项目6-光电传感器及其应用.ppt

项目项目6 光电传感器及其应用光电传感器及其应用6.1 6.1 光电效应及光电器件光电效应及光电器件6.2 6.2 红外传感器红外传感器 6.3 6.3 激光传感器激光传感器6.4 6.4 光纤传感器光纤传感器6.5 6.5 光电传感器应用实例光电传感器应用实例16.1 6.1 光电效应及光电器件光电效应及光电器件 将光量转换为电量的器件称为光电传感将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。光电式传感器的工作原理是：器或光电元件。光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。光电传感后通过光电转换元件变换成电信号。光电传感器的工作基础是光电效应。器的工作基础是光电效应。26.1.1 6.1.1 外光电效应外光电效应 光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射在光线作用下，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。的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电器件由光电管、光电倍增管等。基于外光电效应的光电器件由光电管、光电倍增管等。我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能力由下式确定。力由下式确定。3逸出电子的动能逸出电子的动能 若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功逸出功A A0 0时，电子就逸出物体表面，产生电子发时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一个电子逸出，则光子能量射。故要使一个电子逸出，则光子能量hh必须超必须超出逸出功出逸出功A A0 0，超过部分的能量，表现为逸出电子，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即的动能。即(爱因斯坦光电效应方程)46.1.2 6.1.2 内光电效应内光电效应 受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两大类。大类。1 1）光电导效应。在光线作用下，电子吸收光子能）光电导效应。在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这种效应的器件化，这种效应称为光电导效应。基于这种效应的器件有光敏电阻等。有光敏电阻等。2 2）光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生）光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。的器件有光电池和光敏晶体管等。5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光电导效应的过程光电导效应的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。加，从而使电导率变大。6 在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。象称为光生伏特效应。具有该效应的材料有硅、硒、氧化亚铜、硫化具有该效应的材料有硅、硒、氧化亚铜、硫化镉、砷化镓等。镉、砷化镓等。例如，当一定波长的光照射例如，当一定波长的光照射PNPN结时，就产生电结时，就产生电子子-空穴对，在空穴对，在PNPN结内电场的作用下，空穴移向结内电场的作用下，空穴移向P P区，电子移向区，电子移向N N区，于是区，于是P P区和区和N N区之间产生电压，区之间产生电压，即光生电动势。即光生电动势。利用该效应可制成各类光电池。利用该效应可制成各类光电池。6.1.3 6.1.3 光生伏特效应光生伏特效应7光电管和光电倍增管光电管和光电倍增管 光电管和光电倍增管同属于用外光电效应光电管和光电倍增管同属于用外光电效应制成的光电转换器件。制成的光电转换器件。6.1.4 6.1.4 光电器件光电器件光电管光电管光电倍增管光电倍增管8光电管的结构示意图光电管的结构示意图光光阳极阳极光电阴极光电阴极光窗光窗1.1.光电管光电管 光电管有真空光电管和充气光电管，或称电子光电管光电管有真空光电管和充气光电管，或称电子光电管和离子光电管两类。两者结构相似，如图。它们由一个阴和离子光电管两类。两者结构相似，如图。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。9普通光电管普通光电管 在一个真空泡内装有两个电在一个真空泡内装有两个电极：光电阴极和光电阳极。极：光电阴极和光电阳极。光电阴极通常是用逸出功小光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁上的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔。做成，其感光面对准光的照射孔。当光线照射到光敏材料上，当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些电子被具有便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就内形成空间电子流，在外电路就产生电流。产生电流。10光电管的结构和电路光电管的结构和电路11光电管的伏安特性光电管的伏安特性5020lm40lm60lm80lm100lm120lm100150200024681012阳极与末级倍增极间的电压阳极与末级倍增极间的电压/VIA/A光电器件的主要性能光电器件的主要性能（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，在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电流之间的关系称为光电管的伏安特性。管的伏安特性。光电管的伏安特性光电管的伏安特性如图所示。它是应用光如图所示。它是应用光电传感器参数的主要依电传感器参数的主要依据。据。12光电管的光照特性光电管的光照特性255075100200.51.5 2.0/1mIA/A1.02.51（2 2）光电管的光照特性光电管的光照特性 通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线如图所示。曲线照特性。其特性曲线如图所示。曲线1 1表示表示氧铯阴极氧铯阴极光电光电管的光照特性，光电流管的光照特性，光电流I I与光通量成线性关系。与光通量成线性关系。曲线曲线2 2为为锑铯阴极锑铯阴极的光的光电管光照特性，它成电管光照特性，它成非线性关系。光照特非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之流与入射光光通量之间比）称为光电管的间比）称为光电管的灵敏度。