傳感器原理光傳感器.ppt

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1、傳感器技術(shù) 主講：吳秋寧,第五章 光傳感器,第一節(jié) 概述 第二節(jié) 外光電效應(yīng)器件 第三節(jié) 內(nèi)光電效應(yīng)器件 第四節(jié) 新型光電傳感器 第五節(jié) 光敏傳感器的應(yīng)用舉例,光傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。,一、光譜 光波：波長為10106nm的電磁波 可見光：波長380780nm 紫外線：波長10380nm， 波長300380nm稱為近紫外線 波長200300nm稱為遠(yuǎn)紫外線 波長10200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線， 紅外線：波長780106nm 波長3m（即3000nm）以下的稱近紅外線 波長超過3m 的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。 光譜

2、分布如圖所示。,第一節(jié) 概 述,遠(yuǎn)紫外,近紫外,可見光,近紅外,遠(yuǎn)紅外,極遠(yuǎn)紫外,0.01,0.1,1,10,0.05,0.5,5,波長/m,光的波長與頻率的關(guān)系由光速確定，真空中的光速c=2.997931010cm/s，通常c31010cm/s。 光的波長和頻率的關(guān)系為 的單位為Hz，的單位為cm。,=31010cm / s,二、光源（發(fā)光器件） 1、鎢絲白熾燈 用鎢絲通電加熱作為光輻射源最為普通，一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的。 發(fā)光范圍：可見光外、大量紅外線和紫外線，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號。,2、氣體放電燈 定義：利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈。 氣體放電燈的光譜是

3、不連續(xù)的，光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。它們經(jīng)常用作光電檢測儀器的單色光源。 氣體放電燈消耗的能量僅為白熾燈1/21/3。,3、發(fā)光二極管LED（Light Emitting Diode） 由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)成，其工作電壓低、響應(yīng)速度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。 在半導(dǎo)體PN結(jié)中，P區(qū)的空穴由于擴(kuò)散而移動到N區(qū)，N區(qū)的電子則擴(kuò)散到P區(qū)，在PN結(jié)處形成勢壘（內(nèi)電場），從而抑制了空穴和電子的繼續(xù)擴(kuò)散。當(dāng)PN結(jié)上加有正向電壓時，勢壘（內(nèi)電場）降低，電子由N區(qū)注入到P區(qū)，空穴則由P區(qū)注入到N區(qū)，稱為少數(shù)

4、載流子注入。所注入到P區(qū)里的電子和P區(qū)里的空穴復(fù)合，注入到N區(qū)里的空穴和N區(qū)里的電子復(fù)合，這種復(fù)合同時伴隨著以光子形式放出能量，因而有發(fā)光現(xiàn)象。,4、激光器 激光是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一，具有高方向性、高單色性和高亮度三個重要特性。激光波長從0.24m到遠(yuǎn)紅外整個光頻波段范圍。,激光器種類繁多，按工作物質(zhì)分類： 固體激光器（如紅寶石激光器） 氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器） 半導(dǎo)體激光器（如砷化鎵激光器） 液體激光器。,三、光電效應(yīng) 是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電傳感器的工作原理基于光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)

5、光電效應(yīng)兩大類 1、外光電效應(yīng) 在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。,光子是具有能量的粒子，每個光子的能量：,E=h,h普朗克常數(shù)，6.62610-34Js；光的頻率（s-1）,根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個電子只能接受一個光子的能量，所以要使一個電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金屬釋放電子所需時間不超過10-9s。 根據(jù)能量守恒定理 式中 m電子質(zhì)量；v0電子逸出速度。,該方程稱為

6、愛因斯坦光電效應(yīng)方程。,光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個物體都有一個對應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射出。,當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。即光強(qiáng)愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。,光電子逸出物體表面具有初始動能mv02 /2 ，因此外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零

7、，必須加負(fù)的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。,當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類： （1） 光電導(dǎo)效應(yīng) 在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。,2、內(nèi)光電效應(yīng),過程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時，價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。,導(dǎo)帶,價帶,禁帶,

