光敏傳感器精品課件

1、光敏傳感器第1頁，共15頁，2022年，5月20日，4點6分，星期一單元12 光敏電阻【電路圖】【電路分析】 圖示為光敏電阻接線電路。把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射可改變電路中電流的大小。光敏電阻在受到光的照射時，其導電性能增強，電阻Rg值下降，流過光敏負載電阻RL的電流及其兩端電壓也隨之變化。 光敏電阻工作基于內(nèi)光電效應(yīng)：當無光照時，光敏電阻具有很高的阻值；當光敏電阻受到一定波長范圍的光照射時，光子的能量大于材料的禁帶寬度，價帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導帶，激發(fā)出可以導電的電子空穴對，使電阻降低；光線越強，激發(fā)出的電子空穴對越多，電阻值越低；光照停止后，自由電子與

2、空穴復合，導電性能下降，電阻恢復原值。第2頁，共15頁，2022年，5月20日，4點6分，星期一 下圖為光敏電阻結(jié)構(gòu)，在玻璃底板上均勻地涂上薄薄的一層半導體物質(zhì)，半導體的兩端裝上金屬電極，使電極與半導體層可靠地電接觸，然后，將它們壓入塑料封裝體內(nèi)。為了防止周圍介質(zhì)的污染，在半導體光敏層上覆蓋一層漆膜，漆膜成分的選擇應(yīng)該使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。光敏電阻一般為半導體材料。第3頁，共15頁，2022年，5月20日，4點6分，星期一【知識要點】1.光電式傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的光敏器件，它可用于檢測直接引起光強變化的非電量，如光強、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成

3、光量變化的其他非電量，如零件線度、表面粗糙度、位移、速度、加速度等。光電式傳感器具有響應(yīng)快、性能可靠、能實現(xiàn)非接觸測量等優(yōu)點，因而在檢測和控制領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。2.光電效應(yīng) 光電式傳感器的作用原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。光電效應(yīng)有外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)三種情形。（1）外光電效應(yīng)：在光線照射下，電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也叫光電發(fā)射效應(yīng)。其中，向外發(fā)射的電子稱為光電子，能產(chǎn)生光電效應(yīng)的物質(zhì)稱為光電材料。外光電效應(yīng)光電元件有光電管、光電倍增管等。（2）內(nèi)光電效應(yīng) 在光線照射下，物體內(nèi)的電子不能逸出物體表面，物體的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。光敏電阻是典型的基于內(nèi)光電效

4、應(yīng)的光電元件。 （3）光生伏特效應(yīng) 在光線照射下，材料吸收光能后，物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)光電元件有光敏二極管、光敏三極管、光電池等?；氐降谝豁摰?頁，共15頁，2022年，5月20日，4點6分，星期一單元13 光電管【電路圖】【電路分析】 圖示為光電管工作電路圖。當光電管的陰極受到適當波長的光線照射時，有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流。如果在外電路中串聯(lián)適當阻值的電阻，則在光電管組成的回路中形成電流I，并在負載電阻RL上產(chǎn)生輸出電壓UOUT。在入射光的頻譜成分和光電管電壓不變的條件下，輸出電壓UOUT與入射光通量成正比

5、。第5頁，共15頁，2022年，5月20日，4點6分，星期一光電管的結(jié)構(gòu)示意圖： 光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖 ：光電倍增管電路原理圖 ：第6頁，共15頁，2022年，5月20日，4點6分，星期一【知識要點】1.基于外光電效應(yīng)工作原理制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件（如光電管、光電倍增管）。2.光電倍增管的主要參數(shù):（1）暗電流 光電倍增管接上工作電壓后，在沒有光照的情況下陽極仍會有一個很小的電流輸出，此電流即稱為暗電流光電倍增管在工作時，其陽極輸出電流由暗電流和信號電流兩部分組成。當信號電流比較大時，暗電流的影響可以忽略，但是當光信號非常弱，以至于陽極信號電流很小甚至和暗電流在同一數(shù)量

