第6章　光学量传感器及应用 （课件）-《传感器检测技术》同步教学（人民邮电版）

第6章　光学量传感器及应用 知识目标 通过本课题的学习，要求掌握光电效应概念，熟悉常见光电器件的工作原理、结构形式、类型、性能特征和转换电路；了解光纤的结构、光传输原理和光纤传感器特性；了解红外线辐射机理和红外探测器特性。 技能目标 通过本课题的学习，要求掌握光电器件的典型应用，能根据现场情况选择合适的光电器件，能分析和设计基本光电检测系统；能维护光纤传感器、红外探测器。 6.1　光电效应及光电元器件 6.1.1光电效应及分类 1.外光电效应 在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。当物体在光线照射作用下，一个电子吸收了一个光子的能量后，其中的一部分能量消耗于电子由物体内逸出表面时所作的逸出功，另一部分则转化为逸出电子的动能。 2.内光电效应 在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应。用光照射半导体时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度Eg，则禁带中的电子吸收一个光子就足以跃迁到导带，使被激发出来的电子成为一个自由电子，同时也产生一个空穴，从而增强了材料的导电性能，使材料的电阻值降低。 3.光生伏特效应 ⑴势垒光电效应（结光电效应） 以PN结为例，当光照射PN结时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度Eg，则使价带的电子跃迁到导带，产生自由电子—空穴对。在PN结阻挡层内电场的作用下，被激发的电子移向N区的外侧，被激发的空穴移向P区的外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。 ⑵侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，有载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空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于光生伏特效应的光电元件有光电池、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等。 6.1.2 光电管及基本测量电路 1.结构与工作原理 2.光电管特性 ⑴ 光电特性 ⑵ 伏安特性 ⑶ 光谱特性 6.1.3 光电倍增管及基本测量电路 1.结构与工作原理 2.光电倍增管的主要参数和特性 ⑴光电倍增管的倍增系数M与工作电压的关系 ⑵光电倍增管的伏安特性 ⑶光电倍增管的光电特性 6.1.4 光敏电阻及基本测量电路 1.光敏电阻的工作原理和结构 2.光敏电阻的基本特性和主要参数 ⑴ 暗电阻和暗电流 置于室温、全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，此时流过电阻的电流称为暗电流。这些是光敏电阻的重要特性指标。 ⑵ 亮电阻和亮电流 置于室温、在一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。 ⑶伏安特性 伏安特性光照度不变时，光敏电阻两端所加电压与流过电阻的光电流关系称为光敏电阻的伏安特性。如图6-12所示。从图中可知，伏安特性近似直线，但使用时应限制光敏电阻两端的电压，以免超过虚线所示的功耗区。因为光敏电阻都有最大额定功率、最高工作电压和最大额定电流，超过额定值可能导致光敏电阻的永久性损坏。 ⑷ 光电特性 在光敏电阻两极间电压固定不变时，光照度与亮电流间的关系称为光电特性，如图 6-13所示。光敏电阻的光电特性呈非线性，这是光敏电阻的主要缺点之一。 图6-12 光敏电阻的伏安特性 图6-13 硒光敏电阻的光电特性 图6-14 光敏电阻的光谱特性 ⑸ 光谱特性 如图6-14所示，光敏电阻对不同波长的入射光，其对应光谱灵敏度不相同，而且各种光敏电阻的光谱响应峰值波长也不相同，所以在选用光敏电阻时，把元件和入射光的光谱特性结合起来考虑，才能得到比较满意的效果。 ⑹ 响应时间 光敏电阻受光照后,光电流并不立刻升到最大值，而要经历一段时间（上升时间）才能达到最大值。同样，光照停止后，光电流也需要经过一段时间（下降时间）才能恢复到其暗电流值，这段时间称为响应时间。光敏电阻的上升响应时间和下降响应时间约为（10-1～10-3）s，故光敏电阻不能适用于要求快速响应的场合。 ⑺ 温度特性 光敏电阻和其他半导体器件一样，受温度影响较大。 6.1.5 光敏晶体管及基本测量电路 1.光敏晶体管结构与工作原理 ⑴光敏二极管 ⑵ 光敏三极管 ⑶光敏晶闸管 2.光敏晶体管的基本特性 ⑴光谱特性 ⑵伏安特性 ⑶光电特性 ⑷温度特性 ⑸频率特性 光敏晶体管受调制光照射时，相对灵敏度与调制频率的关系称为频率特性，如图6-22所示。减少负载电阻能提高响应频率，但输出降低。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