8、自由電子所占能帶,不存在電子所占能帶,價電子所占能帶,Eg,電子能級示意圖,材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對于一種光電導(dǎo)材料，總存在一個照射光波長限0，只有波長小于0的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子能級間的躍進(jìn)，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。,式中、分別為入射光的頻率和波長。,為了實(shí)現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，即,（2） 光生伏特效應(yīng) 在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。 基于該效應(yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。 勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）。 接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時，便引起光電動勢，這就是結(jié)光電效應(yīng)。以

9、PN結(jié)為例，光線照射PN結(jié)時，設(shè)光子能量大于禁帶寬度Eg，使價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在阻擋層內(nèi)電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動勢。,側(cè)向光電效應(yīng)。 當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時，有載流子濃度梯度將會產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。當(dāng)光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對時，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴(kuò)散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴(kuò)散不明顯，則電子向未被光照部分?jǐn)U散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負(fù)電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光

10、電動勢?；谠撔?yīng)的光電器件如半導(dǎo)體光電位置敏感器件（PSD）。,利用物質(zhì)在光的照射下發(fā)射電子的外光電效應(yīng)而制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍增管。,一、光電管及其基本特性,光電管的結(jié)構(gòu)示意圖,光,陽極,光電陰極,光窗,1. 結(jié)構(gòu)與工作原理,光電管有真空光電管和充氣光電管或稱電子光電管和離子光電管兩類。兩者結(jié)構(gòu)相似，如圖。它們由一個陰極和一個陽極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。,第二節(jié) 外光電效應(yīng)器件,光電器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應(yīng)時間、峰值探

11、測率和溫度特性來描述。 （1） 光電管的伏安特性,2. 主要性能,在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。光電管的伏安特性如圖所示。它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。,圖4.2-2 光電管的伏安特性,50,20lm,40lm,60lm,80lm,100lm,120lm,100,150,200,0,2,4,6,8,10,12,陽極與末級倍增極間的電壓/V,IA/ A,（2）光電管的光照特性 通常指當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。其特性曲線如圖所示。曲線1表示氧銫陰極光電,管的光照特性，光電流I

12、與光通量成線性關(guān)系。曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它成非線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之間比）稱為光電管的靈敏度。,光電管的光照特性,25,50,75,100,2,0,0.5,1.5,2.0,/1m,IA/ A,1.0,2.5,1,（3）光電管光譜特性 由于光陰極對光譜有選擇性，因此光電管對光譜也有選擇性。保持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。一般對于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率0，因此它們可用于不同的光譜范圍。除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率0，并且強(qiáng)度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子

13、的數(shù)量還會不同，即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。所以，對各種不同波長區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。,國產(chǎn)GD-4型的光電管，陰極是用銻銫材料制成的。其紅限0=7000，它對可見光范圍的入射光靈敏度比較高，轉(zhuǎn)換效率：25%30%。它適用于白光光源，因而被廣泛地應(yīng)用于各種光電式自動檢測儀表中。對紅外光源，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外傳感器。對紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。另外，銻鉀鈉銫陰極的光譜范圍較寬，為30008500，靈敏度也較高，與人的視覺光譜特性很接近，是一種新型的光電陰極；但也有些光電管的光譜特性和人的視覺光譜特性有很大差異，因而在測量和控制技術(shù)

14、中，這些光電管可以擔(dān)負(fù)人眼所不能勝任的工作，如坦克和裝甲車的夜視鏡等。 一般充氣光電管當(dāng)入射光頻率大于8000Hz時，光電流將有下降趨勢，頻率愈高，下降得愈多。,二、光電倍增管及其基本特性,當(dāng)入射光很微弱時，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點(diǎn)幾A，很不容易探測。這時常用光電倍增管對電流進(jìn)行放大，下圖為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。 1. 結(jié)構(gòu)和工作原理,由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽極三部分組成。光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成；次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的，次陰極多的可達(dá)30級；陽極是最后用來收集電子,的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的105106倍。即光電倍增管的放大倍數(shù)可

