5.1光电效应和光电器件（课件）《传感器检测技术》同步教学（机械工业出版社）

光电传感器的组成 光电效应 光电器件 5.1光电效应和光电器件 主要内容 光电传感器的组成 光电效应 光电器件 光电传感器的组成 光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号转变成为电信号的器件。 光电传感器的组成 能直接引起光量变化的被测量：光强、辐射温度、气体成分等； 能在光传播过程中调制光量的被测量：零件尺寸、形状、位移、加速度、转速等 光电效应 概念：物体吸收光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。 分类 光电效应 外光电效应 内光电效应 光电导效应 光生伏特效应 一. 外光电效应 在光线的作用下，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。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。 光电效应能否产生,取决于光子的能量是否大于该物质表面的电子逸出功。这意味着每一种物质都有一个对应的光频阀值,称为红限频率（对应的光波长称为临界波长）。 f光线< f红限, 再大的光强也不能导致电子发射； f光线> f红限，微弱的光线即可导致电子发射。 二.内光电效应 当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类： 1.光电导效应 在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。 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加，从而使电导率变大。 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 2.光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。 基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。 PN结产生光生伏特效应 ＋ ＋ ＋ － － － P N ＋ － 光 ＋ － 光生电子—空穴对 原理:如图，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Eg时，则在PN结内产生电子空穴对，它们的移动使PN结产生电势。 光电管及光电倍增管 一.光电管 光电管是一种具有悠久历史的光传感器。光电管是一个装有光电阴极和阳极的真空玻璃管,如图所示。 原理：当光电阴极受到适当波长的光线照射时发射光电子，在中央带正电的阳极吸引下，光电子在光电管内形成电子流，在外电路中便产生光电流I。 光电管的结构和工作原理 二、光电倍增管 当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几μA，不容易探测，需要用光电倍增管对电流进行放大。 光电倍增管结构和工作原理 光电倍增管示意图 光电阴极 第一倍增极 阳极 第n倍增极 由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。如图4-4所示。 光敏电阻外形 光敏电阻的演示 观察：光电流有什么变化？ 暗电流（越小越好） 光敏电阻的结构 光敏电阻结构 光敏电阻的电极 光敏电阻的工作原理 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 光敏电阻的连线电路 RL E I RG 连线电路图 光敏电阻的特性1-光电流 概念： 1.暗电阻： 2.暗电流： 3.亮电阻: 4.亮电流： 5.光电流：亮电流与暗电流之差。 思考：光敏电阻的亮电阻，暗电阻大好还是小好？ 0 1 2 3 4 5 I/mA L/lx 1000 2000 光敏电阻不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。 光敏电阻的特性2-光照特性 20 40 60 80 100 40 80 120 160 200 240 λ/μm 3 1 2 相对灵敏度 1——硫化镉 2——硒化镉 3——硫化铅 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考虑，才能获得满意的效果。 光敏电阻的特性3-光谱特性 思考：我们为了得到更大的光电流，能否无限增大电压？ 50 100 150 200 1 2 U/V 0 20 40 I/ μA 光敏电阻的特性4-伏安特性 思考：光敏电阻能否用在要求快速响应的场合？ 20 40 60 80 100 I / % f / Hz 0 10 102 103 104 硫化铅 硫化镉 光敏电阻的特性5-频率特性 I / % 40 80 120 160 2 1 T/h 0 400 800 1200 1600 最后达到一个稳定值后就不再变了。这就是光敏电阻的主要优点。 光敏电阻的特性6-稳定性 I / μA 100 150 200 -50 -10 30 50 10 -30 T / ºC 20 4