第六章 光敏傳感器

1、LOGO 第第6 6章章 光敏傳感器光敏傳感器 6.1 6.3 第第6章章 光敏傳感器光敏傳感器 概述概述 6.2 光電效應(yīng)傳感器光電效應(yīng)傳感器 6.4 光生伏特效應(yīng)器件光生伏特效應(yīng)器件 光敏二極管光敏二極管 6.5 光敏晶體管光敏晶體管 6.6 色敏光電傳感器色敏光電傳感器 6.7 6.8 光電耦合器件光電耦合器件 6.9 紅外熱釋電光敏器件紅外熱釋電光敏器件 固態(tài)圖像傳感器固態(tài)圖像傳感器 光纖傳感器光纖傳感器 6.10 6.1 概述概述 6.1 概述概述 光譜光譜 光學(xué)傳感器的相關(guān)計(jì)量單位光學(xué)傳感器的相關(guān)計(jì)量單位 6.1.2 6.1.1 6.1.3 光源光源 光敏傳感器分類光敏傳感器分類

2、6.1.4 6.1.1 光譜光譜 圖 6 1各種波長(zhǎng)的相對(duì)光強(qiáng)，在人眼最敏感的波長(zhǎng)555nm處歸一化 6.1.1 光譜光譜 光波：波長(zhǎng)為101060m的電磁波 可見光：波長(zhǎng)380780nm 紫外線：波長(zhǎng)10380nm， 波長(zhǎng)300380nm稱為近紫外線 波長(zhǎng)200300nm稱為遠(yuǎn)紫外線 波長(zhǎng)10200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線， 紅外線：波長(zhǎng)780106m 波長(zhǎng)3m（即3000nm）以下的稱近紅外線 波長(zhǎng)超過3m 的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。 6.1.1 光譜光譜 圖 6 2光譜分布圖 6.1.3 光源光源 v對(duì)光源的要求：對(duì)光源的要求： 光源應(yīng)保證均勻、無遮擋或陰影 光源的照射方式應(yīng)符合傳感器的測(cè)量要求

3、光源的發(fā)熱量應(yīng)盡可能小 光源發(fā)出的光必須具有合適的光譜范圍 光源必須具有足夠的照度 6.1.2 光學(xué)傳感器的相關(guān)計(jì)量單位光學(xué)傳感器的相關(guān)計(jì)量單位 6.1.3 光源光源 圖 6 3 電磁波譜圖 6.1.3 光源光源 常用光源常用光源 v 熱輻射光源熱輻射光源 熱輻射光源的特點(diǎn) v 氣體放電光源氣體放電光源 v 發(fā)光二松管發(fā)光二松管 v 激光器激光器 6.1.4 光敏傳感器分類光敏傳感器分類 v光敏傳感器可分為4類 光電效應(yīng)傳感器光電效應(yīng)傳感器 紅外熱釋電探測(cè)器紅外熱釋電探測(cè)器 固態(tài)圖像傳感器固態(tài)圖像傳感器 光纖傳感器光纖傳感器 6.2 光電效應(yīng)傳感器光電效應(yīng)傳感器 6.2.1 6.2.2 外光電

4、效應(yīng)及器件外光電效應(yīng)及器件 內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)）及器件內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)）及器件 一、光電效應(yīng)一、光電效應(yīng) 是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能 量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電傳感器的工作原理基于量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電傳感器的工作原理基于 光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩 大類大類 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外 發(fā)射的現(xiàn)象發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫

5、做光 電子。基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍電子。基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍 增管等。增管等。 光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子的能量：光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子的能量： E=h h普朗克常數(shù)，普朗克常數(shù)，6.62610-34Js；光的頻率（光的頻率（s-1） 根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個(gè)電子只能接受一個(gè)光子根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個(gè)電子只能接受一個(gè)光子 的能量，所以要使一個(gè)電子從物體表面逸出，必的能量，所以要使一個(gè)電子從物體表面逸出，必 須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過 部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。外光電效應(yīng)部分的能量表現(xiàn)