15、達(dá)幾萬倍到幾百萬倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬倍到幾百萬倍。因此在很微弱的光照時，它就能產(chǎn)生很大的光電流。,（1）倍增系數(shù)M 倍增系數(shù)M等于n個倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)的乘積。如果n個倍增電極的都相同，則M= 因此，陽極電流 I 為 I = i i 光電陰極的光電流 光電倍增管的電流放大倍數(shù)為 = I / i = M與所加電壓有關(guān)，M在105108之間，穩(wěn)定性為1左右，加速電壓穩(wěn)定性要在0.1以內(nèi)。如果有波動，倍增系數(shù)也要波動，因此M具有一定的統(tǒng)計漲落。一般陽極和陰極之間的電壓為10002500V，兩個相鄰的倍增電極的電位差為50100V。對所加電壓越穩(wěn)越好，這樣可以減小統(tǒng)計漲落

16、，從而減小測量誤差。,2. 主要參數(shù),103,104,105,106,25,50,75,100,125,極間電壓/V,放大倍數(shù),光電倍增管的特性曲線,（2）光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度 一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的陰極靈敏度。而一個光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。 光電倍增管的最大靈敏度可達(dá)10A/lm，極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會使陽極電流不穩(wěn)。 另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強(qiáng)光照射，否則將會損壞。,（3）暗電流和本底脈沖 一般在使用光電倍增管時，必須把管子放在暗室里避光使用，使其只對入射光起作

17、用；但是由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒有光信號輸入，加上電壓后陽極仍有電流，這種電流稱為暗電流，這是熱發(fā)射所致或場致發(fā)射造成的，這種暗電流通?？梢杂醚a(bǔ)償電路消除。 如果光電倍增管與閃爍體放在一處，在完全蔽光情況下，出現(xiàn)的電流稱為本底電流，其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線對閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的，本底電流具有脈沖形式。,光電倍增管的光照特性,與直線最大偏離是3%,1013,1010,109,107,105,103,101,在45mA處飽和,1014,1010,106,102,光通量/1m,陽極電流/ A,（4）光電倍增管的光譜特性 光譜

18、特性反應(yīng)了光電倍增管的陽極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間的函數(shù)關(guān)系。對于較好的管子，在很寬的光通量范圍之內(nèi)，這個關(guān)系是線性的，即入射光通量小于10-4lm時，有較好的線性關(guān)系。光通量大，開始出現(xiàn)非線性，如圖所示。,利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生電動勢的光電器件稱內(nèi)光電效應(yīng)器件，常見的有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。 一、光敏電阻 光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊、耐振動、抗過載能力強(qiáng)和壽命長等。 不足：需要外部電源，有電流時會發(fā)熱。,第三節(jié) 內(nèi)光電效應(yīng)器件

19、,1. 光敏電阻的工作原理和結(jié)構(gòu) 當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時，若光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，而且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光導(dǎo)材料價帶上的電子將激發(fā)到導(dǎo)帶上去，從而使導(dǎo)帶的電子和價帶的空穴增加，致使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。為實(shí)現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，即 h= = Eg(eV) 式中和入射光的頻率和波長。 一種光電導(dǎo)體，存在一個照射光的波長限C，只有波長小于C的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子在能級間的躍遷，從而使光電導(dǎo)體電導(dǎo)率增加。,光敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖所示。管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體。光導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的表面薄層，雖然產(chǎn)

20、生的載流子也有少數(shù)擴(kuò)散到內(nèi)部去，但擴(kuò)散深度有,限，因此光電導(dǎo)體一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案，結(jié)構(gòu)見下圖。,1-光導(dǎo)層; 2-玻璃窗口; 3-金屬外殼; 4-電極; 5-陶瓷基座; 6-黑色絕緣玻璃; 7-電阻引線。,RG,1,2,3,4,5,6,7,(a)結(jié)構(gòu),(b)電極,(c)符號,它是在一定的掩模下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的。這種梳狀電極，由于在間距很近的電極之間有可能采用大的靈敏面積，所以提高了光敏電阻的靈敏度。圖（c）是光敏電阻的代表符號。,CdS光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號,光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響，因此要將導(dǎo)光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在玻璃殼體中

