光电色敏传感器工作原理.pptx

1 第八章第八章 光电式传感器光电式传感器28.1 8.1 概概 述述8.1.1 光的特性光的特性光波是波长为光波是波长为10106nm的电磁波。其中可的电磁波。其中可见光的波长范围在见光的波长范围在380780nm，紫外线的波，紫外线的波长范围是长范围是10380nm，红外线的波长范围是，红外线的波长范围是780106nm。3光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。由光的粒子说可知，光是和吸收等性质。由光的粒子说可知，光是以光速运动着的粒子（光子）流，一束频以光速运动着的粒子（光子）流，一束频率为率为的光由能量相同的光子所组成，每个的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为光子的能量为h普朗克常数，普朗克常数，6.62610-34Js；光的频率（单位光的频率（单位s-1）。）。可见，光的频率愈高（即波长愈短），光可见，光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。子的能量愈大。48.2.2 光源（发光器件）光源（发光器件）1.白炽光源白炽光源用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射一般白炽灯的辐射光谱是连续的光谱是连续的。发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，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所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。信号。特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特点：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。求不高，是可取之处。52.气体放电光源气体放电光源定义：定义：利用电流通过气体产生发光现象制利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。成的灯。气体放电灯的光谱是气体放电灯的光谱是不连续不连续的，的，光谱与气光谱与气体的种类及放电条件有关体的种类及放电条件有关。改变气体的成。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可分、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。得到主要在某一光谱范围的辐射。6低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯光谱灯。例。例如低压汞灯的辐射波长为如低压汞灯的辐射波长为254nm254nm，钠灯的，钠灯的辐射波长为辐射波长为589nm589nm，可，可被用作被用作单色光源。单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层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，如可以使气体放电发出某一范围的波长，如照明日光灯。照明日光灯。气气体放电灯消耗的能量为白炽灯体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/31/2-1/37由由半导体半导体PNPN结结构成，其工作电压低、响应构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。获得了广泛的应用。3.发光二极管（发光二极管（LEDLight Emitting Diode）8半导体中，由于空穴和电子的扩散，在半导体中，由于空穴和电子的扩散，在PNPN结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。继续扩散。当当PNPN结上加有正向电压时结上加有正向电压时，势，势垒降低，电子由垒降低，电子由N N区注入到区注入到P P区，空穴则由区，空穴则由P P区注入到区注入到N N区，称为少数载流子注入。所区，称为少数载流子注入。所注入到注入到P P区里的电子和区里的电子和P P区里的空穴复合，区里的空穴复合，注入到注入到N N区里的空穴和区里的空穴和N N区里的电子复合，区里的电子复合，这种这种复合同时伴随着以光子形式放出能量复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。因而有发光现象。9 电电子子和和空空穴穴复复合合，所所释释放放的的能能量量E Eg g等等于于PNPN结结的的禁禁带带宽宽度度（即即能能量量间间隙隙）。所所放放出出的的光光子子能能量量用用hh表表示示，h h为为普普朗朗克克常常数数，为光的频率。则为光的频率。则普朗克常数普朗克常数h h=6.610=6.610-34-34J.sJ.s；光速光速c c=3=310108 8m/sm/s；E Eg g的单位为电子伏（的单位为电子伏（eVeV），），1eV=1.61eV=1.61010-19-19J J。