6、為逸出電子的動(dòng)能。外光電效應(yīng) 多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金 屬釋放電子所需時(shí)間不超過屬釋放電子所需時(shí)間不超過10- -9s。 根據(jù)能量守恒定理根據(jù)能量守恒定理 式中式中 m電子質(zhì)量；電子質(zhì)量；v0電子逸出速度。電子逸出速度。 0 2 0 2 1 Amh 該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。 n光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物 體的表面電子逸出功體的表面電子逸出功A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功 ，即每一個(gè)物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光

7、頻閾值，稱為紅限頻，即每一個(gè)物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻 率或波長(zhǎng)限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以率或波長(zhǎng)限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以 使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光 強(qiáng)再大也不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于強(qiáng)再大也不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于 紅限頻率，即使光線微弱，也會(huì)有光電子射出。紅限頻率，即使光線微弱，也會(huì)有光電子射出。 n當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成 正比。即光強(qiáng)愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的正比。即

8、光強(qiáng)愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的 電子數(shù)也就越多。電子數(shù)也就越多。 n光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能mv02 /2 ，因此外光，因此外光 電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會(huì)有電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會(huì)有 光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓 ，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。 6.2.1 外光電效應(yīng)及器件外光電效應(yīng)及器件 v外光電效用 圖 6 4光電發(fā)射檢測(cè)裝置 圖 6 5光電流隨光強(qiáng)的變化曲線 6.2.1 外光電效應(yīng)及器件外光

9、電效應(yīng)及器件 v光電發(fā)射二極管 真空光電二極管真空光電二極管 圖 6 6真空光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖 6.2.1 外光電效應(yīng)及器件外光電效應(yīng)及器件 圖 6 7 圖 6 8 6.2.1 外光電效應(yīng)及器件外光電效應(yīng)及器件 v 充氣光電二極管充氣光電二極管 圖 6 9充氣光電二極管伏安特性曲線 6.2.1.3 光電倍增管光電倍增管 v 光電倍增管原理光電倍增管原理 圖 6 10光電倍增管的結(jié)構(gòu) 6.2.1.3 光電倍增管光電倍增管 v 光電倍增管的結(jié)構(gòu)分類光電倍增管的結(jié)構(gòu)分類 1. 直線瓦片式倍增系統(tǒng)（聚焦型）直線瓦片式倍增系統(tǒng)（聚焦型） 圖 6 11直線瓦片式倍增系統(tǒng)示意 6.2.1.3 光電倍增管光

10、電倍增管 2.圓環(huán)瓦片式倍增系統(tǒng)（聚焦型）圓環(huán)瓦片式倍增系統(tǒng)（聚焦型） 圖 6 12圓環(huán)瓦片式倍增系統(tǒng)示意 6.2.1.3 光電倍增管光電倍增管 3.盒柵式倍增系統(tǒng)（非聚焦型）盒柵式倍增系統(tǒng)（非聚焦型） 圖 6 13盒柵式倍增系統(tǒng)示意 6.2.1.3 光電倍增管光電倍增管 4.百葉窗式倍增系統(tǒng)（非聚焦型）百葉窗式倍增系統(tǒng)（非聚焦型） 圖 6 14百葉窗式倍增系統(tǒng) 6.2.1.3 光電倍增管光電倍增管 圖 6 15光電倍增管陽極靈敏度和放大倍數(shù)隨工作電壓變化曲線 靈敏度靈敏度：是光電倍增管將光輻射轉(zhuǎn)換成電信 號(hào)能力的一個(gè)重要參數(shù)。陽極靈敏度SA是指 在一定工作電壓下陽極輸出電流與照射到陰 極面上

