5光電式傳感器

1、2024/3/25,1,第5章 光電式傳感器,本章學(xué)習(xí)光電效應(yīng)、光電元件的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性以及光電傳感器的各種應(yīng)用，掌握光電開(kāi)關(guān)及光電斷續(xù)器的使用方法。,2024/3/25,2,1905年德國(guó)物理學(xué)家愛(ài)因斯坦用光量子學(xué)說(shuō)解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,2024/3/25,3,5.1 光電效應(yīng)及光電元件,用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為hf 的光子的轟擊，組成這物體的材料吸收光子能量而發(fā)

2、生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。,1. 外光電效應(yīng)：在光線的作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng). 基于外光電效應(yīng)的光電元件有紫外光電管、光電倍增管、光電攝像管等。,2024/3/25,4,紫外管外形,當(dāng)入射紫外線照射在紫外管陰極板上時(shí)，電子克服金屬表面對(duì)它的束縛而逸出金屬表面，形成電子發(fā)射。紫外管多用于紫外線測(cè)量、火焰監(jiān)測(cè)等。,紫外線,2024/3/25,5,2. 內(nèi)光電效應(yīng)：受光照的物體導(dǎo)電率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光

3、生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng).,光電導(dǎo)效應(yīng): 在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，而引起材料電阻率變化，這種效應(yīng)稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。 基于這種效應(yīng)的器件有光敏電阻等。,2024/3/25,6,光敏電阻,無(wú)光照時(shí)，光敏電阻阻值很大，電路中電流很??；當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí)，它的阻值急劇減小，電路中電流迅速增大。,2024/3/25,7,,光敏電阻演示,當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，

4、光生電子—空穴對(duì)增加，阻值減小，電流增大。,暗電流（越小越好）,,2024/3/25,8,光敏電阻的應(yīng)用,光照度計(jì):,當(dāng)照度下降到設(shè)置值時(shí)由于光敏電阻阻值上升激發(fā)9013導(dǎo)通，,2024/3/25,9,(2) 光生伏特效應(yīng) 在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)。 基于該效應(yīng)的器件有光電池和光敏晶體管等。,2024/3/25,10,光敏二極管,將光敏二極管的PN 結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部

5、的正下方，光照射到光敏二極管的PN結(jié)時(shí)，電子-空穴對(duì)數(shù)量增加，光電流與照度成正比。,2024/3/25,11,光敏二極管外形,光敏二極管陣列,,包含1024個(gè)InGaAs元件的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡。,2024/3/25,12,紅外發(fā)射、接收對(duì)管外形,紅外發(fā)射管,,紅外接收管,,2024/3/25,13,PIN光電二極管,PIN光電二極管是在P區(qū)和N區(qū)之間插入一層電阻率很大的I層，從而減小了PN結(jié)的電容，提高了工作頻率。PIN

6、光敏二極管的工作電壓（反向偏置電壓）高，光電轉(zhuǎn)換效率高，暗電流小，其靈敏度比普通的光敏二極管高得多，響應(yīng)頻率可達(dá)數(shù)十兆赫，可用作各種數(shù)字與模擬光纖傳輸系統(tǒng)，各種家電遙控器的接收管（紅外波段）、UHF 頻帶小信號(hào)開(kāi)關(guān)、中波頻帶,到1000MHZ之間電流控制、可變衰減器、各種通信設(shè)備收發(fā)天線的高頻功率開(kāi)關(guān)切換和RF領(lǐng)域的高速開(kāi)關(guān)等。特殊結(jié)構(gòu)的PIN二極 管還可用于測(cè)量紫外線或射線等。,2024/3/25,14,APD光敏二極管（雪崩光敏二

7、極管）,硅雪崩光電二極管是采用n+p-πp+型結(jié)構(gòu)的可見(jiàn)光和近紅外探測(cè)器，它具有高響應(yīng)度，高信噪比，高響應(yīng)速度等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于微光信號(hào)檢測(cè)、長(zhǎng)距離光纖通信、激光測(cè)距、激光制導(dǎo)等光電信息傳輸和光電對(duì)抗系統(tǒng)。,2024/3/25,15,光敏二極管的反向偏置接法,在沒(méi)有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，所以反向電流很小，這時(shí)的電流稱為暗電流，相當(dāng)于普通二極管的反向飽和漏電流。 當(dāng)光照射在二極管的PN結(jié)（又稱耗盡層）上時(shí)，在PN結(jié)附近

8、產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)量也隨之增加，光電流也相應(yīng)增大，光電流與照度成正比。,2024/3/25,16,光敏二極管的反向偏置接線（參考上頁(yè)圖）及光電特性演示,在沒(méi)有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。,當(dāng)光照增加時(shí)，光電流IΦ與光照度成正比關(guān)系。,,,光敏二極管的反向偏置接法,,,,,UO,+,—,光照,2024/3/25,17,2024/3/25,18,反射式煙霧報(bào)警器,在沒(méi)有煙霧時(shí)，由于紅外對(duì)管相互垂直，煙霧室內(nèi)又涂有黑

