第九节 光电传感器.ppt

第九节 光电传感器 学习光电效应、光电元件的结构、工作原理、特性以及光电传感器的各种应用。 光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。 一、光电效应及元件 用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串具有能量（每个光子能量的大小等于普朗克常数h乘以光的频率γ，即E=hγ）的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。 由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同，通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为： 外光电效应 光导效应 光生伏特效应 （一）外光电效应 外光电效应：在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。 E=hγ=mυ2/2 +A 1．光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面逸出功。这就是说，每种物体都有相对应的光频阈值，称为红限频率，用γ0表示。 γ0=A/h  若入射光的频率小于红限频率，光子的能量不足以使物体内的电子逸出，因此小于红限频率的入射光，光再强也不会产生光电效应。反之，若入射光的频率高于红限频率，即使光强微弱，也会使照射的物体有光电子发射出来。 E=hγ=mυ2/2 +A 2．当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强度成正比。光愈强，意味着入射的光子数目越多，逸出的光电子数也就越多。 3．光电子逸出物体表面时的初动能决定于光的频率。对于一定的物质，电子逸出功A是一定的，所以光子的能量hγ越大，则电子的初动能越大。 2、外光电元件 紫外管 K为光电阴极,A为光电阳极；D1、D2、D3…等若干个光电倍增极(又称二次发射极)，涂有光敏物质。 （二）光导效应及器件 半导体材料受到光照时，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为光（电）导效应。 基于这种效应的光电器件有光敏电阻(光电导型)和反向工作的光敏二极管、光敏三极管(光电导结型)。 暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻, 此时流过的电流称为暗电流。  亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻, 此时流过的电流称为亮电流。 2、光敏电阻的结构 它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质, 半导体的两端装有金属电极, 金属电极与引出线端相连接, 光敏电阻就通过引出线端接入电路。 3、光敏电阻的主要参数及特点 几乎都是用半导体材料制成的光电器件。 没有极性, 纯粹是一个电阻器件, 使用时既可加直流电压, 也可以加交流电压。 无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路中电流（暗电流）很小； 当光敏电阻受到光照时，阻值减小。 光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。 一般希望暗电阻越大越好, 亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级, 亮电阻在几千欧以下。 （三）光生伏特效应及器件 在光线作用下, 能使物体产生一定方向的电动势的现象。 光生伏特型光电器件是自发电式的，属有源器件。 器件：以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件，硒和硅是光电池常用的材料，也可以使用锗。 其余的如光电二级管、光敏晶体管等属于这类光电器件。 工作原理： 2、光电二极管 工作原理与电池相似，利用光子引起的电子跃迁将光信号转变成电信号，光生电流与光强成正比。 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结装在管的顶部, 可以直接受到光照射。 工作原理 光照射在PN结上； 无光照时, 反向电阻很大, 反向电流很小（暗电流）。 光照射PN结时, 光子打在PN结附近, 使PN结附近产生光生电子和空穴对。它们在PN结处的内电场作用下作定向运动, 形成光电流。光的照度越大, 光电流越大。 光敏二极管在不受光照射时, 处于截止状态, 受光照射时, 处于导通状态。 3、光电三级管 光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电流大几十至几百倍，但相应速度较二极管差。 工作原理 （1）光电转换 （2）电流放大 工作原理 光敏晶体管与一般晶体管很相似, 具有两个PN结, 只是它的基区一边做得很大, 以扩大光的照射面积。 当光照射在集电结上时,就会在结附近产生电子-空穴对, 从而形成光电流,相当于三极管的基极电流。由于基极电流的增加, 因此集电极电流是光生电流的β倍, 所以光敏晶体管有放大作用。 光敏三极管有两个PN结。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观