11、光通量的比值。陰極靈敏度SK是指光 電陰極本身的積分靈敏度。 放大倍數(shù)放大倍數(shù)（電流增益G)：在一定工作電壓下 ，光電倍增管的陽極電流和陰極電流的比值 稱為該管的放大倍數(shù)或電流增益。 暗電流暗電流：當(dāng)光電倍增管在全暗條件下時(shí)，陽 極上也會(huì)收集到一定的電流，其輸出電流的 直流成分稱為該管的暗電流。 光電特性光電特性：圖13為光電倍增管的光電特性， 可以看出陽極電流隨光通量而增加，而且在 很寬范圍內(nèi)是線性的，所以適合測(cè)量輻射光 通量較大的場(chǎng)合。 6.2.1.3 光電倍增管光電倍增管 圖 6 16光電倍增管的光電特性 6.2.1.3 光電倍增管光電倍增管 v 光電倍增管的應(yīng)用領(lǐng)域光電倍增管的應(yīng)用領(lǐng)域

12、 v 光電倍增管和半導(dǎo)體光電器件應(yīng)用舉例光電倍增管和半導(dǎo)體光電器件應(yīng)用舉例 圖 6 17 Super-Kamiokanden內(nèi)部的PMT陣列 LOGO 內(nèi)光電效應(yīng)及器件內(nèi)光電效應(yīng)及器件 當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生發(fā)生 變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)叫做內(nèi)光電效應(yīng) ，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同， 內(nèi)光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)和和光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)兩類兩類 . 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) v光照射半導(dǎo)體材料時(shí),材料吸收光子而產(chǎn)生電子 空穴對(duì)，使導(dǎo)

13、電性能加強(qiáng)，電導(dǎo)率增加，這種現(xiàn) 象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)（內(nèi)光電效應(yīng)）。半導(dǎo)體發(fā) 生光電導(dǎo)效應(yīng)的實(shí)質(zhì)可以用其能帶結(jié)構(gòu)解釋，相 關(guān)解釋可參考有關(guān)文獻(xiàn)，下面作簡(jiǎn)要的解釋。 過程：過程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受 到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價(jià)到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價(jià) 帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子 和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 價(jià)帶價(jià)帶 禁帶禁帶 自由電子所占能帶自由電子所占能帶 不存在

14、電子所占能帶不存在電子所占能帶 價(jià)電子所占能帶價(jià)電子所占能帶 Eg 材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對(duì)于一種光材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對(duì)于一種光 電導(dǎo)材料，總存在一個(gè)照射光波長(zhǎng)限電導(dǎo)材料，總存在一個(gè)照射光波長(zhǎng)限0，只有，只有 波長(zhǎng)小于波長(zhǎng)小于0的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生 電子能級(jí)間的躍進(jìn)，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率電子能級(jí)間的躍進(jìn)，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率 增加。增加。 式中式中、分別為入射光的頻率和波長(zhǎng)。分別為入射光的頻率和波長(zhǎng)。 Eg 24. 1 hc h 為了實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)為了實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo) 材料的禁

15、帶寬度材料的禁帶寬度Eg，即，即 6.2.2 內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)）及器件內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)）及器件 v內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)）器件-光敏電阻 光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理 （a）原理圖；（b）外形圖；（c）圖形符號(hào) 圖 6 19光敏電阻的原理結(jié)構(gòu) 光敏電阻的主要參數(shù)光敏電阻的主要參數(shù) （）（） 暗電阻光敏電阻在不受光時(shí)的阻值稱為暗電阻暗電阻光敏電阻在不受光時(shí)的阻值稱為暗電阻, 此時(shí)流過的電流稱為暗電流。此時(shí)流過的電流稱為暗電流。 （）（） 亮電阻光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻亮電阻光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻 , 此時(shí)流過的電流稱為亮電流。此時(shí)流過的電流稱為亮電流。 （）（） 光電流亮電

16、流與暗電流之差稱為光電流。光電流亮電流與暗電流之差稱為光電流。 光敏電阻的基本特性光敏電阻的基本特性 （1） 伏安特性在一定照度下伏安特性在一定照度下, 流過光敏電阻的電流與光流過光敏電阻的電流與光 敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。圖敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。圖16 為硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線。為硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線。 由圖可見由圖可見, 光敏光敏 圖圖16 電阻在一定的電壓范圍內(nèi)電阻在一定的電壓范圍內(nèi), 其其I-U曲線為直線，說明其阻值曲線為直線，說明其阻值 與入射光量有關(guān)與入射光量有關(guān), 而與電壓、電流無關(guān)。在實(shí)際使用中而與電壓、電流無關(guān)。在實(shí)