10hchc=19.810=19.810-26-26mWs=12.410mWs=12.410-7-7meVmeV可见光的波长可见光的波长 近似地认为在近似地认为在710710-7-7mm以下，以下，所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度至所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度至少应大于少应大于 h c/=1.8 eV 普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽度的禁带宽度E Eg g分别为分别为0.67eV0.67eV和和1.12eV1.12eV，显然不能使用。显然不能使用。11通通常常用用的的砷砷化化镓镓和和磷磷化化镓镓两两种种材材料料固固溶溶体体，写写作作GaAsGaAs1-x1-xP Px x，x x代代表表磷磷化化镓镓的的比比例例，当当x x0.350.35时时，可可得得到到Eg1.8eVEg1.8eV的的材材料料。改改变变x x值值还还可可以以决决定定发发光光波波长长，使使 在在550550900nm900nm间变化，它已经进入红外区。间变化，它已经进入红外区。12与与此此相相似似的的可可供供制制作作发发光光二二极极管管的的材材料料见见下表：下表：材料材料材料材料波长波长波长波长/nm/nm/nm/nm材料材料材料材料波长波长波长波长/nm/nm/nm/nmZnSZnSZnSZnS340340340340CuSe-ZnSeCuSe-ZnSeCuSe-ZnSeCuSe-ZnSe400400400400630630630630SiCSiCSiCSiC480480480480ZnZnZnZnx x x xCdCdCdCd1-x1-x1-x1-xTeTeTeTe590590590590830830830830GaPGaPGaPGaP565,680565,680565,680565,680GaAsGaAsGaAsGaAs1-x1-x1-x1-xP P P Px x x x550550550550900900900900GaAsGaAsGaAsGaAs900900900900InPInPInPInPx x x xAsAsAsAs1-x1-x1-x1-x9109109109103150315031503150InPInPInPInP920920920920InInInInx x x xGaGaGaGa1-x1-x1-x1-xAsAsAsAs8508508508501350135013501350 LED LED材料材料13 发发光光二二极极管管的的光光谱谱特特性性如如图图所所示示。图图中中砷砷磷磷化化镓镓的的曲曲线线有有两两根根，这这是是因因为为其其材材质质成成分分稍稍有有差差异异而而得得到到不不同同的的峰峰值值波波长长 p p 。除除峰峰值值波波长长 p p决决定定发发光光颜颜色色之之外外，峰峰的的宽宽度度（用用描描述述）决决定定光光的的色色彩彩纯纯度度，越小，其光色越纯。越小，其光色越纯。14发光二极管的光谱特性发光二极管的光谱特性0.20.20.40.40.60.60.80.8 1.01.0 0 060060070070080080090090010001000GaAsPGaAsPp=670nmp=670nmp=670nmp=670nmp=655nmp=655nmp=655nmp=655nmGaAsPGaAsPp=565nmp=565nmp=565nmp=565nmGaPGaPp=950nmp=950nmp=950nmp=950nmGaAsGaAs/nmnmnmnm相相相相对对对对灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度15 发发光光二二极极管管的的伏伏安安特特性性与与普普通通二二极极管管相相似似，但但随随材材料料禁禁带带宽宽度度的的不不同同，开开启启（点点燃燃）电电压压略略有有差差异异。图图为为砷砷磷磷化化镓镓发发光光二二极极管管的的伏伏安安曲曲线线，红红色色约约为为1.7V1.7V开开启启，绿色约为绿色约为2.2V2.2V。16U U U U/V/V/V/V I I I I/mA/mA/mA/mA -10-10-10-10 -5-5-5-5 0 0 0 0 1 1 1 12 2 2 2GaAsP(GaAsP(GaAsP(GaAsP(红红红红)GaAsP(GaAsP(GaAsP(GaAsP(绿绿绿绿)图上的横坐标正负值刻度比例不同。图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般而言，发光二极管的反向击穿电压大一般而言，发光二极管的反向击穿电压大于于5V5V，为了安全起见，使用时反向电压应，为了安全起见，使用时反向电压应在在5V5V以下。以下。174 4、激光器、激光器激光是激光是2020世纪世纪6060年代出现的最重大科技年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从高亮度三个重要特性。激光波长从0.24m0.24m到远红外整个光频波段范围。到远红外整个光频波段范围。18激光器种类繁多，按工作物质分类：激光器种类繁多，按工作物质分类：u固体激光器固体激光器（如红宝石激光器）（如红宝石激光器）u气气体体激激光光器器（如如氦氦-氖氖气气体体激激光光器器、二二氧氧化碳激光器）化碳激光器）u半导体激光器半导体激光器（如砷化镓激光器）（如砷化镓激光器）u液体激光器液体激光器。19（1 1）固体激光器）固体激光器典型实例是红宝石激光器，是典型实例是红宝石激光器，是19601960年人类年人类发明的第一台激光器。它的工作物质是固发明的第一台激光器。它的工作物质是固体。体。