6、級時，暗電流將嚴重影響對光信號測量的準確性。所以暗電流的存在決定了光電倍增管可測量光信號的最小值。一只好的光電倍增管，要求其暗電流小并且穩(wěn)定。（2）倍增系數(shù)M 倍增系數(shù)M等于各倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)i的連乘積：回到第一頁第7頁，共15頁，2022年，5月20日，4點6分，星期一單元14 光生伏特元件【電路圖】【電路分析】 圖示為光敏二極管原理圖。光敏二極管和普通半導體二極管一樣，它的PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，因此光敏二極管工作時應(yīng)加上反向電壓。 無光照時，處于反偏的光電二極管工作在截止狀態(tài)，這時只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，越過阻擋層形成微小的反向電流（暗電流）。反向電流（暗電流）小的原因

7、是PN結(jié)中P區(qū)的電子和N區(qū)中的空穴很少。當光照射在PN結(jié)上時，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子空穴對，使得P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度增加，在外加反偏電壓和內(nèi)電場的作用下，P區(qū)的少數(shù)載流子越過阻擋層進入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子越過阻擋層進入P區(qū)，從而使通過PN結(jié)反向電流增加，形成光電流。光電流流過負載電阻RL時，在電阻兩端將得到隨入射光變化的電壓信號，實現(xiàn)光電功能轉(zhuǎn)換。第8頁，共15頁，2022年，5月20日，4點6分，星期一 下圖為光敏三極管原理圖，光敏三極管的集電極接正電壓，其發(fā)射極接負電壓。當無光照射時，流過光敏三極管的電流，即正常情況下光敏三極管集電極與發(fā)射極之間的穿透電流Ice

8、o，也是光敏三極管的暗電流。光敏二極管結(jié)構(gòu)圖： 光敏三極管結(jié)構(gòu)圖： 第9頁，共15頁，2022年，5月20日，4點6分，星期一【知識要點】1.暗電流 光敏二極管的暗電流是指光敏二極管無光照射時還有很小的反向電流。暗電流決定了低照度時的測量界限。光敏三極管的暗電流就是它在無光照射時的漏電流。2.短路電流 光敏二極管的短路電流是指PN 結(jié)兩端短路時的電流，其大小與光照度成比例。3.正向電阻和反向電阻 當無光照射時，光敏二極管正向電阻和反向電阻均很大。當有光照射時，光敏二極管有較小的正向電阻和較大的反向電阻。4.基本特性（1）光照特性： 第10頁，共15頁，2022年，5月20日，4點6分，星期一（

9、2）光譜特性 （3）伏安特性第11頁，共15頁，2022年，5月20日，4點6分，星期一（4）溫度特性 第12頁，共15頁，2022年，5月20日，4點6分，星期一【電路圖】【電路分析】 圖示為光電池原理圖。入射光照射在PN結(jié)上時，若光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，則在PN結(jié)內(nèi)產(chǎn)生“電子空穴”對，在內(nèi)電場的作用下，空穴移向P區(qū)，電子移向N區(qū)，使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，因而PN結(jié)產(chǎn)生電勢。當光照射到PN結(jié)上時，如果在兩級間串接負載電阻，則在電路中便產(chǎn)生電流。 圖5.26所示為光電池結(jié)構(gòu)。光電池是在光線照射下，直接將光量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱觿莸墓怆娫?，實質(zhì)上它就是電壓源。這種光電器件是基于阻擋層的光電效

10、應(yīng)。硅光電池是在一塊N型硅片上，用擴散的方法摻入一些P型雜質(zhì)(例如硼)形成PN結(jié)。第13頁，共15頁，2022年，5月20日，4點6分，星期一 下圖所示為光電池結(jié)構(gòu)。光電池是在光線照射下，直接將光量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱觿莸墓怆娫?，實質(zhì)上它就是電壓源。這種光電器件是基于阻擋層的光電效應(yīng)。硅光電池是在一塊N型硅片上，用擴散的方法摻入一些P型雜質(zhì)(例如硼)形成PN結(jié)。【知識要點】光電池的基本特性：1.光電池的光譜特性 第14頁，共15頁，2022年，5月20日，4點6分，星期一2.光電池的光照特性 3.光電池的頻率特性 光電池的頻率特性是指光的調(diào)制頻率和輸出電流之間的關(guān)系。硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，而硒光電池較差。4.光電池的溫度特性 光電池的溫度特性是指光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化