21、。如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小，其連線電路如圖所示。 光敏電阻具有很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應(yīng)可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內(nèi)。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價格便宜，因此應(yīng)用比較廣泛。,RG,RL,E,I,（2）光照特性,下圖表示CdS光敏電阻的光照特性。在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系。不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動控制系統(tǒng)中用作光電開關(guān)。,0,1,2,3,4,5,I/mA,L/lx,1000,2000,（3）光譜特性 光譜特性與

22、光敏電阻的材料有關(guān)。從圖中可知，硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。因此，在選用光敏電阻時，應(yīng)把光敏電阻的材料和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的效果。,20,40,60,80,100,40,80,120,160,200,240,/m,3,1,2,相對靈敏度,1硫化鎘 2硒化鎘 3硫化鉛,（4） 伏安特性 在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。圖中曲線1、2分別表示照度為零及照度為某值時的伏安特性。由曲線可知，在給定偏壓下,光照度較大，光電流也越大。在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且

23、無飽和現(xiàn),50,100,150,200,1,2,U/V,0,20,40,象。但是電壓不能無限地增大，因?yàn)槿魏喂饷綦娮瓒际茴~定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導(dǎo)致光敏電阻永久性損壞。,I/ A,（5）頻率特性 當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時，光電流要經(jīng)過一段時間才能達(dá)到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時延特性。由于不同材料的光敏，,20,40,60,80,100,I / %,f / Hz,0,10,102,103,104,電阻時延特性不同，所以它們的頻率特性也不同，如圖。硫化鉛的使用頻率比硫化鎘高得多，但多數(shù)光敏電阻的時延都比較大，

24、所以，它不能用在要求快速響應(yīng)的場合。,硫化鉛,硫化鎘,（6）穩(wěn)定性 圖中曲線1、2分別表示兩種型號CdS光敏電阻的穩(wěn)定性。初制成的光敏電阻，由于體內(nèi)機(jī)構(gòu)工作不穩(wěn)定，以及電阻體與其介質(zhì)的作用還沒有達(dá)到平衡，所以性能是不夠穩(wěn)定的。但在人為地加溫、光照及加負(fù)載情況下，經(jīng)一至二周的老化，性能可達(dá)穩(wěn)定。光敏電阻在開始一段時間的老化過程中，有些樣品阻值上,I / %,40,80,120,160,2,1,T/h,0,400,800,1200,1600,升，有些樣品阻值下降，但最后達(dá)到一個穩(wěn)定值后就不再變了。這就是光敏電阻的主要優(yōu)點(diǎn)。 光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下，幾乎是無限長的。,（7）溫

25、度特性 其性能(靈敏度、暗電阻)受溫度的影響較大。隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，光譜特性曲線的峰值向波長短的方向移動。硫化鎘的光電流I和溫度T的關(guān)系如圖所示。有時為了提高靈敏度，或?yàn)榱四軌蚪邮蛰^長波段的輻射，將元件降溫使用。例如，可利用制冷器使光敏電阻的溫度降低。,I / A,100,150,200,-50,-10,30,50,10,-30,T / C,20,40,60,80,100,0,1.0,2.0,3.0,4.0,/m,I/mA,+20 C,-20 C,二、光電池,光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。由于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。它是基于光生伏特

26、效應(yīng)制成的，是發(fā)電式有源元件。它有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。 命名方式：把光電池的半導(dǎo)體材料的名稱冠于光電池(或太陽能電池)之前。如，硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池等。目前,應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。 硅光電池價格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外光。 硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低(0.02)、壽命短，適于接收可見光(響應(yīng)峰值波長0.56m)，最適宜制造照度計。 砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性則與太陽光譜最吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等電源方面的應(yīng)用是有發(fā)展前途的。,光電池的示意