种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器（简称光器（简称YAGYAG激光器）和钕玻璃激光器激光器）和钕玻璃激光器等。等。20特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件。是目前脉冲输出功率最高的器件。固体激光器在光谱吸收测量方面有一些固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应用。利用阿波罗登月留下的反射镜，红应用。利用阿波罗登月留下的反射镜，红宝石激光器还曾成功地用于地球到月球的宝石激光器还曾成功地用于地球到月球的距离测量。距离测量。21（2 2）气体激光器）气体激光器工作物质是气体。工作物质是气体。种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。常用的有分子激光器。常用的有氦氖激光器、氩离氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器激光器、准分子激光器等，其形状像普通等，其形状像普通的放电管一样，能连续工作，单色性好。的放电管一样，能连续工作，单色性好。它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。区域。22（3 3）半导体激光器）半导体激光器与与前前两两种种相相比比出出现现较较晚晚，其其成成熟熟产产品品是是砷砷化化镓镓激激光光器器。特特点点：效效率率高高、体体积积小小、重重量量轻轻、结结构构简简单单，适适宜宜在在飞飞机机、军军舰舰、坦坦克克上上应应用用以以及及步步兵兵随随身身携携带带，如如在在飞飞机机上上作作测测距距仪仪来来瞄瞄准准敌敌机机。其其缺缺点点是是输输出出功功率率较较小小。目目前前半半导导体体激激光光器器可可选选择择的波长主要局限在红光和红外区域。的波长主要局限在红光和红外区域。23（4 4）液体激光器）液体激光器种类：螯合物激光器、无机液体激光器和种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中较为重要的是有机有机染料激光器，其中较为重要的是有机染料激光器。它的最大特点是发出的激光染料激光器。它的最大特点是发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效率也不波长可在一段范围内调节，而且效率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作用。的作用。24258.2.1 外光电效应外光电效应物体内的电子逸出物体表面向外发射的现物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做象叫做外光电效应外光电效应。基于外光电效应的光电器件有基于外光电效应的光电器件有光电管、光光电管、光电倍增管电倍增管。8.2 光电效应光电效应26爱因斯坦光电效应方程：爱因斯坦光电效应方程：1.1.光电子能否产生，取决于光子的能量是光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功否大于该物体的表面电子逸出功A A。2.2.一定时，产生的光电流和光强成正比。一定时，产生的光电流和光强成正比。3.3.逸出的光电子具有动能。逸出的光电子具有动能。278.2.2 内光电效应内光电效应当光照在物体上，使物体的当光照在物体上，使物体的电导率电导率发生变发生变化，或化，或产生光生电动势产生光生电动势的效应。的效应。1光电导效应光电导效应在光线作用下，电子吸收光子能量从键合在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。的变化。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。28自由电子所占能带自由电子所占能带不存在电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带价电子所占能带禁带禁带禁带禁带导带导带导带导带价带价带价带价带 EgEg电子能量电子能量E EhEg g当光照射到光电导体上时，若这个光电导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，且光辐射能量又足体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强够强,光电材料价带上的电子将被激发到导光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。带上去，使光导体的电导率变大。29势垒效应（结光电效应）势垒效应（结光电效应）光照射光照射PNPN结时，若结时，若h h EgEg，使价带中的，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场阻挡层内电场的作用下，电子偏向的作用下，电子偏向N N区外区外侧，空穴偏向侧，空穴偏向P P区外侧，使区外侧，使P P区带正电，区带正电，N N区带负电，形成光生电动势。区带负电，形成光生电动势。光生伏特效应：光生伏特效应：在光作用下能使物体在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。产生一定方向电动势的现象。基于该效应基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管的器件有光电池和光敏二极管、三极管。