灵敏度。13（3 3）光电管光谱特性）光电管光谱特性 由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。长之间的关系叫光电管的光谱特性。一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率红限频率f f0 0，因此它们可用于不同的光谱范围。，因此它们可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率限频率f f0 0，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。142.2.光电倍增管光电倍增管(1)(1)结构与原理结构与原理 由于真空光电管的灵敏度较低，因此人们便研制了光由于真空光电管的灵敏度较低，因此人们便研制了光电倍增管，其工作原理如图。电倍增管，其工作原理如图。15入射光光电阴极第一倍增极阳极第三倍增极光电倍增管的光电倍增管的工作原理工作原理 光光电电倍倍增增管管由由光光阴阴极极、次次阴阴极极(倍倍增增电电极极)以以及及阳阳极极三三部部分分组组成成。光光阴阴极极是是由由半半导导体体光光电电材材料料锑锑铯铯做做成成；次次阴阴极极是是在在镍镍或或铜铜-铍铍的的衬衬底底上上涂涂上上锑锑铯铯材材料料而而形形成成的的，次次阴阴极极多多的的可可达达3030级级；阳阳极极是是最最后后用用来来收收集集电电子子的的，收收集集到到的的电电子子数数是是阴阴极极发发射射电电子子数数的的10105 510108 8倍倍。即即光光电电倍倍增增管管的的放放大大倍倍数数可可达达几几万万倍倍到到几几百百万万倍倍。光光电电倍倍增增管管的的灵灵敏敏度度就就比比普普通通光光电电管管高高几几万万倍倍到到几几百百万万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。16(2)(2)主要参数主要参数1 1）倍增系数）倍增系数 M M 电流放大倍数电流放大倍数 MM与所加电压有关，一般在与所加电压有关，一般在10105 510108 8之间。一般之间。一般阳极和阴极的电压为阳极和阴极的电压为1000V1000V2500V2500V，两个相邻的倍，两个相邻的倍增电极的电压差为增电极的电压差为50V50V100V100V。172 2）阴极灵敏度和总灵敏度）阴极灵敏度和总灵敏度 一个光子在阴极上一个光子在阴极上能够打出的平均电子数能够打出的平均电子数称为光电阴极的灵敏度。称为光电阴极的灵敏度。而一个光子在阳极上产而一个光子在阳极上产生的平均电子数称为光生的平均电子数称为光电倍增管的总灵敏度。电倍增管的总灵敏度。光电倍增管的放大光电倍增管的放大倍数或总灵敏度如图所倍数或总灵敏度如图所示。示。183 3）暗电流和本底脉冲）暗电流和本底脉冲 一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境温度、避光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境温度、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，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流暗电流，这是热发，这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除。电路消除。如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为况下，出现的电流称为本底电流本底电流，其值大于暗电流。增，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，本底电流本底电流具具有有脉冲形式脉冲形式。19光电光电倍增倍增管的管的光照光照特性特性与直线最大偏离是3%10131010109107105103101在 45mA处饱和10141010106102光通量/1m阳极电流/A4 4）光电倍增管的光谱特性）光电倍增管的光谱特性 光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较好的管子，在很电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较好的管子，在很宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于于1010-4-4lmlm时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图所示。性，如图所示。20光敏电阻光敏电阻 光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。强而减小。优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。抗过载能力强和寿命长等。不足：需要外部电源，有电流时会发热。不足：需要外部电源，有电流时会发热。21 当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带导体材料，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，从而使导带的电子和价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，致使光导体的电导率变大。带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。为实现能为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度宽度E Eg g，即，即 h h=E Eg(eVg(eV)式中式中和和入射光的频率和波长。入射光的频率和波长。一种光电导体，存在一个照射光的波长限一种光电导体，存在一个照射光的波长限C C，只，只有波长小于有波长小于C C的光照射在光电导体上，才能产生电子的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。1.1.光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理22 如如图图所所示示。管管芯芯是是一一块块安安装装在在绝绝缘缘衬衬底底上上带带有有两两个个欧欧姆姆接接触触电电极极的的光光电电导导体体。光光导导体体吸吸收收光光子子而而产产生生的的光光电电效效应应，只只限限于于光光照照的的表表面面薄薄层层，虽虽然然产产生生的的载载流流子子也也有有少少数数扩扩散散到到内内部部去去，但但扩扩散散深深度度有有限限，因因此此光光电电导导体体一一般般都都做做成成薄薄层层。为为了了获获得得高高的的灵灵敏敏度度，光光敏敏电电阻的电极一般采用硫状图案。阻的电极一般采用硫状图案。2.2.