第7章 光電式傳感器

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1、主要內(nèi)容：7.1光電效應(yīng)7.2光電器件光電管、光電倍增管、光敏電阻、光電晶體管、光電池、其他光電器件、電荷耦合器7.3光纖傳感器7.4光柵式傳感器概述光電傳感器是將被測量的變化通過光信號變化轉(zhuǎn)換成電信號，具有這種功能的材料稱為光敏材料，做成的器件稱光敏器件。光敏器件種類很多，如：光電管、光敏二極管、光電倍增管、光敏三極管、光敏電阻、光電池、光電耦合器、光纖等等。在計算機、自動檢測、控制系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛。概述指紋鎖門禁光電鼠標概述料位自動控制電動扶梯自動啟停光電開關(guān)概述光柵光纖光電管光敏電阻7.1光電效應(yīng)傳統(tǒng)的光敏器件利用各種光電效應(yīng)，光電效應(yīng)可分為：外光電

2、效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)⑴光電導(dǎo)效應(yīng)⑵光生伏特效應(yīng)7.1光電效應(yīng)7.1.1工作原理(1)外光電效應(yīng)紅限頻率在光線作用下，電子逸出物體表面向外發(fā)射稱外光電效應(yīng)。光照射物體時，電子吸收入射光子的能量，每個光子具有的能量是：Ｅ＝ｈ×γｈ——普朗克常數(shù)＝6.626×10-34(J.s)γ——光的頻率（Hz），波長短，頻率高，能量大7.1光電效應(yīng)7.1.1工作原理如果光子的能量E大于電子的逸出功A，超出的能量表現(xiàn)在電子逸出的功能，電子逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射。能否產(chǎn)生光電效應(yīng)，取決于光子的能量是否大于物體表面的電子逸出功。由能量守恒定律有：光電導(dǎo)效應(yīng)：入射光強改變物質(zhì)導(dǎo)電

3、率的物理現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)。這種效應(yīng)幾乎所有高電阻率半導(dǎo)體都有，為使電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，入射光子的能量E0應(yīng)大于禁帶寬度Eg?；诠怆妼?dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。7.1光電效應(yīng)7.1.1工作原理(2)內(nèi)光電效應(yīng)臨界波長7.1光電效應(yīng)7.1.1工作原理(2)內(nèi)光電效應(yīng)光生伏特效應(yīng)：光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料吸收光能后，在PN結(jié)上產(chǎn)生電動勢的效應(yīng)。為什么PN結(jié)會因光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)呢？有下面兩種情況：不加偏壓的PN結(jié)處于反偏的PN結(jié)不加偏壓的PN結(jié)當光照射在PN結(jié)時，如果電子能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度（E0＞Eg）,可激發(fā)出電子——空穴對，在PN結(jié)內(nèi)電場作用下空穴

4、移向P區(qū)，而電子移向N區(qū)，使P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生電壓，這個電壓就是光生電動勢.基于這種效應(yīng)的器件有光電池7.1光電效應(yīng)7.1.1工作原理(2)內(nèi)光電效應(yīng)處于反偏的PN結(jié)：無光照時，反向電阻很大，反向電流很??；有光照時，光子能量足夠大產(chǎn)生光生電子—空穴對，在PN結(jié)電場作用下，形成光電流，電流方向與反向電流一致，光照越大光電流越大。具有這種性能的器件有：光敏二極管、光敏晶體管.7.1光電效應(yīng)7.1.1工作原理(2)內(nèi)光電效應(yīng)7.2光電器件（1）光電管當光線照射在光敏材料上時，如果光子的能量E大于電子的逸出功A（E＞A），會有電子逸出產(chǎn)生電子發(fā)射。電子被帶有正電的

5、陽極吸引，在光電管內(nèi)形成電子流，電流在回路電阻R上產(chǎn)生正比于電流大小的壓降。因此7.2光電器件（1）光電管7.2光電器件（1）光電管7.2光電器件（2）光電倍增管光照很弱時，光電管產(chǎn)生的電流很小，為提高靈敏度常常使用光電倍增管。如核儀器中閃爍探測器都使用的是光電倍增管做光電轉(zhuǎn)換元件。光電倍增管是利用二次電子釋放效應(yīng)，高速電子撞擊固體表面，發(fā)出二次電子，將光電流在管內(nèi)進行放大。7.2光電器件（2）光電倍增管光電倍增管的光陰極和陽極之間被加了許多倍增極（10個左右），在陽極和陰極之間加有幾百～上千伏的高壓，每個倍增極間有100～200V高壓，電流增益在105數(shù)

6、量極。倍增極外加電壓Ud與增益G的關(guān)系近似為：式中：K——常數(shù)N——光電倍增管倍增極數(shù)7.2光電器件（2）光電倍增管上式可見，外加電壓Ud的變化引起光電倍增管增益的變化，因此對供給光電倍增管的工作電源電壓要求較高，必須有極好的穩(wěn)定性。另外，為減少光電倍增管受溫度影響，在核探測技術(shù)中“穩(wěn)譜”是一個重要內(nèi)容，與光電倍增管的指標、參數(shù)密切相關(guān)。7.2光電器件（2）光電倍增管增益變化為：7.2光電器件（2）光電倍增管光電倍增管測量電路7.2光電器件（3）光敏電阻光敏電阻的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其結(jié)構(gòu)是在玻璃底版上涂一層對光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，兩端有梳狀金屬電極

7、，然后在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜。光敏電阻結(jié)構(gòu)及符號7.2光電器（3）光敏電阻光敏電阻光照特性無光照時，內(nèi)部電子被原子束縛，具有很高的電阻值；有光照時，電阻值隨光強增加而降低；光照停止時，自由電子與空穴復(fù)合，電阻恢復(fù)原值。光敏電阻主要參數(shù)暗電阻——無光照時的電阻；暗電流——無光照時的電流；亮電阻、亮電流——受光照時的阻值、電流；光電流——亮電流與暗電流之差稱亮電流。7.2光電器件（3）光敏電阻伏安特性給定偏壓光照越大光電流越大；給定光照度電壓越大光電流越大；光敏電阻的伏安特性曲線不彎曲、無飽和，但受最大功耗限制。7.2光電器件（3）光敏電阻——基本特性光敏電阻

8、伏安特性光譜特性光敏電阻靈敏度與入射波長有關(guān);光敏電阻靈敏度與半導(dǎo)