P PN N30侧向光电效应侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时，由载当半导体光电器件受光照不均匀时，由载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的大，就出现了照部分的大，就出现了浓度梯度浓度梯度，因而载，因而载流子要扩散，形成电势差。流子要扩散，形成电势差。318.3.1光电管及其基本特性光电管及其基本特性 结构与工作原理结构与工作原理8.3外光电效应器件外光电效应器件32主要性能主要性能（1 1）光电管的伏安特性）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。为光电管的伏安特性。真空光电管真空光电管 光电管光电管15015010010050502 20 020lm20lm40lm40lm60lm60lm80lm80lm100lm100lm120lm120lm4 46 68 810101212阴极电压阴极电压阴极电压阴极电压/V/V/V/VI I I IA A A A/A/A/A/A2 20 01001005050弱光弱光弱光弱光强光强光强光强光1501504 46 68 810101212阴极电压阴极电压阴极电压阴极电压/V/V/V/VI I I IA A A A/A/A/A/A33（2 2）光电管的光照特性）光电管的光照特性当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通量与光电流之间的关系。定时，光通量与光电流之间的关系。光照特性曲线的光照特性曲线的斜率称为光电管斜率称为光电管的灵敏度。的灵敏度。图图8-5 8-5 光电管的光照特性光电管的光照特性2525505075751001002 20 00.50.51.51.5 2.02.0/lm(/lm(流明流明流明流明)I IA A/A/A1.01.02.52.51 134（2 2）光电管的光照特性）光电管的光照特性当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通量与光电流之间的关系。定时，光通量与光电流之间的关系。光照特性曲线的光照特性曲线的斜率称为光电管斜率称为光电管的灵敏度。的灵敏度。图图8-5 8-5 光电管的光照特性光电管的光照特性2525505075751001002 20 00.50.51.51.5 2.02.0/lm(/lm(流流流流明明明明)I IA A/A/A1.01.02.52.51 135(3)(3)光电管的光谱特性光电管的光谱特性光谱特性是指相对灵敏度与入射光波长光谱特性是指相对灵敏度与入射光波长 之间的关系，亦称光谱响应。之间的关系，亦称光谱响应。为提高光电传感器的灵敏度，应根据光谱为提高光电传感器的灵敏度，应根据光谱特性合理选择相匹配的光源和光电器件。特性合理选择相匹配的光源和光电器件。以以GD-4GD-4型光电管为例，阴极是用型光电管为例，阴极是用锑铯锑铯材料材料制成，其制成，其红限红限 c c=700nm=700nm，对可见光范围的，对可见光范围的入射光灵敏度比较高。适用于白光光源，被入射光灵敏度比较高。适用于白光光源，被应用于各种光电式自动检测仪表中。应用于各种光电式自动检测仪表中。36对对红外光源红外光源，常用，常用银氧铯银氧铯阴极，构成红阴极，构成红外探测器。外探测器。对对紫外光源紫外光源，常用，常用锑铯阴极和镁镉锑铯阴极和镁镉阴极。阴极。还有些光电管的光谱特性与人的视觉光还有些光电管的光谱特性与人的视觉光谱特性有很大差异，可以担负人眼不能谱特性有很大差异，可以担负人眼不能胜任的工作，如夜视镜等。胜任的工作，如夜视镜等。37国产光电管的技术参数国产光电管的技术参数38由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成。由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成。阴极由半导体光电材料阴极由半导体光电材料锑铯锑铯做成，次阴极做成，次阴极是是在镍或铜在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料铍的衬底上涂上锑铯材料。次。次阴极可达阴极可达3030级。通常为级。通常为12121414级。级。使用时在各个倍增电极上均加上电压，阴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。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，因此存相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场。在加速电场。8.3.2 光电倍增管及其基本特性光电倍增管及其基本特性39IAKD1D2D3D4AR1R2R3R4R5RLUOUT40入入入入射射射射光光光光阴极阴极阴极阴极KK第第第第一一一一倍倍倍倍增增增增极极极极第第第第二二二二倍倍倍倍增增增增极极极极第第第第三三三三倍倍倍倍增增增增极极极极第第第第四四四四倍倍倍倍增增增增极极极极阳极阳极阳极阳极A A4142光电倍增管的电流放大倍数为光电倍增管的电流放大倍数为如果如果n n个倍增电极二次发射电子的数目相同个倍增电极二次发射电子的数目相同,则则in 因此因此阳极电流为阳极电流为i in,MM与所加的电压有关。一般阳极和阴极之与所加的电压有关。一般阳极和阴极之间的电压为间的电压为100010002500V2500V，两个相邻的，两个相邻的倍增电极的电位差为倍增电极的电位差为50 50 100V100V。