检测课程模板 (8-光电)

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1、检检 测测 技技 术术 基基 础础 检测就是去认识检测就是去认识 科学家西门子（W.Ven.Siemens） 七、光电传感器 光电传感器 光电效应光电效应 由光的粒子学说知道由光的粒子学说知道, ,光可以视为具有光可以视为具有一定能量的粒子一定能量的粒子所组所组 成，每个光子所具的成，每个光子所具的能量能量E E正比于其频率正比于其频率f f，光照相当于光子序，光照相当于光子序 列轰击物体列轰击物体。 随着微电子技术随着微电子技术, ,光导纤光导纤 维技术的发展维技术的发展, ,光电传感器光电传感器 的应用与日俱增。它将光信的应用与日俱增。它将光信 号转换成电信号。号转换成电信号。 光照射在某

2、些物质上光照射在某些物质上, ,物物 质的电子吸收光能而释放质的电子吸收光能而释放 电子的现象称为光电效应。电子的现象称为光电效应。 一、外光电效应及其器件一、外光电效应及其器件 光电效应就是指物体吸收光能后产生的电效应。光电效应就是指物体吸收光能后产生的电效应。 光电效应大致有三种类型：光电效应大致有三种类型：外光电效应、内光电效应、光生伏特效应。外光电效应、内光电效应、光生伏特效应。 Amvh2 21假定光子频率假定光子频率= =0 0， h.h.0 0=A=A，则电子的速度，则电子的速度v=0v=0；显然，此；显然，此 时电子无法逸出表面，就不可能出现外光电效应。时电子无法逸出表面，就不

3、可能出现外光电效应。 若光子能量为若光子能量为h.h., ,不同频率的光子具有不同的能量不同频率的光子具有不同的能量, ,设光子能量全设光子能量全 部被电子吸收部被电子吸收, ,电子的能量将增加电子的能量将增加, ,增加的一部分用于克服正离子的增加的一部分用于克服正离子的 束缚束缚, ,另一部分转变成电子的动能。另一部分转变成电子的动能。 h h：普朗克常数，：普朗克常数，h=6.625x10h=6.625x10- -3434J.s; J.s; ：光子频率：光子频率; ; m:m:电子质量电子质量;v:;v:电子的速度电子的速度;A:;A:电子的溢出功。电子的溢出功。 根据爱因斯坦的光子理论：

4、根据爱因斯坦的光子理论： 光子能量：光子能量： 光照在某些光电材料上时，材料表面的电子吸收光子能量，得光照在某些光电材料上时，材料表面的电子吸收光子能量，得 到足够大时，电子克服正离子的束缚，电子逸出表面。到足够大时，电子克服正离子的束缚，电子逸出表面。 外光电器件外光电器件 为了利于产生逸出功为了利于产生逸出功, ,通常通常选用逸出功小的材料选用逸出功小的材料, ,如氧化铯如氧化铯, ,锑化锑化 铯。铯。入射光的频率越高入射光的频率越高, ,光子能量越大。越容易产生外光电效应光子能量越大。越容易产生外光电效应。 1.1.光电管光电管 典型产品为真空光电管典型产品为真空光电管, ,在真空玻璃在

5、真空玻璃 管内密封一组光电阳极管内密封一组光电阳极A A与光电阴极与光电阴极K K。光。光 照在光电阴极照在光电阴极K K上时上时, ,电子吸收光子能量逸电子吸收光子能量逸 出光电阳极出光电阳极A A的正电场吸引的正电场吸引, ,从而产生电流。从而产生电流。 A光K光KAAK光电管结构（a） 金属底层光电阴极光电管 （b） 光透明光电阴极光电管（c） 光电管外形外光电器件外光电器件 2.2.光电倍增管光电倍增管 与光电管比较，光电倍增管具与光电管比较，光电倍增管具 有光电流放大作用，主要设臵有光电流放大作用，主要设臵 n n个对光电流进行放大的个对光电流进行放大的“倍倍 增极增极”。（。（阴极

