项目6 光与电传感器及其应用.ppt

项目6 光电传感器及其应用;6.1 光电效应及光电器件;6.1.1 外光电效应;逸出电子的动能;6.1.2 内光电效应;导带; 在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。 具有该效应的材料有硅、硒、氧化亚铜、硫化镉、砷化镓等。 例如，当一定波长的光照射PN结时，就产生电子-空穴对，在PN结内电场的作用下，空穴移向P区，电子移向N区，于是P区和N区之间产生电压，即光生电动势。 利用该效应可制成各类光电池。 ;光电管和光电倍增管 光电管和光电倍增管同属于用外光电效应制成的光电转换器件。; ;普通光电管;光电管的结构和电路; ;;;2. 光电倍增管; ;(2)主要参数;2）阴极灵敏度和总灵敏度;;光电倍增管的光照特性 ; ; 当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg，即 hν= = ≥Eg(eV) 式中ν和λ—入射光的频率和波长。 一种光电导体，存在一个照射光的波长限λC，只有波长小于λC的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。; 如图所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用硫状图案。;; ;5. 光敏电阻的主要参数;;;;;;;光敏二极管和光敏三极管; 光敏二极管符号如图。锗光敏二极管有A，B，C，D四类；硅光敏二极管有2CU1A～D系列、2DU1～4系列。 光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图所示。; P-Si;雪崩光电二极管(APD); 光敏三极管有PNP型和NPN型两种，如图。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的很大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。;光敏三极管的结构和电路;;0 ;光敏晶体管的光照特性;暗电流/mA; 光敏三极管的频率特性曲线如图所示。光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。 ;　　　不同光敏器件的响应时间有所不同。 光敏电阻较慢，约为（10－1～10－３）s，一般不能用于要求快速响应的场合。 工业用的硅光敏二极管的响应时间为（10－5 ～ 10－7）s左右， 光敏三极管的响应时间比二极管约慢一个数量级，在要求快速响应或入射光、调制光频率较高时应选用硅光敏二极管。 ; 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。 由于它可把太阳能直接变电能，又称为太阳能电池。它是发电式有源元件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。 命名方式：把光电池的半导体材料的名称冠于光电池之 前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前,应用最广、最有发展前途的是硅光电池。;　　　硅光电池的结构如图所示。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质(如硼)形成PN结。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。;;L/klx ? ;;20;　　　在一定照度下，光电流I与光电池两端电压V的对应关系，称为伏安特性。 伏安特性可以帮助我们确定光敏元件的负载电阻，设计应用电路。 ;;;6.1.6 光电耦合器件;1、光电耦合器件特点;;3、光电耦合器典型结构;;对于光电耦合器的特性，应注意以下各项参数。 （1）电流传输比 （2）输入输出间的绝缘电阻 （3）输入输出间的耐压 （4）输入输出间的寄生电容 （5）最高工作频率 （6）脉冲上升时间和下降时间 ;6.2 红外