主要参数：主要参数：1.1.倍增系数倍增系数MM：等于各个倍增电极的：等于各个倍增电极的2 2次发次发射电子数射电子数 i i的乘积。的乘积。43一个光子在阴极能够打出的平均电子数叫一个光子在阴极能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。做光电阴极的灵敏度。一个光子在阳极上产一个光子在阳极上产生的平均电子数叫光生的平均电子数叫光电倍增管的总灵敏度电倍增管的总灵敏度.(2)(2)光电阴极灵敏度和光电管的总灵敏度光电阴极灵敏度和光电管的总灵敏度最大灵敏度可达最大灵敏度可达10A/lm10A/lm不能受强光照射。不能受强光照射。图图8-7 8-7 光电倍增管的特光电倍增管的特性曲线性曲线25 50 75 100 12525 50 75 100 12525 50 75 100 12525 50 75 100 125101010106 6 6 6极间电压极间电压极间电压极间电压/V/V/V/V倍增系数倍增系数倍增系数倍增系数MMMM101010105 5 5 5101010104 4 4 4101010103 3 3 344（3 3）暗电流和本底电流）暗电流和本底电流由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，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。有电流，这种电流称为暗电流。在其受人眼看不到的宇宙射线的照射后，在其受人眼看不到的宇宙射线的照射后，光电倍增管就会有电流信号输出光电倍增管就会有电流信号输出即本底即本底脉冲。脉冲。4.4.光电倍增管的光谱特性光电倍增管的光谱特性与相同材料的光电管的相似。与相同材料的光电管的相似。45国产光电倍增管的技术参数国产光电倍增管的技术参数468.4 内光电效应器件内光电效应器件8.4.1 光敏电阻光敏电阻1.光敏电阻的结构和工作原理光敏电阻的结构和工作原理A AE E电极电极电极电极半导体半导体半导体半导体玻璃底板玻璃底板玻璃底板玻璃底板R RL L E E I IR RG G图图8-8 光敏电阻的结构光敏电阻的结构与电路连接与电路连接47如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小：的大小：48光敏电阻具有光敏电阻具有很高的灵敏度很高的灵敏度、很好的光谱很好的光谱特性、很长的使用寿命、高度的稳定性能、特性、很长的使用寿命、高度的稳定性能、小的体积及工艺简单小的体积及工艺简单，故应用广泛。，故应用广泛。当光照射到当光照射到光电导体光电导体上时，若光电导体为上时，若光电导体为本本征半导体材料征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。光导体的电导率变大。492.光敏电阻的主要参数和基本特性光敏电阻的主要参数和基本特性（1 1）暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、）暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、光电流光电流光敏电阻在未受到光照时的阻值称为光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗电暗电阻阻，此时流过的电流为，此时流过的电流为暗电流暗电流。在受到光照时的电阻称为在受到光照时的电阻称为亮电阻亮电阻，此时的此时的电流称为电流称为亮电流亮电流。亮电流与暗电流之差为光电流。亮电流与暗电流之差为光电流。50（2 2）光照特性）光照特性用于描述光电流与光照强度之间的关系。用于描述光电流与光照强度之间的关系。多数是非线性的。不宜做线性测量元件，多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般用做开关式的光电转换器。一般用做开关式的光电转换器。0.050.050.100.100.150.150.200.200.250.250 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0光通量光通量光通量光通量/lm/lm/lm/lm光光光光电电电电流流流流/mmmmA A A A图图8-9 8-9 光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性51（3 3）光谱特性）光谱特性硫化镉硫化镉的峰值在的峰值在可见光可见光区域，区域，硫化铅硫化铅的峰的峰值在值在红外红外区域。故选用时要把元件和光源区域。故选用时要把元件和光源结合起来考虑。结合起来考虑。图图8-10 8-10 光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性0 500 1000 1500 2000 25000 500 1000 1500 2000 25002020404060608080100100硫化镉硫化镉硫化镉硫化镉硫化铊硫化铊硫化铊硫化铊硫化铅硫化铅硫化铅硫化铅入射光波长入射光波长入射光波长入射光波长/nm/nm/nm/nm相相相相对对对对灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度/%52(4)(4)伏安特性伏安特性所加的电压越高，光电流越大，而且没有饱所加的电压越高，光电流越大，而且没有饱和的现象。和的现象。