17、際使用中,光敏電光敏電 阻受耗散功率的限制阻受耗散功率的限制,其工作電壓不能超過最高工作電壓其工作電壓不能超過最高工作電壓,圖中功圖中功 耗虛線是最大連續(xù)耗散功率為耗虛線是最大連續(xù)耗散功率為500mW的允許功耗曲線的允許功耗曲線,一般光一般光 敏電阻的工作點(diǎn)選在該曲線以內(nèi)。敏電阻的工作點(diǎn)選在該曲線以內(nèi)。 （2） 光譜特性光敏電阻的相對(duì)光敏靈敏度與入射波長(zhǎng)的關(guān)光譜特性光敏電阻的相對(duì)光敏靈敏度與入射波長(zhǎng)的關(guān) 系稱為光譜特性系稱為光譜特性, 亦稱為光譜響應(yīng)。亦稱為光譜響應(yīng)。 圖圖16 為幾種不同材料光敏為幾種不同材料光敏 電阻的光譜特性。電阻的光譜特性。 對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng), 光敏電阻的靈

18、敏度是不同光敏電阻的靈敏度是不同 的。從圖的。從圖17中可見硫化鎘光敏電阻的光譜響應(yīng)的峰值在可見光中可見硫化鎘光敏電阻的光譜響應(yīng)的峰值在可見光 區(qū)域區(qū)域, 常被用作光度量測(cè)量（照度計(jì)）的探頭。而硫化鉛光敏電常被用作光度量測(cè)量（照度計(jì)）的探頭。而硫化鉛光敏電 阻響應(yīng)于近紅外和中紅外區(qū)阻響應(yīng)于近紅外和中紅外區(qū), 常用做火焰探測(cè)器的探頭。常用做火焰探測(cè)器的探頭。 圖圖17 表表1 （3） 溫度特性溫度變化影響光敏電阻的光譜響應(yīng)溫度特性溫度變化影響光敏電阻的光譜響應(yīng), 同時(shí)同時(shí), 光敏電阻的靈敏度和暗電阻都要改變光敏電阻的靈敏度和暗電阻都要改變, 尤其是響應(yīng)于紅外區(qū)尤其是響應(yīng)于紅外區(qū) 的硫化鉛光敏電阻

19、受溫度影響更大。的硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。 圖圖18 為硫化鉛光敏電為硫化鉛光敏電 阻的光譜溫度特性曲線阻的光譜溫度特性曲線, 它的峰值隨著溫度上升向波長(zhǎng)短的它的峰值隨著溫度上升向波長(zhǎng)短的 方向移動(dòng)。因此方向移動(dòng)。因此, 硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下 使用。使用。 對(duì)于可見光的光敏電阻對(duì)于可見光的光敏電阻, 其溫度影響要小一些。其溫度影響要小一些。 圖圖18 （4 4）光照特性）光照特性 圖圖19表示表示CdS光敏電阻的光照特性。在一定外加電壓光敏電阻的光照特性。在一定外加電壓 下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系。不同類下，光敏電阻的光電流

20、和光通量之間的關(guān)系。不同類 型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線 性。因此它不宜作定量檢測(cè)元件，這是光敏電阻的不性。因此它不宜作定量檢測(cè)元件，這是光敏電阻的不 足之處。一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作光電開關(guān)。足之處。一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作光電開關(guān)。 0 1 2 3 4 5 I/mA L/lx 10002000 圖圖19 （5 5）頻率特性）頻率特性 當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)，光電流要經(jīng)過一段時(shí)間當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)，光電流要經(jīng)過一段時(shí)間 才能達(dá)到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為才能達(dá)到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為

