工作原理示意图PN光电池的表示符号、基本电路及等效电路IUIdUIRLIΦ(a)(b)(c)光电池符号和基本工作电路光电池的基本特性(1)光谱特性光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可看出，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。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。204060801000.40.60.81.01.20.2I/%12λ/μm1——硒光电池2——硅光电池（2）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。L/klx

L/klx

5432100.10.20.30.40.5246810开路电压Uoc

/V0.10.20.30.4

0.50.30.1012345Uoc/VIsc

/mAIsc/mA(a)硅光电池(b)硒光电池开路电压短路电流短路电流短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，负载电阻RL越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx

50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=0(3)频率特性光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率响应曲线。由图可知，硅光电池具有较高的频率响应，如曲线2，而硒光电池则较差，如曲线1。204060801000I/%1234512f/kHz1——硒光电池2——硅光电池（4）温度特性光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。由图可见，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将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。2004060904060UOC/mVT/ºCISCUOCISC

/μA600400200UOC——开路电压ISC——短路电流硅光电池在1000lx照度下的温度特性曲线光电池的应用-太阳电池电源一、光谱光波：波长为10—106nm的电磁波可见光：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。光源和光电传感器的选用远紫外近紫外可见光近红外远红外极远紫外0.015波长/μm波数/cm-1频率/Hz光子能量/eV1061051041035×1055×1045×10310155×101410145×10131001015050.55×101510163×1018光的波长λ和频率ν的关系为νλ=3×1010cm/s光谱分布如图所示。二、光源（发光器件）1、钨丝白炽灯用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射光谱是连续的发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，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。在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴钨灯和碘钨灯，其体积较小，光效高，寿命也较长。2、气体放电灯定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。气体放电灯的光谱是不连续的，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。低压汞灯、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。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，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仅为白炽灯1/2—1/3。3、发光二极管LED（LightEmittingDiode）由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。在半导体PN结中，P区的空穴由于扩散而移动到N区，N区的电子则扩散到P区，在PN结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到