6、发射的光电子阴极发射的光电子 以高速射到倍增极上，引起二以高速射到倍增极上，引起二 次电子发射。不能受强光）次电子发射。不能受强光） RLIUOD1D3D5D2KD4D6A(a)(10001500)V+n(b)光电倍增管结构、工作原理及图形符号二、内光电效应及其器件二、内光电效应及其器件 最广泛应用的是硒化物最广泛应用的是硒化物, ,在基板上涂有硒化物薄膜在基板上涂有硒化物薄膜, ,制成制成 栅状结构栅状结构. .在光敏电阻上加上直流或交流电压。在光敏电阻上加上直流或交流电压。 光照下，材料的电阻率发生改变，如光敏电阻。光照下，材料的电阻率发生改变，如光敏电阻。 光照光照半导体材料半导体材料时

7、，材料的阶带中的电子吸收到的能量大于时，材料的阶带中的电子吸收到的能量大于 等于禁带宽度时，使电子由阶带越过禁带进入导带，显然材料的等于禁带宽度时，使电子由阶带越过禁带进入导带，显然材料的 导电率增大导电率增大。光照下，光敏电阻的电阻值下降光照下，光敏电阻的电阻值下降, ,光强度越强光强度越强, ,其阻其阻 值越下降值越下降。若停止光照，则阻值恢复原始值。制造光敏电阻的材。若停止光照，则阻值恢复原始值。制造光敏电阻的材 料有：锗，硅，硫化镉，硫化铅，锑化铟，硒化镉，硒化铅，锑料有：锗，硅，硫化镉，硫化铅，锑化铟，硒化镉，硒化铅，锑 化铅等。化铅等。 mA(a)(b)(c)图610 光敏电阻结构

8、及图形符号内光电效应内光电效应光敏电阻 b.b.光敏电阻的伏安特性：光敏电阻的伏安特性： 在在规定的光照时规定的光照时，光敏电阻两端，光敏电阻两端 施加的电压与通过的电流的关系是施加的电压与通过的电流的关系是 接近线性的。在给定的偏压情况下，接近线性的。在给定的偏压情况下， 光照度越大，光电流也就越大；光照度越大，光电流也就越大； 在一定光照度下，加的电压越大，在一定光照度下，加的电压越大， 光电流越大，没有饱和现象。光电流越大，没有饱和现象。 a. a. 暗电阻暗电阻, ,亮电阻亮电阻, ,光电流光电流 室温下室温下, ,在全暗条件下在全暗条件下, ,经过一段稳定时间测得电阻称暗电阻一般经过

9、一段稳定时间测得电阻称暗电阻一般 为为100M100M . . 光照下的电阻称亮电阻光照下的电阻称亮电阻, ,一般为几一般为几K K . . 在一定电压下，光敏电阻在全暗和有光照射这两种情况下所出现在一定电压下，光敏电阻在全暗和有光照射这两种情况下所出现 的电流称之为光电流。的电流称之为光电流。 光敏电阻结构光敏电阻结构 c.c.光照特性光照特性 光电流与光通量之间光电流与光通量之间的关系。从图的关系。从图 中看是中看是呈非线性的呈非线性的。因此不宜作为。因此不宜作为 测量元件，一般在自动控制系统中测量元件，一般在自动控制系统中 常用作常用作开关式光电信号开关式光电信号传感元件传感元件 d.d

10、.光谱特性光谱特性 光敏电阻对不同波长的光灵敏光敏电阻对不同波长的光灵敏 度不同度不同 e.e.响应时间与频率特性响应时间与频率特性 f.f.温度特性温度特性 光敏电阻也是一种半导体材光敏电阻也是一种半导体材 料其特性对温度较敏感。随料其特性对温度较敏感。随 温度增加暗电阻与灵敏度将温度增加暗电阻与灵敏度将 下降。下降。 光敏电阻突然受光，光电流并不是立刻光敏电阻突然受光，光电流并不是立刻 上升到饱和值，反之光敏电阻突然不受光，上升到饱和值，反之光敏电阻突然不受光， 光电流也不是立刻消失光电流也不是立刻消失即有个滞后。即有个滞后。 不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，不同材料的光敏电阻具有不

11、同的响应时间， 所以它们的频率特性也就不尽相同。所以它们的频率特性也就不尽相同。 三、光生伏特效应及其器件三、光生伏特效应及其器件 光照在具有光照在具有PNPN结的半导体材料上，结的半导体材料上，PNPN结两边产生电动势。即材料结两边产生电动势。即材料 内部产生一定方向的电势。内部产生一定方向的电势。 例如例如, ,一块半导体材料一块半导体材料, ,具有一个具有一个P P- -N N结结, ,原处于热平衡状态时的势原处于热平衡状态时的势 垒当光照在垒当光照在P P- -N N结上时结上时, ,若吸收的能量达到禁带宽度时若吸收的能量达到禁带宽度时, ,使电子由使电子由 阶带越过禁带进入导带，会产

