光电效应和光电器.ppt

6.1 光电效应和光电器件 光电传感器采用光电器件作为检测元件，它先把被测参数的变化转变为光信号的变化，再通过光电元件将光信号转变为电信号6.1 光电效应和光电器件Ú6.1 光电效应和光电器件 Ú 6.1.1 光电效应Ú 光电效应是指当光照射到物体时，物体受到具有能量的光子轰击，使物体材料中的电子吸收光子的能量而发生相应的电效应的现象Ú 光电效应通常分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应6.1 光电效应和光电器件 1.外光电效应 在光线照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，也叫光电发射效应基于外光电效应的光电元件有光电管和光电倍增管等6.1 光电效应和光电器件Ú每个光子具有的能量：Ú爱因斯坦的光电效应方程 ：Ú式中：m——电子质量；  v——电子逸出速度6.1 光电效应和光电器件 2. 内光电效应在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，而使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和光敏晶闸管等 。

6.1 光电效应和光电器件Ú3．光生伏特效应Ú 在光线作用下，使物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应Ú 基于光生伏特效应的光电元件有光电池6.1 光电效应和光电器件Ú 6.1.2 光电器件Ú 1．光电管和光电倍增管Ú （1）光电管 -- 图 6.1 光电管的结构1—阳极A 2—阴极K 3—石英玻璃外壳 4—抽气管蔕 5—阳极引脚 6—阴极引脚图 6.2 光电管符号及测量电路6.1 光电效应和光电器件Ú（2）光电倍增管①光电倍增管的结构图 6.3 光电倍增管结构6.1 光电效应和光电器件Ú ②光电倍增管的工作原理Ú 光电倍增管是利用二次电子释放效应，将光电流在管内部进行放大Ú所谓的二次电子是指当电子或光子以足够大的速度轰击金属表面而使金属内部的电子再次逸出金属表面，这种再次逸出金属表面的电子叫做二次电子6.1 光电效应和光电器件 2．光敏电阻Ú （1）工作原理Ú 光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件光敏电阻没有极性， 纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。

无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大 一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好， 此时光敏电阻的灵敏度高6.1 光电效应和光电器件 （a）光敏电阻的结构 （b）光敏电阻图形符号 图 6.4 光敏电阻 1—梳状电极 2—光导体 3—透光窗口 4—外壳 5—绝缘基体 6—黑色玻璃支柱 7—引脚 （b）（a）6.1 光电效应和光电器件Ú (2) 光敏电阻的主要参数有：Ú ①暗电阻 光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻， 此时流过的电流称为暗电流 Ú ②亮电阻 光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流 Ú ③光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流 6.1 光电效应和光电器件Ú （3）光敏电阻的光电特性Ú 在光敏电阻两端电压固定不变时，光照度与电阻及电流间的关系称为光电特性 （a）光照—电阻特性 （b）光照—电流特性 图 6.5 光敏电阻的光电特性6.1 光电效应和光电器件Ú3．光敏晶体管Ú光敏晶体管通常指光敏二极管和光敏三极管，它们的工作原理是基于内光电效应。

Ú（1）光敏二极管6.1 光电效应和光电器件 （a）内部结构 （b）图形符号 （c）基本电路 图 6.6 光敏二极管 1—负极引脚 2—管芯 3—外壳 4—玻璃聚光镜 5—正极引脚6.1 光电效应和光电器件Ú（2）光敏三极管 (a) 内部组成 （b）图形符号 图 6.7 光敏三极管 1—集电极引脚 2—管芯 3—外壳 4—玻璃透光镜 5—发射极引脚图 6.8 光敏三极管基本电路6.1 光电效应和光电器件Ú（3）光敏晶体管的基本特性 1.光谱特性 在入射光照度一定时，光敏晶体管的相对灵敏度随光波波长的变化而变化，一种光敏晶体管只对一定波长范围的入射光敏感，这就是光敏晶体管的光谱特性，如图6.9所示 图 6.9 光敏晶体管的光谱特性 1—硅光敏晶体管 2—鍺光敏晶体管6.1 光电效应和光电器件Ú2.伏安特性 Ú 在一定照度下，光电流I与光敏元件两端电压U的对应关系称为伏安特性 图 6.10 光敏晶体管伏安特性（a）光敏二极管伏安特性（b）光敏三极管伏安特性6.1 光电效应和光电器件Ú3.光电特性 Ú 指当光敏晶体管加上一定电压时，输出电流与光照度之间的关系。