光敏电阻的结构光敏电阻的结构A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬低引线电极引线光电导体光电导体231-光导层;2-玻璃窗口;3-金属外壳;4-电极;5-陶瓷基座;6-黑色绝缘玻璃;7-电阻引线。RG1234567(a)结构结构 (b)电极电极 (c)符符号号CdS光敏电阻的结构和符号光敏电阻的结构和符号3.光敏电阻的符号光敏电阻的符号24RGRLEI6.6.光敏电阻的连线电路光敏电阻的连线电路 光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电导体严密封装在玻璃壳体中。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路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。流的大小，其连线电路如图所示。光敏电阻具有光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱很高的灵敏度，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、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、价格便宜性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。，因此应用比较广泛。255.5.光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数 暗电阻：暗电阻：光敏电阻在室温条件下，全暗光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流称称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流称为暗电流。为暗电流。亮电阻：亮电阻：光敏电阻在某一光照下的阻值，光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流称为称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流称为该光照下的亮电流。该光照下的亮电流。光电流：光电流：亮电流与暗电流之差。亮电流与暗电流之差。265010015020012U/V02040I/A 6.6.光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性 （1 1）伏安特性伏安特性 在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。图中曲线关系称为伏安特性。图中曲线1 1、2 2分别表示照度为分别表示照度为零零及照度及照度为为某值某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性能导致光敏电阻永久性损坏。损坏。27012345I/mA L/lx10002000（2 2）光照特性）光照特性 下下图图表表示示CdSCdS光光敏敏电电阻阻的的光光照照特特性性。在在一一定定外外加加电电压压下下，光光敏敏电电阻阻的的光光电电流流和和光光通通量量之之间间的的关关系系。不不同同类类型型光光敏敏电电阻阻光光照照特特性性不不同同，但但光光照照特特性性曲曲线线均均呈呈非非线线性性。因因此此它它不不宜宜作作定定量量检检测测元元件件，这这是是光光敏敏电电阻阻的的不不足足之之处处。一一般般在在自自动动控控制制系统中用作光电开关。系统中用作光电开关。28204060801004080120160200240/m312相对灵敏度1-1-硫化镉硫化镉2-2-硒化镉硒化镉3-3-硫化铅硫化铅（3 3）光谱特性）光谱特性 光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，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。考虑，才能获得满意的效果。2920406080100I/%f/Hz010102103104硫化硫化铅铅硫化硫化镉镉 （4 4）频率特性）频率特性 当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延 特性不同，所以它们的频率特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。硫化铅特性也不同，如图。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时延都比但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。求快速响应的场合。30I/%408012016021T/h0400 800 1200 1600 （5 5）稳定性）稳定性 图中曲线图中曲线1 1、2 2分别表示两种型号分别表示两种型号CdSCdS光敏电阻的稳定性。光敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，由于初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定体内机构工作不稳定，以及，以及电阻体电阻体与其介质的作用还没有达到平衡与其介质的作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的。，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有性能可达稳定。光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上升，些样品阻值上升，有些样品阻值下降，但最后达到有些样品阻值下降，但最后达到一个稳定值后就不再变了。这一个稳定值后就不再变了。这就是光敏电阻的主要优点。就是光敏电阻的主要优点。光敏电阻的使用寿命在密光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下，封良好、使用合理的情况下，几乎是几乎是无限长无限长的。的。31I/A100150200-50-1030 5010-30T/C2040608010001.02.03.06.0/mI/mA+20+20 C C-20-20 C C（6 6）温度特性）温度特性 其性能其性能(灵敏度、暗电阻灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。随着温受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流向波长短的方向移动。硫化镉的光电流I I和温度和温度T T的关系如的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段图所示。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。