9、色吸光材料，所以紅外LED發(fā)出的紅外光無(wú)法到達(dá)紅外光敏三極管。,當(dāng)煙霧進(jìn)入煙霧室后，煙霧的固體粒子對(duì)紅外光產(chǎn)生漫反射（圖中只畫(huà)出幾個(gè)微粒的反射示意），使部分紅外光到達(dá)光敏三極管，有光電流輸出。,,被測(cè)物體反射光通量的應(yīng)用實(shí)例,2024/3/25,19,光電鼠標(biāo)就是利用LED與光敏晶體管組合來(lái)測(cè)量位移。,2024/3/25,20,光敏三極管,光敏三極管有兩個(gè)PN結(jié)。與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基極沒(méi)

10、有引出線，只有正負(fù)（c、e）兩個(gè)引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。,2024/3/25,21,光敏三極管外形,2024/3/25,22,光敏三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu),a) 內(nèi)部組成 b)管芯結(jié)構(gòu) c）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖 1—集電極引腳 2—管芯 3—外殼 4—玻璃聚光鏡 5—發(fā)射極引腳 6—N+ 襯底 7—N型集電區(qū) 8—SiO2保護(hù)圈 9—集電結(jié)

11、10—P型基區(qū) 11—N型發(fā)射區(qū) 12—發(fā)射結(jié),2024/3/25,23,硅光敏晶體管的光譜特性,電磁波頻譜,,2024/3/25,24,光電特性,,,,0,光照,光電流,,光敏 三極管,光敏 二極管,,3000lx,,4mA,請(qǐng)判斷靈敏度的高低,,0.3mA,請(qǐng)計(jì)算當(dāng)E=100lx時(shí)，光敏二極管的光電流IΦ,IΦ,E,2024/3/25,25,光敏晶閘管,光敏晶閘管有三個(gè)引出電極，即陽(yáng)極a、陰極k和門(mén)極g 。它的頂部有

12、一個(gè)玻璃透鏡，光敏晶閘管的陽(yáng)極與負(fù)載串聯(lián)后接電源正極，陰極接電源負(fù)極，門(mén)極可懸空。 當(dāng)有一定照度的光信號(hào)通過(guò)玻璃窗口照射到正向阻斷的PN結(jié)上時(shí)，將產(chǎn)生門(mén)極電流，從而使光敏晶閘管從阻斷狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。 導(dǎo)通后，即使光照消失，光敏晶閘管仍維持導(dǎo)通。要切斷已觸發(fā)導(dǎo)通的光敏晶閘管，必須使陽(yáng)極與陰極的電壓反向，或使負(fù)載電流小于其維持電流。 光敏晶閘管的特點(diǎn)是：導(dǎo)通電流比光敏

13、三極管大得多，工作電壓有的可達(dá)數(shù)百伏，因此輸出功率大，可用于工業(yè)自動(dòng)檢測(cè)控制。,2024/3/25,26,光敏晶閘管外形,光敏面,,2024/3/25,27,光電池,在N型襯底上制造一薄層P型層作為光照敏感面，就構(gòu)成最簡(jiǎn)單的光電池。 如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時(shí)間，PN結(jié)兩側(cè)就有一個(gè)穩(wěn)定的光生電動(dòng)勢(shì)輸出。,2024/3/25,28,工作原理：,實(shí)質(zhì)是一個(gè)大面積的PN結(jié), 當(dāng)光照射到PN結(jié)的一個(gè)面, 例如p型面時(shí), 若光子能量

14、大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度, 那么p型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)自由電子和空穴, 電子空穴對(duì)從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散,如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時(shí)間，PN結(jié)兩側(cè)就有一個(gè)穩(wěn)定的光生電動(dòng)勢(shì)輸出。最后建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)Es。,圖 光電池工作原理圖,PN結(jié),,Es,+,-,2024/3/25,29,光電池外形,,光敏面,2024/3/25,30,能提供較大電流的大面積光電池外形,2024/3/25,31,其他光電池及在照度測(cè)量中的應(yīng)用,柔光

15、罩下面為圓形光電池,,2024/3/25,32,光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用,太陽(yáng)能賽車(chē),太陽(yáng)能電動(dòng)機(jī)模型,,太陽(yáng)能 硅光電池板,2024/3/25,33,光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用,太陽(yáng)能發(fā)電,2024/3/25,34,光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用,光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用,2024/3/25,35,光電池的光電特性,一個(gè)典型的硅光電池的光電特性 1—開(kāi)路電壓曲線 2—短路電流曲線,開(kāi)路電壓為 對(duì)數(shù)特性,短路電流