27、圖,硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖所示。它是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)(如硼)形成PN結(jié)。當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。,1. 光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理,+,光,P,N,SiO2,RL,(a) 光電池的結(jié)構(gòu)圖,I,光,(b) 光電池的工作原理示意圖,P,N,光電池的表示符號、基本電路及等效電路如圖所示。,I,U,Id,U,I,RL,I,(a),(b),(c),圖 光電池符

28、號和基本工作電路,L/klx,L/klx,5,4,3,2,1,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,2,4,6,8,10,開路電壓,Uoc /V,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.3,0.1,0,1,2,3,4,5,Uoc/V,Isc /mA,Isc/mA,(a) 硅光電池,(b)硒光電池,（1）光照特性 開路電壓曲線：光生電動勢與照度之間的特性曲線，當(dāng)照度為2000lx時趨向飽和。 短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線,2. 基本特性,開路電壓,短路電流,短路電流,短路電流，指外接負(fù)載相對于光電池內(nèi)阻而言是很小的。光電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同，因而應(yīng)選取適當(dāng)?shù)耐饨迂?fù)載

29、近似地滿足“短路”條件。 下圖表示硒光電池在不同負(fù)載電阻時的光照特性。從圖中可以看出，負(fù)載電阻RL越小，光電流與強(qiáng)度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。,0,2,4,6,8,10,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,I/mA,L/klx,50,100,1000,5000,RL=0,20,40,60,80,100,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,0.2,I / %,1,2,/m,(2) 光譜特性 光電池的光譜特性決定于材料。從曲線可看出，硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在540nm附近，適宜測可見光。硅光電池應(yīng)用的范圍400nm1100nm，峰值波長在850nm附近，因此

30、硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。,1硒光電池 2硅光電池,(3) 頻率特性 光電池作為測量、計數(shù)、接收元件時常用調(diào)制光輸入。光電池的頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。由于光電池PN結(jié)面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。圖示為光電池的頻率響應(yīng)曲線。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，如曲線2，而硒光電池則較差，如曲線1。,20,40,60,80,100,0,I / %,1,2,3,4,5,1,2,f / kHz,1硒光電池 2硅光電池,（4）溫度特性 光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。由圖可見，開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備

31、的溫度漂移，影響到測量或控制精度等主要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池作為測量元件時，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。,20,0,40,60,90,40,60,UOC/ mV,T / C,ISC,UOC,ISC / A,600,400,200,UOC開路電壓,ISC 短路電流,硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線,三、光敏二極管和光敏三極管 光電二極管和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個PN結(jié)。它和光電池相比，重要的不同點(diǎn)是結(jié)面積小，因此它的頻率特性特別好。光生電勢與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為幾A到幾十A。按材料分，光電二極管有硅、砷化鎵、銻化銦光電二極管等許多種。按結(jié)構(gòu)分，有

32、同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分。其中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管。 國產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)電類型不同，分為2CU和2DU兩種系列。2CU系列以N-Si為襯底，2DU系列以P-Si為襯底。2CU系列的光電二極管只有兩條引線，而2DU系列光電二極管有三條引線。,1. 光敏二極管 光敏二極管符號如圖。鍺光敏二極管有A，B，C，D四類；硅光敏二極管有2CU1AD系列、2DU14系列。 光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，如圖所示。,P,N,光,光敏二極管符號,RL,光,P,N,光敏二極管接線,光敏二極管在沒有

33、光照射時，反向電阻很大，反向電流很小。反向電流也叫做暗電流當(dāng)光照射時，光敏二極管的工作原理與光電池的工作原理很相似。當(dāng)光不照射時，光敏二極管處于載止?fàn)顟B(tài)，這時只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流即暗電流；受光照射時，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下， P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入N區(qū)， N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入P區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流。光敏二極管的光電流 I 與照度之間呈線性關(guān)系。光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應(yīng)