12、生电子空穴对。被光激发的电子在阶带越过禁带进入导带，会产生电子空穴对。被光激发的电子在 势垒附近电场梯度的作用下向势垒附近电场梯度的作用下向N N迁移迁移, ,而空穴向而空穴向P P迁移。迁移。 若电路开路若电路开路, ,则则P P- -N N结两端呈结两端呈电势电势P P为正为正,N,N为负为负。这种光电效应有。这种光电效应有 太阳能电池、光敏晶体管等太阳能电池、光敏晶体管等 。 光敏二极管 利用光势垒效应制成利用光势垒效应制成, ,光照在光照在PNPN结结 使得势垒下降导致电流增加。使得势垒下降导致电流增加。 结构与一般二极管相似，装在透 明玻璃外壳中在电路中一般是处于 反向工作状态的。

13、注意注意: :光敏二极管在电路中应光敏二极管在电路中应 反偏接法反偏接法。否则可能无效。（。否则可能无效。（N N 接电源正极）接电源正极） 光敏三极管 光照在光照在PNPN结使得势垒下降导致电流结使得势垒下降导致电流 增加。光敏三极管比光敏二极管灵增加。光敏三极管比光敏二极管灵 敏度高敏度高, ,其原因之一就是它具有放大其原因之一就是它具有放大 作用（作用（具有两个pn结）。）。 为了提高光敏二极管或三极管为了提高光敏二极管或三极管 的受光敏感度的受光敏感度, ,通常采用透明度通常采用透明度 很高的树脂材料封装很高的树脂材料封装, ,并且在顶并且在顶 端制成透镜端制成透镜, ,起到聚光作用。

14、起到聚光作用。 ceNNP+-JcJecccceeeIcboIc=IcboIc+Ucc （320）VUo=IcRL （0V至Ucc-Uces）RLRLIc+UccUo=Ucc-Ic.RL （Ucc至Uces）a）b）c）d）e）光敏三极管a） 结构 b） 等效电路 c）图形符号 d） 应用电路 e）光敏达林顿三极管按（按（d）连接时，集电结反偏，发射结正偏。与）连接时，集电结反偏，发射结正偏。与光敏二极管相似，入射光子光敏二极管相似，入射光子 在在集电结附近产生集电结附近产生电子电子空穴对，电子受集电结电场的吸引流向集电区，空穴对，电子受集电结电场的吸引流向集电区， 基区中留下的空穴构成基区中

15、留下的空穴构成“纯正电荷纯正电荷”，使基区电压提高，致使电子从发射，使基区电压提高，致使电子从发射 区流向基区，由于基区很薄，所以，只有一小部分从发射区来的电子与基区流向基区，由于基区很薄，所以，只有一小部分从发射区来的电子与基 区的空穴结合，而大部分电子穿过基区流向集电区，这一段过程与普通三区的空穴结合，而大部分电子穿过基区流向集电区，这一段过程与普通三 极管的电流放大作用相似。极管的电流放大作用相似。 光敏晶体管的基本特性 入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。可见光或探测赤热入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。可见光或探测赤热 状态物体时（通常物质得到数百度时才能开始辐射出紫外波状态物

16、体时（通常物质得到数百度时才能开始辐射出紫外波 段），一般都用硅管。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。段），一般都用硅管。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。 a. a. 光谱特性光谱特性 在一定光照功率下光电在一定光照功率下光电 灵敏度与光频率之间的灵敏度与光频率之间的 关系。关系。 光电池 基于光生伏特效应制成基于光生伏特效应制成, ,具有较大面积的具有较大面积的P P- -N N结结. .当光照射在结当光照射在结 上上, , 两端出现电动势。用导线将两端出现电动势。用导线将pnpn结两端用导线连接起来，就有电结两端用导线连接起来，就有电 流流过，电流的方向由流流过，电流的方向由P P区流经外电路至区流经外电路至n n区。若将电路断开，就可区。若将电路断开，就可 以测出光生电动势。以测出