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1、第5章 光敏传感器,单元12 光敏电阻 单元13 光电管 单元14 光生伏特元件,化学工业出版社,单元12 光敏电阻,【电路图】,【电路分析】,图示为光敏电阻接线电路。把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射可改变电路中电流的大小。光敏电阻在受到光的照射时，其导电性能增强，电阻Rg值下降，流过光敏负载电阻RL的电流及其两端电压也随之变化。 光敏电阻工作基于内光电效应：当无光照时，光敏电阻具有很高的阻值；当光敏电阻受到一定波长范围的光照射时，光子的能量大于材料的禁带宽度，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，激发出可以导电的电子空穴对，使电阻降低；光线越强，激发出的电子空穴对越多，
2、电阻值越低；光照停止后，自由电子与空穴复合，导电性能下降，电阻恢复原值。,下图为光敏电阻结构，在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体物质，半导体的两端装上金属电极，使电极与半导体层可靠地电接触，然后，将它们压入塑料封装体内。为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。光敏电阻一般为半导体材料。,【知识要点】,1.光电式传感器是将光信号转换成电信号的光敏器件，它可用于检测直接引起光强变化的非电量，如光强、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件线度、表面粗糙度、位移、速度、加速度等。光电式传感
3、器具有响应快、性能可靠、能实现非接触测量等优点，因而在检测和控制领域获得广泛应用。 2.光电效应 光电式传感器的作用原理是基于一些物质的光电效应。光电效应有外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三种情形。 （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。其中，向外发射的电子称为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。外光电效应光电元件有光电管、光电倍增管等。 （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，物体的电阻率发生改变的现象。光敏电阻是典型的基于内光电效应的光电元件。 （3）光生伏特效应 在光线照射下，材料吸收光能后，物体产
4、生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。光生伏特效应光电元件有光敏二极管、光敏三极管、光电池等。,回到第一页,单元13 光电管,【电路图】,【电路分析】,图示为光电管工作电路图。当光电管的阴极受到适当波长的光线照射时，有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流。如果在外电路中串联适当阻值的电阻，则在光电管组成的回路中形成电流I，并在负载电阻RL上产生输出电压UOUT。在入射光的频谱成分和光电管电压不变的条件下，输出电压UOUT与入射光通量成正比。,光电管的结构示意图：,光电倍增管结构示意图 ：,光电倍增管电路原理图 ：,【知识要点】,1.基于外光电效应工作原理制成
5、的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件（如光电管、光电倍增管）。 2.光电倍增管的主要参数: （1）暗电流 光电倍增管接上工作电压后，在没有光照的情况下阳极仍会有一个很小的电流输出， 此电流即称为暗电流光电倍增管在工作时，其阳极输出电流由暗电流和信号电流两部分组成。当信号电流比较大时，暗电流的影响可以忽略，但是当光信号非常弱，以至于阳极信号电流很小甚至和暗电流在同一数量级时，暗电流将严重影响对光信号测量的准确性。所以暗电流的存在决定了光电倍增管可测量光信号的最小值。一只好的光电倍增管，要求其暗电流小并且稳定。 （2）倍增系数M 倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射系数i的连乘积：,回到第
6、一页,单元14 光生伏特元件,【电路图】,【电路分析】,图示为光敏二极管原理图。光敏二极管和普通半导体二极管一样，它的PN结具有单向导电性，因此光敏二极管工作时应加上反向电压。 无光照时，处于反偏的光电二极管工作在截止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，越过阻挡层形成微小的反向电流（暗电流）。反向电流（暗电流）小的原因是PN结中P区的电子和N区中的空穴很少。当光照射在PN结上时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子空穴对，使得P区和N区的少数载流子浓度增加，在外加反偏电压和内电场的作用下，P区的少数载流子越过阻挡层进入N区，N区的少数载流子越过阻挡层进入P区，从而使通过PN结反向
7、电流增加，形成光电流。光电流流过负载电阻RL时，在电阻两端将得到随入射光变化的电压信号，实现光电功能转换。,下图为光敏三极管原理图，光敏三极管的集电极接正电压，其发射极接负电压。当无光照射时，流过光敏三极管的电流，即正常情况下光敏三极管集电极与发射极之间的穿透电流Iceo，也是光敏三极管的暗电流。,光敏二极管结构图：,光敏三极管结构图：,【知识要点】,1.暗电流 光敏二极管的暗电流是指光敏二极管无光照射时还有很小的反向电流。暗电流决定了低照度时的测量界限。光敏三极管的暗电流就是它在无光照射时的漏电流。 2.短路电流 光敏二极管的短路电流是指PN 结两端短路时的电流，其大小与光照度成比例。 3.
8、正向电阻和反向电阻 当无光照射时，光敏二极管正向电阻和反向电阻均很大。当有光照射时，光敏二极管有较小的正向电阻和较大的反向电阻。 4.基本特性 （1）光照特性：,（2）光谱特性,（3）伏安特性,（4）温度特性,【电路图】,【电路分析】,图示为光电池原理图。入射光照射在PN结上时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则在PN结内产生“电子空穴”对，在内电场的作用下，空穴移向P区，电子移向N区，使P区带正电，N区带负电，因而PN结产生电势。当光照射到PN结上时，如果在两级间串接负载电阻，则在电路中便产生电流。 图5.26所示为光电池结构。光电池是在光线照射下，直接将光量转变为电动势的光电元件，实质
9、上它就是电压源。这种光电器件是基于阻挡层的光电效应。硅光电池是在一块N型硅片上，用扩散的方法掺入一些P型杂质(例如硼)形成PN结。,下图所示为光电池结构。光电池是在光线照射下，直接将光量转变为电动势的光电元件，实质上它就是电压源。这种光电器件是基于阻挡层的光电效应。硅光电池是在一块N型硅片上，用扩散的方法掺入一些P型杂质(例如硼)形成PN结。,【知识要点】,光电池的基本特性： 1.光电池的光谱特性,2.光电池的光照特性,3.光电池的频率特性 光电池的频率特性是指光的调制频率和输出电流之间的关系。硅光电池具有较高的频率响应，而硒光电池较差。 4.光电池的温度特性 光电池的温度特性是指光电池的开路电压和短路电流随温度变化的关系。光电池的温度特性是描述光电池的开路电压、短路电流随温度变化的曲线。开路电压随温度增加而下降的速度较快，而短路电流随温度上升而增加的速度却很缓慢。因此，用光电池作为敏感元件时，在自动检测系统设计时就应考虑到温度的漂移，需采取相应的措施进行补偿。,回到第一页,