在给定的电压下，光电流的数值将随光照在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增大。增强而增大。0 10 20 30 40 500 10 20 30 40 505050100100150150200200250250I I I I/A/A/A/AU UU U/V/V/V/V 图图8-11 8-11 光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性 53（5 5）频率特性频率特性时间常数：光敏电阻自停止光照起到电流时间常数：光敏电阻自停止光照起到电流下降为原来的下降为原来的63%63%所需要的时间。所需要的时间。入射光调制频率入射光调制频率入射光调制频率入射光调制频率/Hz/Hz/Hz/Hz相相相相对对对对灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度/%0 10 100 10 102 2 10 103 3 10 104 42020404060608080100100硫化镉硫化镉硫化镉硫化镉硫化铅硫化铅硫化铅硫化铅图图8-12 8-12 光敏电阻的频率特性光敏电阻的频率特性 多数光敏电阻多数光敏电阻的时间常数都的时间常数都很大。很大。54(6)(6)温度特性温度特性峰值随温度上升向波长峰值随温度上升向波长短短的方向移动。的方向移动。20204040606080801001000 1.0 2.0 3.0 4.0 5.00 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 /m/m/m/m相对灵敏度（相对灵敏度（相对灵敏度（相对灵敏度（%）+20 C+20 C+20 C+20 C-20 C-20 C-20 C-20 C图图8-13 8-13 光敏电阻的光谱温度特性光敏电阻的光谱温度特性55初制成的光敏电阻，由于电阻体与其介质初制成的光敏电阻，由于电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，性能不稳定。但的作用还没有达到平衡，性能不稳定。但在人工加温、光照及加负载情况下，性能在人工加温、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，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。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。理的情况下几乎是无限长的。（7 7）稳定性）稳定性568.4.2 8.4.2 光电池光电池 光电池是利用光电池是利用光生伏特效应光生伏特效应把光直接转变把光直接转变成电能的光电器件。由于它可把太阳能直成电能的光电器件。由于它可把太阳能直接转变为电能，因此又称为接转变为电能，因此又称为太阳能电池太阳能电池。它有它有较大面积的较大面积的PN结，结，当光照射在当光照射在PN结结上时，在结的两端出现电动势。故光电池上时，在结的两端出现电动势。故光电池是是有源元件。有源元件。57光电池有硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、光电池有硒光电池、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、最有发展前途的是广、最有发展前途的是硅光电池硅光电池和和硒光电池硒光电池。硅光电池硅光电池的价格便宜，转换效率高，寿命长，适的价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。于接受红外光。硒光电池硒光电池的光电转换效率低、寿的光电转换效率低、寿命短，适于接收可见光。命短，适于接收可见光。砷化镓光电池砷化镓光电池转换效率转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性与太阳光谱最吻比硅光电池稍高，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。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。源方面应用最广。581.1.光电池的结构和工作原理光电池的结构和工作原理图图8-14 8-14 光电池的结构图光电池的结构图下电极下电极下电极下电极梳状电极梳状电极梳状电极梳状电极SiOSiOSiOSiO2 2 2 2抗反射膜抗反射膜抗反射膜抗反射膜P P P PN N N N硅光电池的结构如硅光电池的结构如图。它是在一块图。它是在一块N型硅片上用扩散的型硅片上用扩散的办法掺入一些办法掺入一些P型型杂质（如硼）形成杂质（如硼）形成PN结。结。59图图8-15 8-15 光电池的工光电池的工作原理示意图作原理示意图R R R RL L L LI I I I-mAmAmAmAV V V V+P P P P当光照到当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子将在结区附近激发出电子-空穴对，空穴对，在在N区区聚积负电荷，聚积负电荷，P区聚积正电荷，区聚积正电荷，这样这样N区和区和P区之间出现电位差。区之间出现电位差。若将若将PN结两端用导线结两端用导线连起来，电路中就有连起来，电路中就有电流流过。若将外电电流流过。若将外电路断开，就可测出路断开，就可测出光光生电动势。生电动势。N602.2.基本特性基本特性（）光谱特性（）光谱特性 故硒光电池适用于可见光，常用于分析仪故硒光电池适用于可见光，常用于分析仪器、测量仪表。