10_1光电.

2020/1/151第十章光电传感器本章学习光电效应、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，掌握光电开关及光电断续器的使用方法。2020/1/1521905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。2020/1/153第一节光电效应及光电元件用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hf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。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。2020/1/154紫外管外形当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。紫外线2020/1/155光敏电阻当光敏电阻受到光照时，阻值减小。2020/1/156光敏电阻演示当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值减小，电流增大。暗电流（越小越好）2020/1/157光敏二极管将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。2020/1/158光敏二极管外形光敏二极管阵列包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。2020/1/159红外发射、接收对管外形红外发射管红外接收管2020/1/1510PIN光电二极管PIN光电二极管是在P区和N区之间插入一层电阻率很大的I层，从而减小了PN结的电容，提高了工作频率。PIN光敏二极管的工作电压（反向偏置电压）高，光电转换效率高，暗电流小，其灵敏度比普通的光敏二极管高得多，响应频率可达数十兆赫，可用作各种数字与模拟光纤传输系统，各种家电遥控器的接收管（红外波段）、UHF频带小信号开关、中波频带到1000MHZ之间电流控制、可变衰减器、各种通信设备收发天线的高频功率开关切换和RF领域的高速开关等。特殊结构的PIN二极管还可用于测量紫外线或射线等。2020/1/1511APD光敏二极管（雪崩光敏二极管）硅雪崩光电二极管是采用n+p-πp+型结构的可见光和近红外探测器，它具有高响应度，高信噪比，高响应速度等特点，可广泛应用于微光信号检测、长距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息传输和光电对抗系统。GD3250系列硅雪崩光电二极管的特性参数参数单位GD3250-AGD3250-BGD3250-C光敏面直径mm0.20.50.8工作电压V100~150100~150150~250暗电流nA≤15≤25≤35响应度V/w606060上升时间ns≤1≤3≤4噪声等效功率Pw/Hz1/20.050.070.09结电容pF≤1≤1.5≤2使用温度范围℃-20~+40-20~+40-20~+40封装形式TO型光纤型TO型TO型2020/1/1513光敏二极管的反向偏置接法在没有光照时，由于二极管反向偏置，所以反向电流很小，这时的电流称为暗电流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。当光照射在二极管的PN结（又称耗尽层）上时，在PN结附近产生的电子-空穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。2020/1/1514光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性演示在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。当光照增加时，光电流IΦ与光照度成正比关系。光敏二极管的反向偏置接法UO+—光照2020/1/1515光敏三极管光敏三极管有两个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，从外观上很难区别。2020/1/1516光敏三极管外形2020/1/1517光敏三极管内部结构a)内部组成b)管芯结构c）结构简化图1—集电极引脚2—管芯3—外壳4—玻璃聚光镜5—发射极引脚6—N+衬底7—N型集电区8—SiO2保护圈9—集电结10—P型基区11—N型发射区12—发射结2020/1/1518硅光敏晶体管的光谱特性电磁波频谱2020/1/1519光电特性0光照光电流光敏三极管光敏二极管3000lx4mA请判断灵敏度的高低0.3mA请计算当E=100lx时，光敏二极管的光电流IΦIΦE2020/1/1520光敏晶闸管光敏晶闸管有三个引出电极，即阳极a、阴极k和门极g。它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极与负载串联后接电源正极，阴极接电源负极，门极可悬空。当有一定照度的光信号通过玻璃窗口照射到正向阻断的PN结上时，将产生门极电流，从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通状态。导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维持导通。要切断已触发导通的光敏晶闸管，必须使阳极与阴极的电压反向，或使负载电流小于其维持电流。光敏晶闸管的特点是：导通电流比光敏三极管大得多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，可用于工业自动检测控制。2020/1/1521光敏晶闸管外形光敏面2020/1/1522基于光生伏特效应的光电元件——光电池在N型衬底上制造一薄层P型层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足够大时，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电子—空穴对，光生电子—空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴留在P区，所以N区带负电，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。2020/1/1523光电池外形光敏面2020/1/1524能提供较大电流的大面积光电池外形2020/1/1525其他光电池及在照度测量中的应用柔光罩下面为圆形光电池2020/1/1526光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能硅光电池板2020/1/1527光电池在动力方面的应用（续）太阳能发电2020/1/1528光电池在动力方面的应用（续）光电池在人造卫星上的应用2020/1/1529光电池的光电特性一个典型的硅光电池的光电特性1—开路电压曲线2—短路电流曲线开路电压为对数特性短路电流为线性特性2020/1/1530休息一下