光敏二极管光电特性的线性较好，而光敏三极管在照度小时，光电流随照度增加而较小，并且在光照足够大时，输出电流有饱和现象 图 6.11 光敏晶体管光电特性1—光敏二极管光电特性 2—光敏三极管光电特性6.1 光电效应和光电器件Ú4.温度特性 指暗电流及亮电流与温度的关系 温度变化对光敏晶体管的亮电流影响不大，但对暗电流的影响非常大，并且是非线性的，将给微光测量带来误差 图6.12 光敏晶体管的温度特性 1—亮电流 2—暗电流6.1 光电效应和光电器件Ú5.响应时间 Ú 工业用的硅光敏二极管的响应时间为10-5～10-7S 左右，光敏三极管的响应时间比二极管约慢一个数量级，因此在要求快速响应或入射光、调制光频率较高时应选用光敏二极管6.1 光电效应和光电器件Ú4．光电池Ú （1）结构及工作原理 当光照射到PN结的一个面，例如P型面时， 若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴， 电子-空穴对从表面向内迅速扩散， 在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。

（b） （b）图形符号 图6.13 光电池 （a）（a）结构 6.1 光电效应和光电器件Ú（2）基本特性 ①光谱特性 光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的 图8-16为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线从图中可知， 不同材料的光电池， 光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池波长在0.8μm附近，硒光电池在0.5μm附近硅光电池的光谱响应波长范围为0.4~1.2μm，而硒光电池只能为0.38~0.75μm可见，硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用 6.1 光电效应和光电器件 图 6.14 光电池的光谱特性 1—硅光电池 2—硒光电池6.1 光电效应和光电器件 ②光照特性 光电池在不同光照度下， 其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性图6.15为硅光电池的开路电压和短路电流与光照的关系曲线从图中看出， 短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系，开路电压（即负载电阻RL无限大时）与光照度的关系是非线性的，并且当照度在2000 lx时就趋于饱和了。

因此用光电池作为测量元件时， 应把它当作电流源的形式来使用， 不宜用作电压源 6.1 光电效应和光电器件 图 6.15 硅光电池的光电特性 1—开路电压曲线 2—短路电流曲线6.1 光电效应和光电器件Ú 温度特性Ú 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的特性从图6.16中可以看出，开路电压随温度增加而下降，电压温度系数约为－2mv/℃；而短路电流随温度上升缓慢增加，输出电流的温度系数较小当光电池作为检测元件时，应考虑温度漂移的影响，采取相应措施进行补偿 图 6.16 光电池的温度特性 1—开路电压 2—短路电流6.1 光电效应和光电器件Ú 频率特性 Ú 光电池的频率特性是指入射光的调制频率与光电池输出电流间的关系由于光电池受照射产生电子一空穴对需要一定的时间，因此当入射光的调制频率太高时，光电池输出的光电流将下降硅光电池的面积越小，PN结的极间电容也越小，频率响应就越好，硅光电池的频率响应可达数十千赫至数兆赫，而硒光电池的频率特性较差在调制频率较高的场合，应采用硅光电池，并选择面积较小的硅光电池和较小的负载电阻，以进一步减少响应时间，改善频率特性。

6.1 光电效应和光电器件Ú6.1.3 光电耦合器件Ú 光电耦合器件是将发光元件和光敏接收元件组合在一起的一种器件，光电耦合器件的输入与输出之间在电气上完全绝缘，它主要用来实现电信号的传递根据结构和用途的不同，光电耦合器件分为光电耦合器和光断续器6.1 光电效应和光电器件Ú1．光电耦合器Ú光电耦合器是将发光元件和光敏接收元件组装在同一管壳中，且两者的管芯相对，除光路外二者完全隔离在工作时，电信号加在输入端，使发光元件发光，同一管芯中的光敏元件接收到这种光辐射后输出电流，实现了电—光—电的两次转换 6.1 光电效应和光电器件(a) 光电耦合器结构 （b）光电耦合器符号 图 6.17 光电耦合器6.1 光电效应和光电器件Ú2．光断续器 （a）透射型 （b）反射型 图 6.18 光断续器。