项目六 光电式传感器（课件）- 《传感器与检测技术应用》同步教学（人民邮电版）

项目六　光电式传感器 6.1 光电效应和光电器件 光电效应 光电元件的理论基础是光电效应。 光可以认为是由一定能量的粒子（光子）所形成，每个光子具有的能量hγ正比于光的频率γ（h为普朗克常数）。 用光照射某一物体，可以看做物体受到一连串能量为hγ的光子所轰击。 物体材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。 外光电效应 光照射于某一物体上，使电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电效应，也称光电发射。逸出来的电子称为光电子。 外光电效应可由爱因斯坦光电方程来描述： 一个光子的能量只能给物体中的一个自由电子，使自由电子能量增加hγ，这些能量一部分用于克服逸出功A，另一部分作为光电子逸出时的初动能： 内光电效应 光照射于某一物体上，使其导电能力发生变化，这种现象称为内光电效应，也称光电导效应。 硫化镉、硒化镉、硫化铅、硒化铅等在受到光照时均会出现电阻下降的现象。 电路中反偏的PN结在受到光照时也会在该PN结附近产生光生载流子（电子-空穴对）。 利用上述现象可制成光敏电阻，光敏二极管，光敏三极管，光敏晶闸管等光电转换器件。 光生伏打效应 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打效应。 具有该效应的材料有硅、硒、氧化亚铜、硫化镉、砷化镓等。 例如，当一定波长的光照射PN结时，就产生电子-空穴对，在PN结内电场的作用下，空穴移向P区，电子移向N区，于是P区和N区之间产生电压，即光生电动势。 利用该效应可制成各类光电池。 光电器件 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制成的光电转换器件。 1.光电管 光电管的外形如图6-1所示。金属阳极A和阴极K封装在一个玻璃壳内，当入射光照射在阴极时，光子的能量传递给阴极表面的电子，当电子获得的能量足够大时，逸出金属表面形成电子发射，这种电子称为光电子。 2 3 6 1 4 5 图6 -1 一种常见的光电管外形 1-阳极A 2-阴极K 3-玻璃外壳 4-管座 5-电极引脚 6-定位销 图6-2 光电管符号及测量电路 Iφ UL RO E （+50 ~ +70）V 光电管的图形符号及测量电路如图6-2所示。 2.光电倍增管 光电倍增管有放大光电流的作用，灵敏度非常高，信噪比大，线性好，多用于微光测量。 如图6-3是光电倍增管结构示意图。 U0 RL D1 D3 K A D2 D4 φ 图6-3 光电倍增管结构及工作原理 光敏电阻 光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。光敏电阻的材料有金属硫化物、硒化物、碲化物等半导体材料。 在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻，如图6-4（a）所示。 为了增加灵敏度，两电极常做成梳状，如图6-4（b）所示， 图形符号如图6-4（c）所示。 a) φ mA Iφ 图6-4 光敏电阻机构示意图及图形符号 a）原理图 b) 图6-4 光敏电阻机构示意图及图形符号 b）外形图 c) 图6-4 光敏电阻机构示意图及图形符号 c）图形符号 光敏二极管和光敏三极管 1.光敏二极管 光敏二极管是一种利用PN结单向导电性的结型光电器件，与一般半导体二极管不同之处在于其PN结装在透明管壳的顶部，以便接受光照，如图6-5（a）所示。 它在电路中处于反向偏置状态，如图6-5（b）所示。 光电流与光照度成正比。 还有一种雪崩式光敏二极管（APD）。 光照φ P N a) + – RL E U0 Iφ μA b) 图6 -5 光敏二极管 a)结构示意图及图形符号 b）基本应用电路 2.光敏三极管 光敏三极管有两个PN结，从而可以获得电流增益 。 它的结构、等效电路、图形符号及应用电路分别如图4-6（a）、（b）、（c）、（d）所示。 光敏三极管与一只普通三极管制作在同一个管壳内，连接成复合管，如图6-6（e）所示，称为达林顿型光敏三极管。它的灵敏度更大（β=β