如用照度计测定光的强度。器、测量仪表。如用照度计测定光的强度。硅光电池的光谱硅光电池的光谱峰值在峰值在800nm800nm附近，硒的在附近，硒的在540nm540nm附近。附近。2020404060608080100100硒硒硒硒硅硅硅硅入射光波长入射光波长入射光波长入射光波长 /nm/nm/nm/nm0 400 600 800 1000 12000 400 600 800 1000 1200相相相相对对对对灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度/%图图8-16 8-16 光电池的光谱特性光电池的光谱特性61(2)(2)光照特性光照特性不同光照射下有不同光照射下有不同光电流和光生不同光电流和光生电动势。电动势。短路电短路电流流在很大范围内与在很大范围内与光强成线性关系。光强成线性关系。图图8-17 8-17 光电池的光照特性光电池的光照特性开路电压开路电压开路电压开路电压0.10.10.30.30.20.2照度照度照度照度/lx/lx/lx/lx0 2000 4000 0 2000 4000 光光光光生生生生电电电电流流流流/mmmmA A A A0.20.20.60.60.40.4光光光光生生生生电电电电压压压压/V V V V短路电流短路电流短路电流短路电流开路电压开路电压与光强是非线性的，且在与光强是非线性的，且在2000 2000 lxlx时趋于饱和。时趋于饱和。光电池作为测量元件时，光电池作为测量元件时，应把它作为应把它作为电流源电流源的形式来使用，不宜用作的形式来使用，不宜用作电压源，且电压源，且负载电阻越小越好负载电阻越小越好。62(3)(3)频率特性频率特性硅光电池有很高的频率响应，可用于高速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。记数、有声电影等方面。光电池的频率特光电池的频率特性是反映光的交性是反映光的交变频率和光电池变频率和光电池输出电流的关系。输出电流的关系。图图8-18 8-18 光电池的频率特性光电池的频率特性2020404060608080100100硒光电池硒光电池硒光电池硒光电池硅光电池硅光电池硅光电池硅光电池0 1500 3000 4500 6000 75000 1500 3000 4500 6000 7500相相相相对对对对光光光光电电电电流流流流/%入射光调制频率入射光调制频率入射光调制频率入射光调制频率/Hz/Hz/Hz/Hz63(4)(4)温度特性温度特性主要描述光电池主要描述光电池的的开路电压开路电压和和短短路电流路电流随温度变随温度变化的情况。化的情况。开路电压开路电压随温度升高而下降的速度较快。随温度升高而下降的速度较快。短路电流短路电流随温度升高而缓慢增加。随温度升高而缓慢增加。因此作测量元件时应考虑进行温度补偿。因此作测量元件时应考虑进行温度补偿。图图8-19 8-19 光电池的温度特性光电池的温度特性开路电压开路电压开路电压开路电压温度温度温度温度/光光光光生生生生电电电电流流流流/mmmmA A A A1.81.82.22.22.02.0光光光光生生生生电电电电压压压压/V V V V短路电流短路电流短路电流短路电流1001002002003003004004005005000 20 40 60 80 1000 20 40 60 80 100648.4.3 光敏晶体管光敏晶体管1.1.光敏二极管光敏二极管光敏二极管在电路中一般是处于反向工作光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。状态。光敏二极管的光照特性是线性的，适合检光敏二极管的光照特性是线性的，适合检测等方面的应用。测等方面的应用。R R R RL L L L 光光光光P P P PN N N NP P P PN N N N光光光光65PNRE+-If f66PNRE-+Is s67RE-+I当光照射时，光敏二极管处于导通状态。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，光敏二极管处于截止状态。PN68692.2.光敏三极管光敏三极管集电结一边做得很大，以扩大光的照射面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。积，且基极一般不接引线。P PP PN N becN NN NP Pe bc70普通三极管普通三极管IC CIB BeEB BEC CIE ERC CRb bcbNNP71光敏三极管光敏三极管基区很薄，基区很薄，基极一般不接引线；基极一般不接引线；集电极面积较大。集电极面积较大。IC CeEC CIE ERC CcNNPb72当集电极加上正电压，基极开路当集电极加上正电压，基极开路时，集电结处于反向偏置状态。时，集电结处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时，当光线照射在集电结的基区时，产生电子、空穴对，光生电子被产生电子、空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，相当于给发基极与发射极间的电压升高，相当于给发射结加了正向偏压，使电子大量流向集电射结加了正向偏压，使电子大量流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的流的 倍。倍。基本工作线路：基本工作线路：cbeRL L733.3.光敏晶体管的主要特性光敏晶体管的主要特性(1)