21、零，這就是光敏電阻的時(shí)延特性。由于不同材料的光敏零，這就是光敏電阻的時(shí)延特性。由于不同材料的光敏 ， 電阻電阻時(shí)延特性不同，所以時(shí)延特性不同，所以 它們的頻率特性也不同，它們的頻率特性也不同， 如圖如圖20。硫化鉛硫化鉛的使用頻的使用頻 率比率比硫化鎘硫化鎘高得多，但多高得多，但多 數(shù)數(shù)光敏電阻的光敏電阻的時(shí)延都比較時(shí)延都比較 大，所以，它不能用在要大，所以，它不能用在要 求快速響應(yīng)的場(chǎng)合。求快速響應(yīng)的場(chǎng)合。 20 40 60 80 100 Y-相對(duì)靈敏相對(duì)靈敏 度度/ % X-f / Hz 0 10102103104 硫化鉛硫化鉛 硫化鎘硫化鎘 圖圖20 （6 6）穩(wěn)定性）穩(wěn)定性 圖中曲線圖

22、中曲線1、2分別表示兩種型號(hào)分別表示兩種型號(hào)CdS光敏電阻的穩(wěn)光敏電阻的穩(wěn) 定性。初制成的光敏電阻，由于定性。初制成的光敏電阻，由于體內(nèi)機(jī)構(gòu)工作不穩(wěn)定體內(nèi)機(jī)構(gòu)工作不穩(wěn)定 ，以及，以及電阻體與其介質(zhì)的作用還沒有達(dá)到平衡電阻體與其介質(zhì)的作用還沒有達(dá)到平衡，所以，所以 性能是不夠穩(wěn)定的。但在人為地加溫、光照及加負(fù)載性能是不夠穩(wěn)定的。但在人為地加溫、光照及加負(fù)載 情況下，經(jīng)一至二周的老化，性能可達(dá)穩(wěn)定。光敏電情況下，經(jīng)一至二周的老化，性能可達(dá)穩(wěn)定。光敏電 阻在開始一段時(shí)間的老化過程中，有些樣品阻值上阻在開始一段時(shí)間的老化過程中，有些樣品阻值上 升，有些樣品阻值下降，但升，有些樣品阻值下降，但 最后達(dá)到

23、一個(gè)穩(wěn)定值后就不最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值后就不 再變了。這就是光敏電阻的再變了。這就是光敏電阻的 主要優(yōu)點(diǎn)。主要優(yōu)點(diǎn)。 光敏電阻的使用壽命在光敏電阻的使用壽命在 密封良好、使用合理的情況密封良好、使用合理的情況 下，幾乎是下，幾乎是無限長(zhǎng)無限長(zhǎng)的。的。 相相 對(duì)對(duì) 靈靈 敏敏 度度 I / %40 80 120 1 6 0 2 1 T/h 0 400 800 120 0 160 0 圖圖21 6.2.2 內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)）及器件內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)）及器件 v應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例 圖 6 26自動(dòng)照明燈電路 自動(dòng)照明燈自動(dòng)照明燈 6.2.2 內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)）及器件內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)）及器件 圖 6

24、27亮光報(bào)警電路 亮光報(bào)警器亮光報(bào)警器 6.2.2 內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)）及器件內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)）及器件 圖 6 28標(biāo)識(shí)燈電路 標(biāo)識(shí)燈標(biāo)識(shí)燈 6.3 光生伏特效應(yīng)器件光生伏特效應(yīng)器件 v勢(shì)壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)） v接觸半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域 時(shí)，便引起光電動(dòng)勢(shì)，這就是結(jié)光電效應(yīng)。以 PN結(jié)為例，光線照射PN結(jié)時(shí)，設(shè)光子能量大于 禁帶寬度Eg，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn) 生電子-空穴對(duì)，在阻擋層內(nèi)電場(chǎng)的作用下，被 光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移 向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形 成光電動(dòng)勢(shì)。 v側(cè)向光電效應(yīng) v當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí)，載流子濃度

