第七章光電傳感器習題答案

1、第七章 光敏傳感器? 1光電效應通常分為哪幾類？簡要敘述之。 與之對應的光電器件 有哪些？? 2半導體內(nèi)光電效應與入射光頻率的關系是什么？3光電倍增管產(chǎn)生暗電流的原因有哪些？如何降低暗電流？? 4試述光電倍增管的組成及工作原理？? 5簡述光敏二極管和光敏三極管的結(jié)構(gòu)特點、 工作原理及兩管的 區(qū)別？? 6為什么在光照度增大到一定程度后， 硅光電池的開路電壓不再? 隨入射照度的增大而增大？硅光電池的最大開路電壓為多少？? 7試舉出幾個實例說明光電傳感器的實際應用， 并進行工作原理 的分析。答案： 一、光電效應分為兩類：外光電效應和內(nèi)光電效應 外光電效應： 入射光子被物質(zhì)的表面所吸收， 并從表面向外

2、部釋放電 子的一種物理現(xiàn)象。 基于外光電效應的光電器件有光電管、 光電倍增 管。內(nèi)光電效應當光照在物體上，使物體的電導率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象。分為光電導效應（如：光敏電阻）和光生伏特效應（如光 電池、光電二極管、光電三極管）、對于不同的本征半導體材料，禁帶寬度 Eg不同，對入射光的波長或頻率的要求也不同，一般都必須滿足:he 1.24一 Eg式中V、入分別為入射光的頻率和波長。對于雜質(zhì)半導體:h he 仙 EiEi為雜質(zhì)電離能三、1、歐姆漏電歐姆漏電主要指光電倍增管的電極之間玻璃漏電、管座漏電和灰塵漏電等。歐姆漏電通常比較穩(wěn)定，對噪聲的貢獻小。在低電壓工作 時，歐姆漏電成為暗電流的

3、主要部分。在使用光電倍增管時，保證管殼和所有連接件的清潔干燥是十分 必要的。2、熱發(fā)射由于光電陰極材料的光電發(fā)射閾值較低，容易產(chǎn)生熱電子發(fā)射， 即使在室溫下也會有一定的熱電子發(fā)射，并被電子倍增系統(tǒng)倍增。要減小熱電子發(fā)射，應選用熱發(fā)射小的陰極材料，并在滿足使用的前提下，盡量減小光電陰極的面積，降低光電倍增管溫度3、殘余氣體放電光電倍增管中高速運動的電子會使管中的殘余氣體電離， 產(chǎn)生正 離子和光子，它們也將被倍增，形成暗電流。這種效應在工作電壓高 時特別嚴重，使倍增管工作不穩(wěn)定。在管子封口前應低溫烘烤 多余的殘余氣體。4、場致發(fā)射 光電倍增管的工作電壓高時還會引起管內(nèi)電極尖端或棱角的場 強太高產(chǎn)生

4、的場致發(fā)射暗電流。 顯然降低工作電壓場致發(fā)射暗電流也 將下降；加工時要精細，電極邊應做成彎卷狀。5、玻璃殼放電和玻璃熒光 當光電倍增管負高壓使用時，金屬屏蔽層與玻璃殼之間的電場 很強，尤其是金屬屏蔽層與處于負高壓的陰極電場最強。 在強電場下 玻璃殼可能產(chǎn)生放電現(xiàn)象或出現(xiàn)玻璃熒光， 放電和熒光都要引起暗電 流，而且還將嚴重破壞信號。因此，在陰極為負高壓應用時屏蔽殼與 玻璃管壁之間的距離至少為 1020mm。四、 光電倍增管是一種真空光電發(fā)射器件，它主要由（光入射）窗、 光電陰極、電子光學系統(tǒng)、倍增極和陽極五部分組成。光照射到陰極上產(chǎn)生光電子， 光電子在真空中電場的作用下被加 速而投射到第一個打拿

5、極上，產(chǎn)生 36倍的二次電子，被打出來的 二次電子再經(jīng)過加速電場的加速， 又打在第二倍增電極上， 電子數(shù)目 又增加 36 倍，如此不斷連續(xù)倍增，直到最后一級的倍增極產(chǎn)生的 二次電子被更高電位的陽極收集為止， 其電子數(shù)將達到陰極發(fā)射電子 數(shù)的105106倍。從而在整個回路里形成光電流IA。工作時，電極電 位從陰極到陽極經(jīng)過各個打拿極逐級升高， 即每個打拿極電壓應滿足 W>Vo>.V3>V2>V,（其中 Vii, V10，.V3,匕，Vi分別為各打拿極的 電壓。）光電倍增管的放大倍數(shù)很高，一般可達 106，它的靈敏度比普通 光電管高幾萬到幾百萬倍。五、結(jié)構(gòu)特點 ：光電二極管

6、結(jié)構(gòu)與普通二極管類似。 它的管芯是一個具有光敏特性的PN結(jié)，結(jié)面積比普通二極管大，表面有防反射的SiO2 保護層。封裝在透明玻璃殼內(nèi)。PN結(jié)裝在管子的頂部，并有一個透 明窗口，可使入射光集中照射在 PN結(jié)的敏感面上。光敏三極管與普通半導體三極管一樣， 是采用半導體制作工藝制成的具有NPN或PNP結(jié)構(gòu)的半導體管，它的引出電極通常只有兩個。 為適應光電轉(zhuǎn)換的要求， 它的基區(qū)面積做得較大， 發(fā)射區(qū)面積做得較 小，入射光主要被基區(qū)吸收。和光敏二極管一樣，封裝在透明玻璃殼 內(nèi)，并有一個透明窗口， 可使入射光集中照射在敏感面上。工作原理：光敏二極管： 在反向偏壓的作用下 , 無光照時，反向電流很小，這反

7、向電流稱為暗電流。 只有少數(shù)載流子， 渡越阻擋層形成微小的反向電 流即暗電流；當光照射在PN結(jié)上，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，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大 大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下， P 區(qū)的少數(shù)載流 子渡越阻擋層進入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入 P區(qū)， 從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流。光的照 度越大，光電流越大。光敏晶體管： 光敏晶體管的基區(qū)很薄，無引線（開路），當集電極加 上相對于發(fā)射極為正的電壓，集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)， 當光照射 在集電結(jié)時， 就會在結(jié)附近產(chǎn)生電子空穴對， 光生電子被拉到集電 極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，相當于給發(fā)射結(jié) 加了正向偏壓，這樣便會有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的（3倍，所以光敏晶體管有放大作用。光敏二極管和三極管的主要差別 ：光電流光敏二極管一般只有幾微安到幾百微安， 而光敏三極管一般都在 幾毫安以上，至少也有幾百微安，兩者相差十倍至百倍。光敏二極管 與光敏三極管的暗電流則相差不大，一般都不超過 1uA。響應時間光敏二極管的響應時間在100ns以下，而光敏三極