第7章 传感器技术-光电效应及传感器.ppt

光电传感器技术——光电元件 光电效应及器件 光电效应 所谓光电效应，是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。 内光电效应 外光电效应 外光电效应－ 在光的照射下，使电子逸出物体表面而产生的光电子发射现象。 内光电效应－ 光照射在半导体材料上，材料中处于价带的电子吸收能量，通过禁带跃入导带，使导带内电子浓度和价带内空穴增多，即激发出光生电子－空穴对，从而使半导体材料产生电效应。 内光电效应 1、光电导效应（光敏电阻、光电二极管、光电三极管） 2、光生伏特效应（光电池） 外光电效应 （光电管、光电倍增管） 光敏二极管 光敏二极管的结构与一般二极管相似，它安装在透明的玻璃外壳中，其P-N结装在管顶，可以直接受到光照射。其结构简化图以及基本线路如图所示。 光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态。 当没有光照时，其反向电阻很大，流过P-N结的反向电流很小。 当有光照射导P-N结上时，就会在其上及其附近形成电子－空穴对，它们在P-N结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。如果光照射强度发生变化，则光生电子－空穴对的浓度就会发生变化，光电流也随之变动，可见光敏二极管可以将光信号转变为电信号的输出。 光敏三极管 光敏三极管的结构同一般的三极管很相似，但它的基极－集电极结面积较大，以便增大接收光照面积，而且基极往往是不接引出线的（光注入），这是和一般三极管在线路连接上最明显的不同。 光敏三极管也有二个P-N结，在将光信号转变为电信号的同时，也将信号电流加以放大。与一般三极管一样，光敏三极管有PNP和NPN型两种。如图所示。 光集电极C加上相对于发射极为正的电压（NPN型），不接基极，则基极－集电极结上就是反向偏压。 光照射到基极－集电极结上时，就会在结的附近产生电子－空穴对，从而形成光电流，即光电三极管的集电极电流。 由于集电极电流为光电流的β倍（三极管放大倍数），所以光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。 光电池 光电池是一种有源光电元件。其工作原理是基于光生伏特效应的，即元件受到光照射时，产生一定方向的电动势。用可见光作为光源的光电池是最常见的光电元件。锗、硅、硒是光电池最常用的材料，其中又以硅光电池应用最广，也称为硅太阳能电池。 下图是典型的硅光电池符号。 光电元件的特性 1、光谱特性。也即光谱响应特性，光电器件在不同波长的光照射下，会有不同的灵敏度，所以各种光电器件有相应的工作波长，即一定材料的器件总是对应着一定的波长范围的入射光才会响应。通常用波长λ－相对灵敏度来表征这一特性的。 2、光照特性。在不同的光的强度照射下，光电器件有不同的光电效应的外在表现，如光电池在不同光的照度下有不同的光生电动势和短路光电流；光敏二极管或三极管在不同光的照度下有不同的光电流。 3、伏安特性。光电晶体管与一般晶体管在不同的基极电流下的输出特性相似，在不同的光照度下所产生的光电流（入射光在发射极e与基极b之间的P-N结附近所产生的光电流）可以看作基极电流，这一特性和一般晶体管类似。 4、频率特性。反映了交变光照下器件的输出特性。一般采用硅材料的器件具有较高的频率响应。 光电耦合器 光电耦合器（光电隔离器）是利用发光元件与光敏元件封装为一体而构成电－光－电转换的器件。 如发光二极管－光敏电阻、发光二极管－光敏三极管、发光二极管－光敏可控硅等形式。 其中以发光二极管－光敏三极管为基本形式的器件应用最为广泛。可以构成发光二极管与复合三极管、达林顿管、集成电路等组合，应用前途非常广大。 光电耦合器采用的密封管壳，不受外界光的干扰。同时，由于器件利用光作为信号传输介质，抗电磁干扰能力很强，在测试技术、计算机控制技术等领域作为优良的电气耦合与隔离元件而被大量使用。 下图为光电耦合器的几种基本组合。 提示—— 在智能测试系统及计算机控制系统中，光电耦合器常用来组成开关电路，并代替继电器的控制电路，以固态继电器（SSR）的形式广泛应用，具有无机械触点、噪音低、执行动作快、体积小、寿命长等显著的优点。 发光二极管阵列（SSPA） 电荷耦合器件（CCD） 这两类光电器件实际上是集成化、模块化的光电元件组合，他们的工作原理类似，根据需要，可以做成线阵或面