25、 梯度將會(huì)產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。當(dāng)光照部分吸收入 射光子的能量產(chǎn)生電子-空穴對(duì)時(shí)，光照部分的載 流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出 現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴(kuò)散。如 果電子遷移率比空穴的大，那么空穴的擴(kuò)散不明 顯，則電子向未被光照部分?jǐn)U散，就造成光照射 的部分帶正電，未被光照射的部分帶負(fù)電，光照 部分與未被光照部分產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)?；谠撔?yīng) 的光電器件如半導(dǎo)體光電位置敏感器件（PSD） 。 6.4.1 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 圖 6 29 pn結(jié)光電檢測(cè)電路 圖 6 30 pn結(jié)光電檢測(cè)電路電流電壓特性曲線 6.4.2 光電池光電池 v原理與結(jié)構(gòu)原理與結(jié)構(gòu) 圖 6 31硅光電池示

26、意圖 6.4.2 光電池光電池 v應(yīng)用實(shí)例 太陽電池電源太陽電池電源 圖 6 32 太陽能電池電源系統(tǒng) 6.4.2 光電池光電池 v光電池在光電檢測(cè)和自動(dòng)控制方面的應(yīng)用光電池在光電檢測(cè)和自動(dòng)控制方面的應(yīng)用 光電池在檢測(cè)和控制方面應(yīng)用中的幾種基本電路光電池在檢測(cè)和控制方面應(yīng)用中的幾種基本電路 圖 6 33 光電追蹤電路 6.4.2 光電池光電池 圖 6 34 光電開關(guān) 6.4.2 光電池光電池 圖 6 35 光電池觸發(fā)電路 6.4.2 光電池光電池 圖 6 36 光電池放大電路 6.4.2 光電池光電池 圖 6 37太陽電池對(duì)鎘鎳電池的充電電路 6.4 光敏二極管光敏二極管 v光敏二極管的結(jié)構(gòu)與

27、一般二極管相似。 它裝在透 明玻璃外殼中, 其PN結(jié)裝在管的頂部, 可以直接受 到光照射光敏二極管在電路中一般是處于反向工 作狀態(tài), 在沒有光照射時(shí), 反向電阻很大, 反向電流 很小, 這反向電流稱為暗電流。 當(dāng)光照射在PN結(jié) 上時(shí), 光子打在PN結(jié)附近, 使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電 子和光生空穴對(duì)。它們?cè)赑N結(jié)處的內(nèi)電場(chǎng)作用下 作定向運(yùn)動(dòng), 形成光電流。光的照度越大, 光電流 越大。 因此光敏二極管在不受光照射時(shí), 處于截 止?fàn)顟B(tài), 受光照射時(shí), 處于導(dǎo)通狀態(tài)。 6.5.1 結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理 v光敏二極管 圖 6 38典型光電二極管示意圖 6.5.1 結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理 v 雪崩光電二極管雪崩光電

28、二極管APD（ Avalanche Photoelectric Diode）是利用）是利用PN結(jié)加上結(jié)加上 高的反向偏壓時(shí)，發(fā)生高的反向偏壓時(shí)，發(fā)生 的雪崩效應(yīng)而獲得電流的雪崩效應(yīng)而獲得電流 增益的光電器件增益的光電器件 雪崩效應(yīng)示意圖 6.5.1 結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理 v 結(jié)光電二極管結(jié)光電二極管(PIN管管) vPIN管是光電二極管中的一 種。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在P 型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間 夾著一層（相對(duì)）很厚的本 征半導(dǎo)體。這樣，PN結(jié)的 內(nèi)電場(chǎng)就基本上全集中于 I 層中，從而使PN結(jié)雙電層 的間距加寬，結(jié)電容變小。 v 由式 = CjRL與 f = 1/2 知，Cj小，則小，頻帶將變 寬。

29、 PIN管結(jié)構(gòu)示意圖 6.5.2 光電二極管應(yīng)用實(shí)例光電二極管應(yīng)用實(shí)例 v光照度測(cè)量器光照度測(cè)量器 圖 6 41光照度測(cè)量電路 (a)集電極輸出電路 (b)發(fā)射極輸出電路 6.5.2 光電二極管應(yīng)用實(shí)例光電二極管應(yīng)用實(shí)例 v心率測(cè)量?jī)x心率測(cè)量?jī)x 圖 6 42手指光反射測(cè)量心率示意圖圖 6 43手指光反射心率電路組成 6.5.2 光電二極管應(yīng)用實(shí)例光電二極管應(yīng)用實(shí)例 v光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表 圖 6 44光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表工作原理 v光敏晶體管與一般晶體管很相似, 具有兩個(gè)PN結(jié), 只是它的發(fā)射極一邊做得很大, 以擴(kuò)大光的照射面 積。大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線, 當(dāng)集電極 加上相對(duì)于發(fā)射極為正的電壓