阻的温度降低。32光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管33 光敏二极管符号如图。锗光敏二极管有光敏二极管符号如图。锗光敏二极管有A A，B B，C C，D D四类；四类；硅光敏二极管有硅光敏二极管有2CU1A2CU1AD D系列、系列、2DU12DU14 4系列。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，其外壳中，其PNPN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于在电路中一般是处于反向工作状态反向工作状态，如图所示。，如图所示。PN光光敏二极管符号光敏二极管符号RL 光光PN光敏二极管接线光敏二极管接线1.1.光敏二极管光敏二极管34P-SiN-SiI-SiPIN管结构示意图管结构示意图PIN PIN 结光电二极管结光电二极管 PINPIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P P型半导体和型半导体和N N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，半导体。这样，PNPN结的内电场就基本上全集中于结的内电场就基本上全集中于 I I 层中，层中，从而使从而使PNPN结双电层的间距加宽，结电容变小。结双电层的间距加宽，结电容变小。35雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)(APD)雪崩光电二极管是利用雪崩光电二极管是利用PNPN结在高反向电压下结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。产生的雪崩效应来工作的一种二极管。这种管子这种管子工作电压很高工作电压很高，约，约100100200V200V，接近，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在光生电子在这种强电场中可得到极大的加速这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，压时，电流增益可达电流增益可达106106，即产生所谓的雪崩。这，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，种管子响应速度特别快，带宽可达带宽可达100GHz100GHz，是目，是目前响应速度最快的一种光电二极管。前响应速度最快的一种光电二极管。36 光敏三极管有光敏三极管有PNPPNP型和型和NPNNPN型两种，如图。其结型两种，如图。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益构与一般三极管很相似，具有电流增益,只是它的只是它的发射极一边做的很大发射极一边做的很大,以扩大光的照射面积以扩大光的照射面积,且其且其基极不接引线。当集电极加上正电压基极不接引线。当集电极加上正电压,基极开路时基极开路时,集电极处于反向偏置状态。集电极处于反向偏置状态。PPNNNPe b bc RL Eec2.2.光敏三极管光敏三极管37光敏三极管的结构和电路光敏三极管的结构和电路38相对灵敏度/%硅锗入射光/400080001200016000100806040200硅的峰值波长为硅的峰值波长为90009000，锗的峰值波长为锗的峰值波长为1500015000。由于锗管的暗电流比硅管由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。则采用锗管较合适。光敏三极管基本特性光敏三极管基本特性 （1）光谱特性）光谱特性 光光敏敏三三极极管管存存在在一一个个最最佳佳灵灵敏敏度度的的峰峰值值波波长长。当当入入射射光光的的波波长长增增加加时时，相相对对灵灵敏敏度度要要下下降降。因因为为光光子子能能量量太太小小，不不足足以以激激发发电电子子空空穴穴对对。当当入入射射光光的的波波长长缩缩短短时时，相相对对灵灵敏敏度度也也下下降降，这这是是由由于于光光子子在在半半导导体体表表面面附附近近就就被被吸吸收收，并并且且在在表表面面激激发发的的电电子子空空穴穴对对不不能能到到达达PNPN结结，因因而而使使相相对对灵灵敏敏度度下下降。降。390500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080光敏晶体管的伏安特性光敏晶体管的伏安特性U/V（2 2）伏安特性）伏安特性 光敏三极管的伏安特性曲线如图所示。光敏三极管在光敏三极管的伏安特性曲线如图所示。光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极e e与基极与基极b b之间的之间的PNPN结附近，所产生的光电流看作基极电流，结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。信号变成电信号，而且输出的电信号较大。40光敏晶体管的光照特性光敏晶体管的光照特性I/AL/lx200400600800100001.02.03.0（3）光照特性）光照特性 光敏晶体管的光照特性如图所示。它给出了光光敏晶体管的光照特性如图所示。它给出了光敏三极管的输出电流敏三极管的输出电流 I I 和照度之间的关系。它们和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大之间呈现了近似线性关系。当光照足够大(几几klxklx)时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作时，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。线性转换元件，也可作开关元件。41暗电流/mA光电流/mA10 20 30 40 50 60 70T/C2505010002003004001020 30 4050 60 70 80T/C光敏晶体管的温度特性光敏晶体管的温度特性（4）温度特性）温度特性 光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而线可以看出，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。电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。42 光敏三极管的频率特性曲线如图所示。光敏三极管光敏三极管的频率特性曲线如图所示。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差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5 5k kHzHz以下。硅管以下。硅管的频率响应要比锗管好。的频率响应要比锗管好。