34、用。,（1） PIN管結(jié)光電二極管 PIN管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導(dǎo)體。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場就基本上全集中于 I 層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。 由式 = CjRL與 f = 1/2知，Cj小，則小，頻帶將變寬。,P-Si,N-Si,I-Si,PIN管結(jié)構(gòu)示意圖,最大特點(diǎn)：頻帶寬，可達(dá)10GHz。另一個特點(diǎn)是，因?yàn)镮層很厚，在反偏壓下運(yùn)用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。由耗盡層寬度與外加電壓的關(guān)系可知，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，從而結(jié)電容要進(jìn)一步減小，使頻帶寬度變寬。 不足：I層電阻很大，管子

35、的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運(yùn)算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼內(nèi)的商品出售。,（2） 雪崩光電二極管(APD) 雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管。 這種管子工作電壓很高，約100200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場極強(qiáng)，光生電子在這種強(qiáng)電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百。當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達(dá)106，即產(chǎn)生所謂的雪崩。這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。 噪聲大是這種管子目前的一個主

36、要缺點(diǎn)。由于雪崩反應(yīng)是隨機(jī)的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。但由于APD的響應(yīng)時間極短，靈敏度很高，它在光通信中應(yīng)用前景廣闊。,2. 光敏三極管 光敏三極管有PNP型和NPN型兩種，如圖。其結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，具有電流增益,只是它的發(fā)射極一邊做的很大,以擴(kuò)大光的照射面積,且其基極不接引線。當(dāng)集電極加上正電壓,基極開路時,集電極處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時,會產(chǎn)生電子-空穴對,在內(nèi)電場的作用下,光生電子被拉到集電極,基區(qū)留下空穴,使基極與發(fā)射極間的電壓升高,這樣便有大量的電子流向集電極,形成輸出電流,且集

37、電極電流為光電流的倍。,P,P,N,N,N,P,e,b,b,c,RL,E,e,c,光敏三極管的主要特性：,光敏三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。當(dāng)入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降。因?yàn)楣庾幽芰刻。蛔阋约ぐl(fā)電子空穴對。當(dāng)入射光的波長縮短時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導(dǎo)體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對不能到達(dá)PN結(jié)，因而使相對靈敏度下降。,（1）光譜特性,相對靈敏度/%,硅,鍺,入射光,/,4000,8000,12000,16000,100,80,60,40,20,0,硅的峰值波長為9000，鍺的峰值波長為15000。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。故

38、在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般選用硅管；但對紅外線進(jìn)行探測時,則采用鍺管較合適。,0,500lx,1000lx,1500lx,2000lx,2500lx,I/mA,2,4,6,20,40,60,80,光敏晶體管的伏安特性,（2）伏安特性,光敏三極管的伏安特性曲線如圖所示。光敏三極管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特性一樣。因此，只要將入射光照在發(fā)射極e與基極b之間的PN結(jié)附近，所產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管。光敏三極管能把光信號變成電信號，而且輸出的電信號較大。,U/V,光敏晶體管的光照特性,I / A,L/lx,200,400

39、,600,800,1000,0,1.0,2.0,3.0,（3）光照特性 光敏三極管的光照特性如圖所示。它給出了光敏三極管的輸出電流 I 和照度之間的關(guān)系。它們之間呈現(xiàn)了近似線性關(guān)系。當(dāng)光照足夠大(幾klx)時，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)元件。,暗電流/mA,光電流/mA,10,20,30,40,50,60,70,T /C,25,0,50,100,0,200,300,400,10,20,30,40,50,60,70,80,T/C,光敏晶體管的溫度特性,（4）溫度特性 光敏三極管的溫度特性曲線反映的是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的影響很大所以電子線路中應(yīng)該對暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會導(dǎo)致輸出誤差。,（5）光敏三極管的頻率特性 光敏三極管的頻率特性曲線如圖所示。光敏三極管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)。一般來說，光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差。對于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5kHz以下。硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。,0,100,1000,500,5000,10000,20,40,60,100,80,RL=1k,RL=10k,RL=100k,入射光調(diào)制頻率 / HZ,相對靈敏度/%,圖4.3-15光敏晶體管的頻率特性,