30、而不接基極時(shí), 集電 結(jié)就是反向偏壓；當(dāng)光照射在集電結(jié)上時(shí), 就會(huì)在 結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對(duì), 從而形成光電流, 相當(dāng)于 三極管的基極電流。由于基極電流的增加, 因此集 電極電流是光生電流的倍, 所以光敏晶體管有放 大作用。 6.5 光敏晶體管光敏晶體管 圖 6 45NPN型光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和基本電路 （a）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型；（b）基本電路 6.6.1 光敏晶體管和光敏二極管基本特性光敏晶體管和光敏二極管基本特性 v光譜特性光譜特性 圖 6 46光敏二極管和晶體管的光譜特性曲線 6.6.1 光敏晶體管和光敏二極管基本特性光敏晶體管和光敏二極管基本特性 v伏安特性伏安特性 圖 6 47硅光敏管的伏

31、安特性 （a）硅光敏二極管；（b）硅光敏晶體管 6.6.1 光敏晶體管和光敏二極管基本特性光敏晶體管和光敏二極管基本特性 v溫度特性溫度特性 圖 6 48光敏晶體管的溫度特性 6.6.2 光電三極管應(yīng)用實(shí)例光電三極管應(yīng)用實(shí)例 v光電開關(guān)光電開關(guān) 圖 6 49 光信號(hào)控制的開關(guān)電路 6.6.2 光電三極管應(yīng)用實(shí)例光電三極管應(yīng)用實(shí)例 v條形碼掃描筆條形碼掃描筆 圖 6 50條形碼掃描筆筆頭結(jié)構(gòu) 6.6 色敏光電傳感器色敏光電傳感器 v色敏光電傳感器實(shí)際上是光電 傳感器的一種特殊類型。它是 兩只結(jié)深不同的的光電二極管 組合體，其結(jié)構(gòu)和工作原理的 等效電路如圖所示。 具體使用時(shí)，首先對(duì)該色敏器件進(jìn)行標(biāo)

32、定，也就是測(cè) 定在不同波長(zhǎng)光照射下，深結(jié)的短路電流ISD2與淺結(jié)的 短路電流ISD1的比值 ISD2 / ISD1 。 ISD2在長(zhǎng)波區(qū)較大， ISD1在短波區(qū)較大；因而 ISD2 / ISD1與入射單色光波長(zhǎng) 的關(guān)系就可以確定。根據(jù)標(biāo)定曲線，實(shí)測(cè)出某一單色 光的短路電流比值，即可確定該單色光的波長(zhǎng)。 v雙結(jié)光電二極管的P+-N結(jié)為淺結(jié)，N-P結(jié)為深結(jié) 。當(dāng)光照射時(shí)，P+，N，P三個(gè)區(qū)域及其間的勢(shì)壘 區(qū)均有光子吸收，但是吸收的效率不同。紫外光 部分吸收系數(shù)大，經(jīng)過很短距離就被吸收完畢； 因此，淺結(jié)對(duì)紫外光有較高靈敏度。而紅外光部 分吸收系數(shù)小，光子主要在深結(jié)處被吸收；因此 ，深結(jié)對(duì)紅外光有較高的靈敏度。即半導(dǎo)體中不 同的區(qū)域?qū)Σ煌ㄩL(zhǎng)分別具有不同靈敏度。這一 特性為識(shí)別顏色提供了可能性。利用不同結(jié)深二 極管的組合，即可構(gòu)成測(cè)定波長(zhǎng)的半導(dǎo)體色敏傳 感器。 6.6.1 雙結(jié)型色彩傳感器雙結(jié)型色彩傳感器 圖 6