0100100050050001000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k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晶体管的频率特性（5 5）频率特性）频率特性43不同光敏器件的响应时间有所不同。不同光敏器件的响应时间有所不同。光敏电阻较慢，约为（光敏电阻较慢，约为（10101 11010）s s，一般，一般不能用于要求快速响应的场合。不能用于要求快速响应的场合。工业用的硅光敏二极管的响应时间为（工业用的硅光敏二极管的响应时间为（10105 5 10107 7）s s左右，左右，光敏三极管的响应时间比二极管约慢一个数量光敏三极管的响应时间比二极管约慢一个数量级，在要求快速响应或入射光、调制光频率较高时级，在要求快速响应或入射光、调制光频率较高时应选用硅光敏二极管。应选用硅光敏二极管。（6 6）响应时间）响应时间44 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。由于它可把太阳能直接变电能，又称为太阳能电池。它是由于它可把太阳能直接变电能，又称为太阳能电池。它是发电式有源元件。它有较大面积的发电式有源元件。它有较大面积的PNPN结，当光照射在结，当光照射在PNPN结上时，结上时，在结的两端出现电动势。在结的两端出现电动势。命名方式：命名方式：把光电池的半导体材料的名称冠于光电池之把光电池的半导体材料的名称冠于光电池之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前,应用最应用最广、最有发展前途的是硅光电池。广、最有发展前途的是硅光电池。6.1.56.1.5光电池光电池+光光PNSiO2RLI光P N45硅光电池的结构如图所示。它是在一块硅光电池的结构如图所示。它是在一块N N型硅片上用扩散型硅片上用扩散的办法掺入一些的办法掺入一些P P型杂质型杂质(如硼如硼)形成形成PNPN结。结。当光照到当光照到PNPN结区时，结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在空穴对，在N N区聚积负电荷，区聚积负电荷，P P区聚积正电荷，这样区聚积正电荷，这样N N区和区和P P区之间出现电位区之间出现电位差差。若将。若将PNPN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由方向由P P区流经外电路至区流经外电路至N N区。若将外电路断开，就可测出光生区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。电动势。1.1.工作原理工作原理+光光PNSiO2RL(a)光电池的结构图光电池的结构图I光(b)光电池的工作原理示意图光电池的工作原理示意图P N46IUIdUIRLI(a)(b)(c)光电池符号和基本工作电路光电池符号和基本工作电路2.光电池的表示符号及电路光电池的表示符号及电路 光电池的表示符号、基本电路及等效电路如光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。图所示。47L/klxL/klx5432100.10.20.30.40.5246810开路电压Uoc/V0.10.20.30.40.50.30.1012345Uoc/VIsc/mAIsc/mA(a)硅光电池硅光电池(b)硒光电池硒光电池开路电压短路电流短路电流3.3.基本特性基本特性 （1 1）光照特性）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，开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为当照度为2000lx2000lx时趋向饱和。时趋向饱和。短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线4802468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx5010010005000RL=0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。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接负载近似地满足“短路短路”条件。条件。下图表示硒光电池在不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，负载电阻同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，负载电阻RLRL越越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。49204060801000.40.60.81.01.20.2I /%12/m1-1-硒光电池硒光电池2-2-硅光电池硅光电池(2)(2)光谱特性光谱特性 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，峰值波长在电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm540nm附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围400nm400nm1100nm1100nm，峰值波长在，峰值波长在850nm850nm附近，因此硅光电池可以在很附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。宽的范围内应用。50在一定照度下，在一定照度下，光电流光电流I I与光电池两与光电池两端电压端电压V V的对应关系，的对应关系，称为伏安特性。称为伏安特性。伏安特性可以伏安特性可以帮助我们确定光敏帮助我们确定光敏元件的负载电阻，元件的负载电阻，设计应用电路。设计应用电路。（3 3）伏安特性）伏安特性51204060801000I/%1234512f/kHz1-1-硒光电池硒光电池2-2-硅光电池硅光电池(4)(4)频率特性频率特性 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。由于光电池系。由于光电池PNPN结面积较大，极间电容大，故频率特性结面积较大，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，如曲线池具有较高的频率响应，如曲线2 2，而硒光电池则较差，而硒光电池则较差，如曲线如曲线1 1。522004060904060UOC/mVT/CISCUOCISC/A600400200U UOCOC-开路电压开路电压I ISC SC-短路电流短路电流硅光电池在硅光电池在1000lx1000lx照照度下的温度特性曲线度下的温度特性曲线（5 5）温度特性）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的关系。由图可见，开路电